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        粉末渦輪盤(pán)關(guān)鍵熱工藝的建模仿真

        2023-07-05 08:27:12姜嘉贏(yíng)王志彪陳陽(yáng)王悅張皓彭子超田高峰王旭青中國(guó)航發(fā)航材院
        航空動(dòng)力 2023年3期
        關(guān)鍵詞:變形工藝模型

        ■ 姜嘉贏(yíng) 王志彪 陳陽(yáng) 王悅 張皓 彭子超 田高峰 王旭青/中國(guó)航發(fā)航材院

        粉末渦輪盤(pán)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最為關(guān)鍵的熱端部件之一,制備過(guò)程十分復(fù)雜,導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)及迭代優(yōu)化過(guò)程非常困難。借助建模仿真可以加速這一過(guò)程,從而縮短周期、降低成本、提高工藝穩(wěn)定性,以確?!耙淮伟咽虑樽鰧?duì)”。

        航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的制備多采用粉末冶金工藝,以解決合金材料的成分偏析、性能分散等問(wèn)題,但是其制造流程長(zhǎng)、熱工藝多而復(fù)雜、產(chǎn)品狀態(tài)多變,導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)及迭代優(yōu)化非常困難。建模仿真技術(shù)借助數(shù)字化手段對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行虛擬再現(xiàn),而后迭代優(yōu)化,以達(dá)到縮短周期、降低成本和提高工藝穩(wěn)定性等目標(biāo),目前在粉末盤(pán)的研制中已經(jīng)得到了一定程度的應(yīng)用。但是,熱工藝模擬作為一項(xiàng)世界性難題,仍存在模型精確度不高、置信度較差、唯象性較強(qiáng)等問(wèn)題,且不同工序間的數(shù)據(jù)流尚未打通。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以等溫鍛造和熱處理這兩個(gè)關(guān)鍵熱工藝過(guò)程為研究對(duì)象,通過(guò)獲取材料本征數(shù)據(jù)來(lái)建立高精度數(shù)學(xué)模型,通過(guò)統(tǒng)一編程語(yǔ)言來(lái)串聯(lián)不同工序間的數(shù)據(jù)流,使得建模仿真技術(shù)在粉末渦輪盤(pán)制備工藝中實(shí)現(xiàn)了更深層次的應(yīng)用。

        總體思路

        建模仿真的基礎(chǔ)應(yīng)用范式比較依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),工藝模型僅用于描述材料在單向應(yīng)力狀態(tài)下的宏觀(guān)流動(dòng)行為,無(wú)法描述復(fù)雜溫度場(chǎng)下材料的微觀(guān)組織演化規(guī)律,如晶粒尺寸、再結(jié)晶、位錯(cuò)密度等,這種范式的局限性較強(qiáng),不利于拓展工藝窗口。

        為準(zhǔn)確表述材料特征,實(shí)現(xiàn)材料微觀(guān)組織演化、宏觀(guān)力學(xué)性能及流動(dòng)性能的整體描述,創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析高溫合金熱壓縮試驗(yàn)結(jié)果,以及不同條件下高溫合金宏、微觀(guān)熱流變行為,結(jié)合微觀(guān)組織試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立高溫合金基于多物理內(nèi)變量宏微觀(guān)材料模型,并通過(guò)串聯(lián)等溫鍛造工序及熱處理工序的數(shù)據(jù)和對(duì)有限元軟件的二次開(kāi)發(fā),編寫(xiě)子程序并嵌入材料模型,打通工序間的數(shù)據(jù)流,以實(shí)現(xiàn)建模仿真進(jìn)階應(yīng)用范式,如圖1所示。

        圖1 建模仿真的進(jìn)階應(yīng)用范式

        材料數(shù)據(jù)獲取

        為獲得不同初始材料狀態(tài)、成形溫度與應(yīng)變速率下,材料的宏觀(guān)熱壓縮變形行為以及微觀(guān)組織演變規(guī)律,創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了材料熱力加工模擬試驗(yàn)機(jī)(Gleeble)熱力模擬高溫壓縮試驗(yàn)和微觀(guān)組織試驗(yàn),如圖2 所示。

        圖2 材料數(shù)據(jù)的獲取與處理

        壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明,高溫合金對(duì)應(yīng)變速率和變形溫度均具有較高的敏感性,且應(yīng)力值與應(yīng)變速率成正比,與變形溫度成反比。此外,當(dāng)應(yīng)變速率較高時(shí),隨著變形過(guò)程的進(jìn)行,動(dòng)態(tài)軟化未能及時(shí)抵消由位錯(cuò)大量增殖和塞積而引起的加工硬化,在應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖上的映射為應(yīng)力值隨著應(yīng)變的增加而始終保持升高狀態(tài)。

