文/王海鵬·西安三角防務(wù)股份有限公司

某AerMet100鋼模鍛件外形復(fù)雜，組織性能要求高，晶粒度需達(dá)到ASTM 8級以上，這對成形火次、坯料設(shè)計(jì)、鍛造工藝參數(shù)提出了很高的要求。針對以上情況，本文建立了該AerMet100鋼鍛件鍛造過程的三維熱力耦合有限元模型，利用剛粘塑性有限元法，對鍛造火次對鍛件變形量的影響、不同坯料尺寸下鍛件的成形情況、變形過程中溫度場的場量分布和變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

AerMet100鋼是美國Carpenter技術(shù)公司在1992年開發(fā)的一種新型的超高強(qiáng)度鋼，其化學(xué)成分(wt%）為Fe-0.23C-11.73Ni-13.85Co-3.13Cr-1.25Mo。該合金具有突出的綜合性能：高強(qiáng)度、高斷裂韌性、抗疲勞、延展性好。其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1930MPa以上，斷裂韌性超過了110MPa·m1/2，同時它還具有更加優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕斷裂和抗疲勞斷裂的能力，是航空航天的理想材料。主要用于高強(qiáng)、高韌的起落架等零部件的制造上。

對于如何發(fā)掘AerMet100鋼的力學(xué)性能，達(dá)到強(qiáng)度和斷裂韌性的最佳匹配，國外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。最初，AerMet100鋼參數(shù)匹配為σb=1965MPa，KIC=115MPa·m1/2。后來，Reghavan等人通過優(yōu)化工藝取得了 σb＞2000MPa，KIC=149.3MPa·m1/2。Lee 僅改進(jìn)鍛造工藝實(shí)現(xiàn)了 σb=2069MPa，KIC＞121MPa·m1/2。KojiSato通過對鋼中夾雜物的改性使鋼的性能達(dá)到了σb=1946MPa，KIC=182.4MPa·m1/2。

國內(nèi)對于提升AerMet100鋼綜合性能的研究基本都集中在對鋼中雜質(zhì)元素和微量元素的控制上。對于采用數(shù)值模擬技術(shù)，通過優(yōu)化鍛造工藝參數(shù)，借助大壓力的鍛造設(shè)備，獲得8級以上的細(xì)晶組織進(jìn)而提升AerMet100鋼的綜合性能，目前還研究較少。

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)AerMet100鋼細(xì)晶化鍛造工藝指導(dǎo)文件，獲得具有優(yōu)良組織力學(xué)性能的細(xì)晶鍛件的條件為：(a）成形溫度小于等于1050℃；(b）每火次坯料各部位變形量在30%以上。本文利用有限元軟件對某AerMet100鋼模鍛件的鍛造過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別對一火次和兩火次模鍛成形時坯料應(yīng)變場的變化過程進(jìn)行了研究，得到了優(yōu)化的模鍛成形火次。并進(jìn)而對優(yōu)化成形火次下坯料的溫度場和成形情況進(jìn)行了研究，得到了成形良好且滿足模鍛變形量要求的坯料，為生產(chǎn)工藝的制定提供了參考。在得到較優(yōu)化的鍛造工藝參數(shù)和坯料的基礎(chǔ)上，利用400MN大型模鍛液壓機(jī)，在國內(nèi)首次成功生產(chǎn)出了晶粒度滿足ASTM 8級要求的大型AerMet100鋼模鍛件，實(shí)現(xiàn)了AerMet100鋼細(xì)晶化鍛造技術(shù)的工程化，并將其力學(xué)性能提升到了新的高度。

有限元模型的建立

本文采用CATIA軟件實(shí)現(xiàn)了坯料和模具的幾何造型建模。模擬過程對坯料采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元離散。材料的流變應(yīng)力為鍛造溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變的函數(shù)，即。坯料的加熱溫度選為1040℃，模具溫度為300℃。由于鍛件變形為高溫大變形的過程，因而坯料的彈性變形可以忽略，采用剛粘塑性材料模型，模具設(shè)為剛性體。坯料與模具之間的摩擦采用剪切摩擦模型，鍛造過程采用水基石墨進(jìn)行潤滑，摩擦因子取為0.3，坯料與模具間的換熱系數(shù)取為2.0N/sec/mm/℃，坯料與環(huán)境換熱系數(shù)取為0.02N/sec/mm/℃。鍛造設(shè)備為液壓機(jī)，速度選為10mm/s。圖1為建立的有限元模型。

數(shù)值模擬結(jié)果與分析

鍛造火次對鍛件變形量的影響

鍛造火次選取1火（方案1）和2火（方案2）。方案1欠壓量設(shè)定為5mm，方案2第一火欠壓設(shè)定為40mm，第二火欠壓設(shè)定為5mm，兩種方案均采用相同的坯料。

