潘馨哲

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速發(fā)展的今天，航空渦輪盤(pán)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要熱端部件，渦輪盤(pán)運(yùn)行環(huán)境的苛刻性較強(qiáng)，將經(jīng)過(guò)高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速等，這也對(duì)渦輪盤(pán)的各項(xiàng)性能提出了較高要求。在渦輪盤(pán)制作過(guò)程中，所使用到的材料主要以鎳基高溫合金為主，依據(jù)仿真技術(shù)提供的便利條件，對(duì)于渦輪盤(pán)成形工藝進(jìn)行梳理，能夠積累相應(yīng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并為成形工藝參數(shù)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。鎳基合金根據(jù)其耐高溫，耐高壓的優(yōu)良性能作為優(yōu)良的渦輪盤(pán)制造材料，本文以?xún)?yōu)化其制造工藝為目的，對(duì)其進(jìn)行細(xì)致分析。

1 渦輪盤(pán)鍛件尺寸形狀及主要技術(shù)指標(biāo)要求

根據(jù)以往應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可知，渦輪盤(pán)作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件，要求部件在應(yīng)用中具有良好的工作性能。在對(duì)渦輪盤(pán)進(jìn)行制作時(shí)，所制作的鍛件最大外形尺寸為φ630mm×140mm，而用于制作渦輪盤(pán)的材料為鎳基高溫合金?？偨Y(jié)以往應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，渦輪盤(pán)鍛件在使用時(shí)的重要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）從鍛件取樣時(shí)選擇縱向低倍試樣，所選試樣不能存在針孔、裂紋、偏析等缺陷；（2）從鍛件試驗(yàn)件上切除試樣進(jìn)行晶粒度的測(cè)定，要求平均晶粒度在10級(jí)或更細(xì)的狀態(tài)；（3）力學(xué)性能，渦輪盤(pán)鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 渦輪盤(pán)鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)

2 渦輪盤(pán)成形工藝的數(shù)值模擬實(shí)踐要點(diǎn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料整理

在此次進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，所選實(shí)驗(yàn)材料為鎳基高溫合金，該合金中的各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：C-0.03%、Cr-16.0%、Co-13.0%、Fe-0.03%、Ti-3.7%、Al-2.1%、Nb-0.7%、Mo-4.0%、W-4.0%、Ni為余量。在成形工藝的應(yīng)用中多使用真空感應(yīng)+真空自耗雙真空冶煉工藝進(jìn)行制作，在經(jīng)過(guò)多段均勻化處理后，可進(jìn)行試樣的制備處理。同時(shí)在高溫流動(dòng)應(yīng)力熱模擬實(shí)驗(yàn)會(huì)選擇在Gleeble-3800上進(jìn)行，所使用到的試樣尺寸類(lèi)型為φ8mm×12mm。在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以將試樣以20℃/s的速率進(jìn)行加熱，加熱溫度最終數(shù)值為1200℃，維持該溫度2min，隨后會(huì)以5℃/s的速率進(jìn)行降溫，降溫溫度最終數(shù)值為1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃、900℃、800℃，每個(gè)階梯溫度維持2min，從而讓試樣內(nèi)部溫度處于均勻化狀態(tài)，隨后會(huì)按梯度速率分別測(cè)量其應(yīng)力和應(yīng)變值，從而統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的分析數(shù)據(jù)。

2.2 成形工藝建模

在零件性質(zhì)上來(lái)看，渦輪盤(pán)屬于一種短軸類(lèi)零件。經(jīng)過(guò)上述鍛件處理后，可以得到φ311mm×79mm的渦輪盤(pán)，基于渦輪盤(pán)來(lái)建立毛坯與鍛造模具的幾何模型，同時(shí)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行裝配，做好網(wǎng)格的劃分工作，完成上述處理后會(huì)直接將其錄入有限元分析軟件中，對(duì)于渦輪盤(pán)材料進(jìn)行定義。最后，還需要對(duì)鍛造工藝的邊界條件進(jìn)行確定，內(nèi)容包括溫度條件、鍛造速率、熱摩擦因數(shù)等，從而將得到的數(shù)值分析模型提交給求解器進(jìn)行處理，最終對(duì)整個(gè)熱成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.3 模擬結(jié)果整理

