陳林俊，陳剛，朱強(qiáng)，王傳杰，張鵬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海 264209）

近年來(lái)，隨著微電子等學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)的迅速發(fā)展，各種飛行器迅速開(kāi)始小型化趨勢(shì)[1—3]。微型渦輪盤(pán)是微型飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件[4]，因此，研究如何提高微型渦輪盤(pán)的質(zhì)量和性能，對(duì)于提高飛行器的可靠性和性能具有決定性影響[5—6]。

周健等[7]設(shè)計(jì)制造了微型齒輪模具，開(kāi)發(fā)了微成形裝置，成功獲得了質(zhì)量良好的鋁合金微型齒輪。王傳杰、郭斌等[8]針對(duì)微型發(fā)電機(jī)上應(yīng)用的微型渦輪構(gòu)件，設(shè)計(jì)整體式微型渦輪成形工藝方案，開(kāi)展了純鎳和7075鋁合金微型渦輪模鍛成形實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了微型渦輪葉片剪切力學(xué)性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)。日本的 Y.Saotome教授[9]利用自行研制的微型模具裝置成形出微型渦輪零件。韓國(guó)學(xué)者Kim和Sa[10—11]采用等通道擠壓工藝制備了鎂合金材料，再通過(guò)熱擠壓成形出質(zhì)量較高的微型齒輪軸。

文中研究微型渦輪盤(pán)熱塑性成形工藝，但是渦輪盤(pán)零件熱塑性成形有相當(dāng)大的難度。如果僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定最佳鍛造工藝，往往要浪費(fèi)很多時(shí)間并且需要很大的成本[12—15]，文中通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究微型渦輪盤(pán)熱塑性成形工藝。

圖1 渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the turbine disk

圖2 模具結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of mould

圖3 模具運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.3 Diagram of mould motion

圖4 行程-載荷曲線(xiàn)Fig.4 Stroke-load curve

1 熱力耦合有限元模型的建立

對(duì)鎳基高溫合金微型渦輪盤(pán)熱塑性成形工藝分析，利用Solidworks對(duì)微型渦輪盤(pán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，微型渦輪盤(pán)直徑為6 mm，盤(pán)的厚度為1.2 mm，盤(pán)上有12個(gè)直榫槽，榫槽寬為0.9 mm，榫槽深為0.6 mm。盤(pán)上內(nèi)凹部分直徑為3.6 mm，內(nèi)凹深度為0.12 mm。凸起部分直徑為2.4 mm，高度為0.12 mm。坯料和模具三維實(shí)體造型見(jiàn)圖 2，模具運(yùn)動(dòng)示意圖見(jiàn)圖 3。采用 Deform有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。為減少模擬運(yùn)算時(shí)間，取坯料的1/12進(jìn)行模擬。坯料材料是GH4698鎳基高溫合金，其本構(gòu)方程是通過(guò)熱壓縮實(shí)驗(yàn)所得到數(shù)據(jù)導(dǎo)入Deform軟件材料庫(kù)，模擬方案為坯料高徑比為0.5, 0.75, 1, 1.25,1.5，溫度為950, 1000, 1050, 1100, 1150 ℃。一共25組模擬，研究不同高徑比，不同溫度下微型渦輪盤(pán)的成形規(guī)律。

2 模擬結(jié)果分析與討論

2.1 微型渦輪盤(pán)成形過(guò)程分析

微型渦輪盤(pán)的鍛壓過(guò)程位移-載荷變化見(jiàn)圖4，可以看出渦輪盤(pán)的凸臺(tái)成形速度比渦輪直榫成形速度快，隨著上模行程的增加，圖4中載荷位移曲線(xiàn)出現(xiàn)拐點(diǎn)以及數(shù)個(gè)平臺(tái)。按照成形過(guò)程載荷的變化進(jìn)行分類(lèi)：① 隨著上模行程的增加，材料發(fā)生塑性變形，金屬向周?chē)障兑约靶颓涣鲃?dòng)，此時(shí)載荷隨位移變化緩慢；② 隨著變形的繼續(xù)，凸臺(tái)已經(jīng)基本成形完成，渦輪開(kāi)始成形直榫部分，金屬坯料的兩側(cè)與凹模型腔接觸，在摩擦作用以及金屬變形抗力等的影響下，載荷上升速度繼續(xù)增加，開(kāi)始穩(wěn)定的充填過(guò)程；③ 當(dāng)坯料與凹模型腔壁接觸時(shí)，載荷上升速度逐漸增加，當(dāng)開(kāi)始充填渦輪直榫上下角隅時(shí)，金屬可流動(dòng)區(qū)域減少，載荷進(jìn)一步增大，當(dāng)榫處金屬基本充填完畢后，此時(shí)自由表面迅速減小，載荷急劇增加，形成飛邊。