圖2為方案2成形結(jié)束后鍛件垂直于分模面的最大縱截面和典型橫截面的變形量分布圖，結(jié)合縱截面和橫截面的變形量分布圖可以看出，鍛件大頭部位（截面3位置）的變形量基本在30%以上且分布比較均勻，這是因?yàn)榇箢^部位尺寸大，第二火變形時坯料需和模具貼合，大量的金屬需通過流動排出型腔。桿部（截面1位置）分模面位置變形量也在30%以上，遠(yuǎn)離分模面的部位變形量在20%以下，且小變形區(qū)深度較大，單側(cè)最大深度約為1/4桿部直徑，這是因?yàn)榈谝换饡r桿部遠(yuǎn)離分模面的部位已經(jīng)成形，第二火時此部分已經(jīng)成為了剛性體，不參與變形。桿部第二火時的變形主要是分模面附近的金屬排出型腔，因此此處變形量大。桿部高臺處（截面2位置）基本上全部為變形量小于20%的小變形區(qū)，主要原因也是在第一火時此部位坯料已經(jīng)和模具型腔貼合，第二火時為剛性體，基本不參與變形。

圖1 坯料和模具的幾何模型

圖2 方案2縱截面和典型橫截面的變形量分布

圖3 方案1縱截面和典型橫截面的變形量分布

圖3為方案1成形結(jié)束后鍛件垂直于分模面的最大縱截面和典型橫截面的變形量分布圖，結(jié)合縱截面和橫截面的變形量分布圖可以看出，鍛件分模面處變形量最大，基本在60%以上，垂直分模面方向有較大的應(yīng)變梯度，桿部（截面1部位）大部分變形量都在30%以上，遠(yuǎn)離分模面的上下表面有較淺的區(qū)域，其變形量在20%～30%之間。桿部高臺處（截面2部位）變形量基本在20%～40%之間。大頭部位（截面3處）變形量在40%以上。

由方案1和方案2的對比可以看出，在鍛件變形量的分布上，方案1鍛件很大部分變形量不能滿足AerMet100鋼細(xì)晶化鍛件對變形量的要求，因此建議采用方案2，即一火次成形工藝。

最優(yōu)化坯料

坯料的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足兩個方面：⑴鍛件各部位成形完整；⑵鍛件各部位的變形量盡量達(dá)到30%以上。從相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果分析得出，鍛件桿部高臺（圖2截面2位置）處較難充滿型腔，同時變形量不容易達(dá)到要求。影響此部位成形質(zhì)量和變形量分布的關(guān)鍵因素是此部位坯料的高度尺寸H，如圖4所示。因此，將H作為最優(yōu)化坯料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖5為H取不同的值時，鍛件桿部高臺橫截面的變形量分布和成形情況。從圖5(a）可以看出，當(dāng)H=330mm時，桿部高臺底部有未充滿現(xiàn)象，由于此處和模具沒有完全貼合，金屬沒有發(fā)生流動，有深度為5mm左右的小變形區(qū)。鍛件未充滿和變形量不足是因?yàn)镠高度小，此處沒有足夠的金屬造成的。從圖5(b）可以看出，當(dāng)H=350mm時，高臺處鍛件與模具完全貼合，成形良好。從變形量分布來看，高臺根部中間部位有一定范圍變形量在20%～30%之間，其余區(qū)域變形量均在30%以上，變形量基本滿足要求。此部位變形量分布中間小、周圍大的特點(diǎn)是因?yàn)榇颂幣髁铣涮顣r，外形基本為方形的坯料需貼合到圓弧形的模具型腔上，因此坯料表面由于形狀的變化要發(fā)生較大的變形，而坯料內(nèi)部金屬的變形基本上為表面金屬發(fā)生變形而帶動的整體移動，變形量有限。從圖5(c）可以看出，當(dāng)H=380mm時，高臺處坯料金屬充足，成形良好。從變形量分布來看，高臺底部和根部中間都有一定區(qū)域變形量在10%以下，中間有較大范圍的變形量在20%～30%的區(qū)域，其余部位變形量在30%以上。變形量的分布是由于H尺寸大，坯料一放入型腔底部就接觸到了模具型腔并和模具型腔貼合，因此底部無法變形，形成了一定范圍的小變形區(qū)。周圍變形量大的原因也是因?yàn)檩^規(guī)則的坯料要貼合到圓弧形的模具型腔上，發(fā)生了一定的變形，H尺寸大，坯料表面很快就貼合到了模具型腔上，因此變形量不大，坯料內(nèi)部也僅僅是表面金屬發(fā)生變形而帶動的整體移動，變形量很小。

圖4 尺寸H示意圖

圖5 H不同時高臺部位變形量分布

從不同H尺寸對鍛件成形性和變形量分布的分析可以得出結(jié)論：在數(shù)值模擬參數(shù)條件下，當(dāng)H=350mm時，鍛件成形良好，變形量分布基本達(dá)到要求，為最佳方案。