2.3.1 變形量影響

在具體的模擬實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)不同變形量情況下，對(duì)于晶粒尺寸的最小值、最大值、平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：（1）在變形量處于不斷增加的狀態(tài)時(shí)，晶粒尺寸的平均值則會(huì)處于不斷減小的狀態(tài)。而變形量數(shù)值達(dá)到50%時(shí)，此時(shí)，晶粒尺寸細(xì)化便會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，該情況下的晶粒也會(huì)處于急速細(xì)化的狀態(tài)，而低于該數(shù)值時(shí)的晶粒細(xì)化程度處于不明顯的狀態(tài)。（2）不同結(jié)構(gòu)變形量存在一定差異，其對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸分布情況也存在一定差異，根據(jù)得到的模擬分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：①輪芯部位的變形量增加的情況下，晶粒尺寸會(huì)先處于減小的狀態(tài)，隨后其尺寸會(huì)處于增大的狀態(tài)，最后到達(dá)某數(shù)值后會(huì)處于不變的情況。②輻板和輪轂中心部位的變形量增加的情況下，晶粒尺寸會(huì)先處于先減小后增大，最后到達(dá)某數(shù)值后會(huì)處于不變的狀態(tài)。不同點(diǎn)在于，兩類(lèi)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的結(jié)晶的時(shí)間要晚于輪芯部位，并且會(huì)處于動(dòng)態(tài)平衡的情況。③輪轂上下與模具接觸的表面，晶粒尺寸會(huì)先處于持續(xù)減小的狀態(tài)，但是其晶粒尺寸細(xì)化程度會(huì)小于其他部位。

2.3.2 變形速率影響

在具體的模擬實(shí)驗(yàn)中，也需要對(duì)不同變形速率情況下，平均晶粒尺寸的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：在變形速率處于不斷增加的狀態(tài)時(shí)，平均晶粒尺寸的分布狀態(tài)則會(huì)處于不斷增加的狀態(tài)。并且在此次模擬實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，變形速率為0.1mm/s、1.0mm/s、10mm/s、20mm/s，當(dāng)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變形速率從0.1mm/s增加到1.0mm/s時(shí)，此時(shí)，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的區(qū)域增加過(guò)程的顯著性較強(qiáng)；在變形速率從1.0mm/s增加到10mm/s時(shí)，此時(shí)，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的區(qū)域增加過(guò)程顯著性逐漸變緩；在變形速率從10mm/s增加到20mm/s時(shí)，此時(shí)，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的區(qū)域增加過(guò)程顯著性不再變化。而且在變形速率不斷增加的情況下，晶粒尺寸也會(huì)逐漸降低，并且其在渦輪盤(pán)上的分布差異性也會(huì)不斷減小，由此可見(jiàn)，在整個(gè)鍛造活動(dòng)中所選鍛造速率需要超過(guò)1.0mm/s，從而對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行順利細(xì)化。

2.3.3 變形溫度影響

在具體的模擬實(shí)驗(yàn)中，也需要對(duì)不同變形溫度情況下，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶情況和平均晶粒尺寸分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：在變形溫度處于不斷增加的狀態(tài)時(shí)，平均晶粒尺寸的分布狀態(tài)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶情況會(huì)處于不斷增加的狀態(tài)。在此次模擬實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，變形溫度為1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃、900℃、800℃，當(dāng)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變形溫度從800℃增加到1000℃時(shí)，此時(shí)，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域增加過(guò)程處于顯著性不明顯的情況，平均晶粒尺寸的波動(dòng)性相對(duì)較??；在變形溫度從1000℃增加到1150℃時(shí)，此時(shí)，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域增加過(guò)程處于顯著性較強(qiáng)的情況，平均晶粒尺寸的波動(dòng)性相對(duì)較大。其中，在變形溫度從1050℃增加到1100℃時(shí)，完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域的顯著性更強(qiáng)，超過(guò)該范圍后，其顯著變化情況的波動(dòng)范圍相對(duì)較小。

2.4 等效應(yīng)變分析

2.4.1 溫度影響

在具體的模擬實(shí)驗(yàn)中，對(duì)不同溫度情況下，結(jié)構(gòu)等效應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。具體得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)獲取到的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：當(dāng)高徑比為1.25時(shí)，此時(shí)，在不同溫度情況下，結(jié)構(gòu)等效應(yīng)變力會(huì)處于先增加后減小的趨勢(shì)。造成此類(lèi)情況出現(xiàn)的原因在于，渦輪盤(pán)靠近上下表面會(huì)和模具處于直接連接的狀態(tài)，整體處于較難變形的區(qū)域，在此情況下的等效應(yīng)變相對(duì)較小。而渦輪盤(pán)的中心位置處于位移0.6mm左右的位置，在該位置金屬也會(huì)向著四周進(jìn)行流動(dòng)，并且會(huì)充填整個(gè)渦輪直榫所對(duì)應(yīng)的上下角隅等部位，該區(qū)域?qū)儆谝鬃冃螀^(qū)，即該此處產(chǎn)生的等效應(yīng)會(huì)處于較大的狀態(tài)。而且在路徑上等效應(yīng)變也會(huì)隨著位移的不斷增大，并處于先增大隨后再減小的狀態(tài)。