2.2 微型渦輪盤(pán)成形最大載荷分析

將模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行整理，利用 Origin作出不同工藝條件下的成形最大載荷圖。不同條件的最大載荷曲線(xiàn)見(jiàn)圖5，可以看出在微型渦輪盤(pán)成形過(guò)程中所需要的最大載荷隨著溫度的升高逐漸降低，可見(jiàn)GH4698微型渦輪盤(pán)在整個(gè)成形過(guò)程中，最大載荷對(duì)溫度比較敏感，溫度升高可以有效減小成形載荷。溫度低時(shí)，隨著變形的增加，位錯(cuò)發(fā)生塞積，加工硬化嚴(yán)重，載荷比較大，溫度增加時(shí)，促進(jìn)動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶的發(fā)生，使載荷大幅降低。在相同溫度條件下，隨著高徑比的增加，最大載荷先減小后增加，高徑比為1左右達(dá)到最小；所以為了減少渦輪盤(pán)成形所需要的能量，應(yīng)該適當(dāng)增高溫度，使坯料高徑比在1左右。

圖5 不同條件的最大載荷曲線(xiàn)Fig.5 Maximum load curves of different conditions

圖6 圖5局部放大Fig.6 Local magnification of Fig.5

2.3 等效應(yīng)力分析

2.3.1 溫度對(duì)等效應(yīng)力的影響

為了研究溫度對(duì)鎳基高溫合金微型渦輪盤(pán)成形時(shí)等效應(yīng)力的影響，在微型渦輪盤(pán)上取了一條路徑，路徑是渦輪盤(pán)的中心軸線(xiàn)，路徑見(jiàn)圖7。提取路徑上的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin中作出對(duì)比圖，見(jiàn)圖8?？梢院苊黠@看出，隨著溫度的升高，微型渦輪盤(pán)在路徑1上面的等效應(yīng)力逐漸下降。這是由于當(dāng)模鍛溫度升高時(shí)，微型渦輪盤(pán)中原子的運(yùn)動(dòng)加快，促進(jìn)了鎳基高溫合金的動(dòng)態(tài)回復(fù)，造成位錯(cuò)密度下降，等效應(yīng)力下降。在950 ℃時(shí)溫度比較低，加工硬化嚴(yán)重，變形不均勻程度比較高，當(dāng)溫度升高時(shí)，促進(jìn)回復(fù)再結(jié)晶的發(fā)生，此時(shí)材料的軟化作用明顯，由于溫度升高的影響，渦輪盤(pán)變形更加均勻，此時(shí)等效應(yīng)力變化波動(dòng)性減小，所以隨著溫度的升高，路徑1的等效應(yīng)力曲線(xiàn)逐漸趨于平緩。

圖7 路徑示意圖Fig.7 Path diagram

圖8 高徑比為1時(shí)位移-等效應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.8 Displacement-equivalent stress curves with a height-diameter ratio of 1

2.3.2 高徑比對(duì)等效應(yīng)力的影響

1050 ℃位移-等效應(yīng)力等效應(yīng)力曲線(xiàn)見(jiàn)圖 9，可知1050 ℃不同高徑比在路徑1上等效應(yīng)力的變化，隨著路徑1位移的增加，等效應(yīng)力先增加后減小，不同高徑比時(shí)等效應(yīng)力有相似的變化規(guī)律，在位移達(dá)到0.8 mm左右，等效應(yīng)力達(dá)到最大。從圖9中可知不同高徑比時(shí)，高徑比為0.5時(shí)等效應(yīng)力最大，隨著高徑比的增加，等效應(yīng)力最大值先減小后增大，當(dāng)高徑比為1左右，等效應(yīng)力最大值最小。

2.3.3 壓下量對(duì)等效應(yīng)力的影響

不同溫度情況下在不同壓下量時(shí)所對(duì)應(yīng)的的等效應(yīng)力見(jiàn)圖10，可以很直觀地看出，溫度是1000 ℃不同壓下量時(shí)等效應(yīng)力的變化趨勢(shì)，當(dāng)壓下量是50%時(shí)，此時(shí)變形量不是很大，坯料只與上下模具接觸還沒(méi)有與凹模接觸，在鼓形區(qū)域的等效應(yīng)力稍大，在凸臺(tái)部位等效應(yīng)力較小，當(dāng)壓下量達(dá)到75%時(shí)，等效應(yīng)力變大。當(dāng)壓下量達(dá)到95%，渦輪輪廓已經(jīng)出現(xiàn)，此時(shí)開(kāi)始成形直榫的上下角隅，等效應(yīng)力明顯增大。

圖9 1050 ℃位移-等效應(yīng)力等效應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.9 Displacement-equivalent stress curves at 1050 ℃

圖10 不同溫度不同壓下量時(shí)等效應(yīng)力云圖Fig.10 Equivalent stress cloud diagram of different temperature and different pressure