        微觀(guān)組織試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的溫度時(shí),高溫合金在變形過(guò)程中會(huì)發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象,而隨著變形溫度的升高,晶粒尺寸的增長(zhǎng)速率會(huì)加快。此外,當(dāng)應(yīng)變速率處于較低的范圍時(shí),增加應(yīng)變速率能起到細(xì)化晶粒的作用,這是因?yàn)楫a(chǎn)生的位錯(cuò)未能及時(shí)恢復(fù),材料內(nèi)部位錯(cuò)密度增大,提升了材料內(nèi)部的儲(chǔ)存能,使得再結(jié)晶更容易發(fā)生;而當(dāng)應(yīng)變速率處于較高的范圍時(shí),變形過(guò)程明顯加快,使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不能充分產(chǎn)生,從而導(dǎo)致晶粒細(xì)化程度較低。最后,隨著應(yīng)變量增加,晶粒尺寸逐漸變小,這是因?yàn)椴牧系淖冃纬潭仍黾恿瞬牧蟽?nèi)部的儲(chǔ)存能,有利于再結(jié)晶的發(fā)生,也即表明較大的變形量有助于細(xì)化晶粒。

        材料建模與仿真

        高溫合金本構(gòu)模型的構(gòu)建包含3個(gè)步驟:首先是選用統(tǒng)一本構(gòu)方程,通過(guò)依次引入塑性應(yīng)變速率方程、位錯(cuò)密度演變速率方程、硬化狀態(tài)變量方程、再結(jié)晶演變方程、晶粒大小演變方程以及臨界位錯(cuò)密度方程和基于一維胡克定律建立的應(yīng)力方程共同組成統(tǒng)一的黏塑性本構(gòu)模型;其次是統(tǒng)一本構(gòu)方程求解,由于模型方程均為常微分方程,通常不能直接求解,因此采用顯式歐拉方法求解,即通過(guò)賦予初值、給定時(shí)間增量及數(shù)值積分更新變量,通過(guò)編寫(xiě)與調(diào)試MATLAB程序,進(jìn)行流動(dòng)行為表征及晶粒直徑大小演變輸出;最后進(jìn)行方程組系數(shù)的確定,根據(jù)模型預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,擬合本構(gòu)模型相關(guān)系數(shù)的大致范圍,不斷縮小范圍進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化,最終得出精度較高的模型。此外,高溫合金本構(gòu)模型中與溫度相關(guān)的系數(shù)將根據(jù)阿倫尼烏斯(Arrhenius)定律擬合。

        上述統(tǒng)一本構(gòu)模型可以實(shí)現(xiàn)高溫合金材料的微觀(guān)、介觀(guān)到宏觀(guān)的整體描述,通過(guò)計(jì)算皮爾遜相關(guān)系數(shù),該模型的精度可達(dá)97.4%。之后,將模型嵌入有限元軟件,對(duì)等溫鍛造工藝進(jìn)行了模擬,通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù),得到模型的置信度為95%,如圖3、圖4所示。

        圖3 等溫鍛造模擬結(jié)果

        圖4 晶粒尺寸試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

        氣冷熱處理工藝

        渦輪盤(pán)的氣冷工藝尚未在國(guó)內(nèi)得到應(yīng)用,因此創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)搭建了氣冷工藝原型機(jī)以研究其工藝原理。氣冷工藝模擬的難點(diǎn)在于復(fù)雜的氣固傳熱,首先需要對(duì)換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,之后設(shè)定換熱條件,預(yù)估噴嘴方案,導(dǎo)入冷卻模擬,用模擬結(jié)果調(diào)整換熱系數(shù),如圖5所示。之后重復(fù)上述過(guò)程,直至達(dá)到工藝要求。

        圖5 氣冷熱處理工藝設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

        結(jié)束語(yǔ)

        創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立高精度數(shù)學(xué)模型,串聯(lián)了兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程的數(shù)據(jù)流,實(shí)現(xiàn)了建模仿真更高維度的應(yīng)用。此外,通過(guò)應(yīng)用建模仿真技術(shù),相關(guān)粉末渦輪盤(pán)的生產(chǎn)成本大幅降低,且研制周期縮短了25%。創(chuàng)新項(xiàng)目成果有望推廣至其他熱工藝研究,為實(shí)現(xiàn)粉末渦輪盤(pán)的全流程建模仿真奠定基礎(chǔ),推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字化、智能化制造進(jìn)程。

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