表2 不同溫度下結(jié)構(gòu)等效應(yīng)變數(shù)據(jù)

2.4.2 高徑比影響

在具體的模擬實(shí)驗(yàn)中，也需要對(duì)不同高徑比情況下，結(jié)構(gòu)等效應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。具體得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：當(dāng)溫度為1100℃時(shí)，此時(shí)，在不同高徑比情況下，結(jié)構(gòu)等效應(yīng)變力會(huì)處于先增加后減小的趨勢(shì)。造成此類(lèi)情況出現(xiàn)的原因在于，高徑比越大，所對(duì)應(yīng)的變形程度也越大，而整個(gè)結(jié)構(gòu)的難變形區(qū)會(huì)集中在路徑的起點(diǎn)和終點(diǎn)，而易變形區(qū)會(huì)集中在中點(diǎn)的位置，而且該位置屬于變形較為劇烈的區(qū)域，整體變形程度相對(duì)較高，并且在高徑比持續(xù)增加的情況下，變形的不均勻度也會(huì)不斷增加。

表3 1100℃下不同高徑比情況下結(jié)構(gòu)等效應(yīng)變數(shù)據(jù)

2.4.3 壓下量

除上述提到的分析內(nèi)容外，還需要分析不同壓下量狀態(tài)下，等效應(yīng)變的波動(dòng)情況。根據(jù)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得知，在不同壓下量情況下，結(jié)構(gòu)等效應(yīng)變力會(huì)處于先增加后減小的趨勢(shì)。雖然其變化趨勢(shì)基本一致，但是其變化程度卻處于不同的狀態(tài)，在壓下量數(shù)值為50%時(shí)，其整體的等效應(yīng)變數(shù)值相對(duì)較小。而且此情況下，其對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)變也會(huì)不斷增加，在壓下量數(shù)值達(dá)到100%時(shí)，那么，在此情況下，相應(yīng)位置的等效應(yīng)變也會(huì)達(dá)到最大數(shù)值。原因在于，在壓下量為50%的階段，結(jié)構(gòu)整體的形變量相對(duì)較小，因此所對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)變也相對(duì)較小。在壓下量不斷增加的情況下，渦輪盤(pán)的變形量也不斷增大，所對(duì)應(yīng)的變形不均勻度也不斷增大，在此情況下，金屬也會(huì)出現(xiàn)大塑性形變，帶來(lái)較大的等效應(yīng)變。

2.5 模型驗(yàn)證分析

基于上述數(shù)值模擬分析得到的數(shù)據(jù)可以得知，變形工藝參數(shù)將對(duì)渦輪盤(pán)鍛造質(zhì)量帶來(lái)較為直接的影響。在具體的分析中可以使用應(yīng)變量、應(yīng)變速率、變形溫度等參數(shù)來(lái)分析晶粒尺寸、應(yīng)變效果等內(nèi)容，從而表明了進(jìn)行模型建立的意義。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所建立模型的精準(zhǔn)度，在具體的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，也會(huì)對(duì)不同變形工藝條件下的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證分析，包括動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域波動(dòng)、應(yīng)變波動(dòng)情況、晶粒尺寸均值等。隨后會(huì)將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為提高所得分析結(jié)果的直觀性和準(zhǔn)確性，也會(huì)利用關(guān)系式來(lái)搭建相應(yīng)的本構(gòu)模型，過(guò)程中也需要綜合考慮具體應(yīng)變量、變形溫度以及應(yīng)變速率對(duì)于材料微觀組織演化的影響。最后，根據(jù)所得數(shù)據(jù)可以得知，所建立模型對(duì)應(yīng)的最大誤差值為5.6%，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各個(gè)帶都會(huì)均勻分布在回歸線附近，表明所建立模型計(jì)算值會(huì)和實(shí)驗(yàn)值之間保持良好的契合度。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，在渦輪盤(pán)鍛造過(guò)程中，如果整個(gè)過(guò)程的溫度處于1000～1150℃，此狀態(tài)下完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分布區(qū)域也處于不斷增加的情況，但是，在1100～1150℃的區(qū)間內(nèi)，其完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域的分布無(wú)明顯差異，因此生產(chǎn)時(shí)應(yīng)將溫度控制在1100℃，保證生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)，減少資源損耗量。