2.4 等效應(yīng)變分析

2.4.1 溫度對(duì)等效應(yīng)變的影響

高徑比為1.25時(shí)，位移-等效應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖11，可以看出，當(dāng)高徑比為1.25時(shí)，溫度為950, 1000, 1050,1150 ℃等效應(yīng)變都隨著位移的增加后減小。這是因?yàn)榭拷舷卤砻娑际侵苯优c模具接觸，處于難變形區(qū)，所以此時(shí)等效應(yīng)變比較小。渦輪盤(pán)的中心位置即路徑1的位移為0.6 mm左右時(shí)，此處金屬向四周流動(dòng)充填渦輪直榫的上下角隅等部分，是易變形區(qū)，所以此處等效應(yīng)變比較大，所以路徑1上等效應(yīng)變隨位移的增大，先增加后減小。

2.4.2 高徑比對(duì)等效應(yīng)變的影響

1050 ℃時(shí)不同高徑比的等效應(yīng)變變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖12，可以看出等效應(yīng)變的變化趨勢(shì)是一樣的，都是隨著位移的增加，等效應(yīng)變先增加后減小，但是高徑比越大，等效應(yīng)變?cè)酱螅@是因?yàn)楦邚奖仍酱?，變形程度越大，難變形區(qū)依然集中在路徑1的起點(diǎn)和終點(diǎn)，易變形區(qū)在中點(diǎn)處左右，此處是變形劇烈區(qū)，變形程度比較大，隨著高徑比的增加，變形不均勻程度也在逐漸增加。

2.4.3 壓下量對(duì)等效應(yīng)變的影響

不同壓下量時(shí)等效應(yīng)變及應(yīng)變曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖 13和圖14。從圖14可以看出，在不同壓下量，隨著路徑1位移的增加等效應(yīng)變先增加后減小，并且等效應(yīng)變的變化趨勢(shì)相同但是變化程度不同，壓下量為50%時(shí)，整個(gè)路徑1上等效應(yīng)變都比較小，壓下量逐漸增加時(shí)等效應(yīng)變逐漸增加，壓下量達(dá)到100%時(shí)，整個(gè)過(guò)程在路徑1的相應(yīng)位置等效應(yīng)變達(dá)到最大。這是因?yàn)楫?dāng)壓下量為50%時(shí)，此時(shí)變形程度小，處在鐓粗階段，此時(shí)等效應(yīng)變比較小，當(dāng)壓下量增大時(shí)，變形程度增大，變形不均勻程度也增大，此時(shí)金屬發(fā)生大塑性變形，等效應(yīng)變?cè)龃?。從圖13也可以很明顯看出等效應(yīng)變的變化，綜上所述可見(jiàn)，通過(guò)等效應(yīng)變圖和數(shù)據(jù)曲線(xiàn)可以很好地總結(jié)金屬的變形規(guī)律。

圖11 高徑比1.25時(shí)位移-等效應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.11 Displacement-equivalent strain curves with a height-diameter ratio of 1.25

圖12 1050 ℃位移-等效應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.12 Displacement-equivalent strain curves at 1050 ℃

圖13 不同壓下量時(shí)等效應(yīng)變Fig.13 Equivalent strain cloud diagram under different pressure

圖14 不同壓下量等效應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.14 Equivalent strain curves under different pressure

2.5 速度場(chǎng)分析

圖15 高徑比1.5時(shí)速度場(chǎng)曲線(xiàn)Fig.15 Velocity field curves with a height diameter ratio of 1.5

高徑比為1.5時(shí)，速度場(chǎng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖15，可知隨著位移的增加，速度場(chǎng)也逐漸增加，增加到最大值為0.5 mm/s左右。當(dāng)溫度為1100 ℃時(shí)，速度場(chǎng)始終最大，但是相差并不多，可見(jiàn)溫度對(duì)速度場(chǎng)的影響并不明顯。1050 ℃不同高徑比路徑1速度場(chǎng)的數(shù)據(jù)變化見(jiàn)圖 16，可以看出不同高徑比的速度場(chǎng)變化趨勢(shì)一樣，速度場(chǎng)的大小相差也不大，可見(jiàn)高徑比對(duì)速度場(chǎng)的影響并不敏感。

圖16 1050 ℃速度場(chǎng)曲線(xiàn)Fig.16 Velocity field curves at 1050 ℃

3 結(jié)論

利用有限元分析軟件 Deform-3D模擬 GH4698微型渦輪盤(pán)熱塑性成形過(guò)程變形行為，通過(guò)對(duì)微型渦輪盤(pán)的成形載荷最大值、等效應(yīng)力場(chǎng)、等效應(yīng)變場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行分析，從而對(duì)模鍛工藝進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)實(shí)際工藝有重大指導(dǎo)意義。微型渦輪盤(pán)模鍛過(guò)程載荷最大值隨模鍛溫度升高而降低；隨著高徑比的增加，最大載荷值先減小后增加，高徑比為1左右達(dá)到最小。等效應(yīng)力場(chǎng)、等效應(yīng)變場(chǎng)和速度場(chǎng)可以總結(jié)微型渦輪盤(pán)的變形規(guī)律和金屬流動(dòng)規(guī)律。

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