一火次成形較多火次成形，鍛件表面夾傷等缺陷更難發(fā)現(xiàn)和排除，因此還應(yīng)考慮到鍛件各部位不會出現(xiàn)夾傷等成形缺陷，數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)圖4所示A部位較容易發(fā)生夾傷。圖6為坯料在模擬和實(shí)物生產(chǎn)時出現(xiàn)的夾傷情況。在對坯料進(jìn)行多次優(yōu)化模擬后得到了不會出現(xiàn)夾傷等缺陷的較優(yōu)化坯料，其最終成形情況如圖7所示。

溫度場變化情況

細(xì)晶化AerMet100鋼的成形溫度不能夠大于1050℃，因此對鍛造過程中鍛件各部位溫度變化和溫升情況進(jìn)行研究是很有必要的。

圖6坯料成形時出現(xiàn)的夾傷情況

圖7 優(yōu)化坯料成形時無夾傷現(xiàn)象

圖8為成形結(jié)束后鍛件垂直于分模面的最大縱截面和典型橫截面的溫度分布圖，結(jié)合縱截面和橫截面的溫度分布可以看出，鍛件內(nèi)部溫度保持在990℃以上，表面有較薄的激冷層，溫度降低到了845℃～900℃之間，鍛件從內(nèi)到外有較大的溫度梯度。為了考察鍛件內(nèi)部的溫升情況，在圖8所示的鍛件橫截面上選取3個典型點(diǎn)，研究隨鍛造過程的進(jìn)行，典型點(diǎn)溫度的變化情況。圖9為典型點(diǎn)的溫度變化曲線，可以看出在鍛造初始階段，鍛件心部溫度一直保持1040℃無變化，隨著鍛造過程的進(jìn)行，鍛件心部開始產(chǎn)生較大的變形量，由于塑性變形產(chǎn)生熱量，心部溫度均先后開始升高，P3點(diǎn)溫升最大，其最大溫升為8℃，最高溫度沒有超過1050℃。當(dāng)變形量到達(dá)一定程度時，塑性變形產(chǎn)生的熱量小于由于模具冷卻和坯料向環(huán)境散熱所損失的熱量，3個典型點(diǎn)的溫度均先后開始下降。

對鍛件內(nèi)部溫度場的研究可以得出結(jié)論：在給定的工藝參數(shù)下，鍛件內(nèi)部溫升有限，各部位溫度始終在1050℃以下。

AerMet100鋼細(xì)晶化大型模鍛件研制

使用上述較優(yōu)化的工藝參數(shù)和坯料，在西安三角防務(wù)400MN模鍛液壓機(jī)上試制了兩批次某型飛機(jī)AerMet100鋼起落架模鍛件。試制結(jié)果表明，鍛件成形良好，無折疊、夾傷等缺陷，表面質(zhì)量好。鍛件心部和表面均達(dá)到了8級以上的晶粒度，綜合性能全面達(dá)標(biāo)。

表1為AerMet100鋼起落架模鍛件力學(xué)性能，可以看出，兩批次模鍛件均達(dá)到了優(yōu)良的綜合性能，尤其在只優(yōu)化鍛造工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，首次在國內(nèi)取得了 σb＞1950MPa，KIC＞150MPa·m1/2，具有優(yōu)良綜合性能的細(xì)晶化大型AerMet100鋼模鍛件。

圖8 縱截面和典型橫截面的溫度分布

表1 AerMet100鋼模鍛件力學(xué)性能

圖9 典型點(diǎn)溫度變化曲線

結(jié)論

⑴針對實(shí)際生產(chǎn)問題，建立了某AerMet100鋼鍛件鍛造過程的三維熱力耦合有限元模型，利用有限元軟件對鍛件的鍛造過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。

⑵模擬結(jié)果表明：一火次模鍛成形時，鍛件變形量分布較均勻，基本能夠滿足30%的變形量要求；兩火次成形時，鍛件表面有相當(dāng)大的區(qū)域變形量在20%以下。因此，建議模鍛采用一火次成形工藝。

⑶采用模擬優(yōu)化得到的坯料，1040℃的變形溫度、10mm/s的變形速度、一火次模鍛成形可得到成形良好、溫度場和應(yīng)變場基本滿足要求的鍛件。

⑷采用得到的較優(yōu)化的工藝參數(shù)，在西安三角防務(wù)400MN模鍛液壓機(jī)上試制了兩批次某型飛機(jī)AerMet100鋼起落架模鍛件。試制結(jié)果表明，鍛件成形良好，無表面缺陷，鍛件心部和表面均達(dá)到了8級以上的晶粒度。在優(yōu)化鍛造工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，首次在國內(nèi)取得了 σb＞1950MPa，KIC＞150MPa·m1/2，具有優(yōu)良綜合性能的細(xì)晶化大型AerMet100鋼模鍛件，模擬結(jié)果能夠有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。