大型复杂结构件锻造成形中的缺陷及对策

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1、重、大型锻压设备和技术研讨会387大型复杂结构件锻造成形中的缺陷及对策张海燕1张士宏1李臻熙2张旺峰21．中国科学院金属研究所沈阳1100162．北京航空材料研究院北京100095摘要：航空发动机的一些重要结构件具有尺寸大、形状复杂等特点，因此，在实际生产中常存在组织分布不均匀，流线分布不合理以及折叠等缺陷。本文运用自行开发的GH4169合金微观组织预测系统，对某外径为500mm涡轮盘模锻工艺中的组织演变规律进行了数值模拟，得到了粗晶和混晶组织产生的原因和解决途径；采用有限元研究分析了某1℃11钛合金外径为500

2、mm压气机盘模锻过程中产生折叠的原因，确立了更加合理的成形工艺。关键词：锻造缺陷组织模拟数值分析中图分类号：TG316．30引言涡轮盘和压气机盘是航空发动机的关键部件，具有尺寸大、形状复杂等特点。因此，在涡轮盘和压气机盘的实际锻造中总存在不同程度的组织不均匀性和折叠等缺陷，进而影响锻件的使用性能⋯。同时由于GH4169合金锻件的热处理制度为低温固溶处理，固溶温度低于该合金的静态再结晶温度，因此，该合金锻件的晶粒尺寸不能通过热处理细化，主要通过锻造工艺来控制{2j。本文将自行开发的GH4169合金微观组织预测系统与

3、MSC．Superfonn有限元软件相结合，对某外径为500nHn涡轮盘模锻工艺中的组织演变规律进行了数值模拟分析；同时运用商业有限元软件Defo啪研究分析了某外径为500rIlfn的TCll钛合金压气机盘模锻工艺中产生折叠的原因。1模拟条件1．1本构方程GH4169合金为沉淀强化的变形镍基高温合金，其变形性能对工艺参数很敏感，且涡轮盘的锻造过程属于大变形问题，因此，本文采用了Kumar模型描述合金的本构关系。将合金热模拟压缩实验数据进行回归，得到的GH4169合金的Kumar本构方程为(公式(1))：手：9．5

4、4036×10-9『sinh(o．00494×仃)13Ⅳ596expf一』望!!壁堕1(1)。4‘＼8．314×7’／、7TCll钛合金为(a+p)两相钛合金，本构关系十分复杂，目前没有较合适的方程能描述该合金的本构关系。因此，本文将TCll钛合金的热模拟压缩实验数据直接输入有限元软件中。1．2GH4169合金微观组织预测系统GH4169合金锻造过程中的主要组织演变机制为动态再结晶和晶粒长大【3'4l。在合金的热变形许可温度温度内，6相为主要强化相。相关文献【5。6】报道，在变形过程中6相有钉轧晶界的作用，能有效

5、抑止晶粒长大获得细晶锻件。因此，考虑6相对该合金锻造过程中组织演变的影响将更接近于实际。图l为本文自行开发的GH4169合金微观组织预测系统的计算流程图。其中1038℃为6相的固溶温度，并认为再结晶分数大于95％为完全再结晶，以后晶粒长大。各单元在单位时间步长内的晶粒尺寸采用平均晶粒尺寸d表征(幽和‰分别为初始晶粒尺寸和再结晶晶粒尺寸，‰为再结晶百分数)。1．3几何模型由于涡轮盘和压气机盘都为轴对称件，因此，本文采用轴对称热力耦合刚粘塑性有限元法分别对涡轮盘和压气机盘的模锻工艺进行数值分析。图2a和2b分别为GH

6、4169合金涡轮盘和TCll钛合金压气机盘模锻过程的有限元模型。其中上模为可动模，下模为不动模。2008年中目机械IⅨ{会年e％日市省学术4会i女由于台金在实际锻造中通常使用玻璃润滑剂为润滑材料。能够有效地降低成形过程中坯料与模具之间的摩擦作用。因此，模拟过程中采用剪切摩擦模型，摩擦因数取为O2；坯料与模具之间的换热系数为20000w，m2℃：坯料与环境之间的换热系数为20w，m2℃。：三篇：。雌{毒ml‰+}。n4§：叠垒化：!：尘”!T目IGH4】69台盘微观组织预月系统的”算流程囤2模拟结果和分析■—]L一

7、圈2有限R模型2．1GⅢ1础台金涡轮盘文献『71中分析了不同坯抖初始温度、模具温度和上模运动速度对涡轮盘成形过程中组织演变的影响，本文中将重点研究分析不同压下量对涡轮盘成形时组织演变的影响。图3为不同压下量时满轮盘内的等效应变分布场，其中坯料初始温度1000℃．模具温度900℃，上模运动速度06叫ds。图3a为上模下压量为73mm时(坯料刚充满型腔时)J涡轮盘内的等效应变分布场，圈3b为上模下压量为75mm时，涡轮盘内的等效应变分布场。由图3町知，在模锻过程中，锻件内的应变分布很不均匀．芯部1和辐板下过渡圆角2的

8、变形量较大；轮投顶部3、轮毂底部4、辐板上过渡圆角5以厦轮绦部位6为变形不易区(翻3a)，但随着压下量的略微增加，下易变形区略有减小，飞边部位7的变形量急剧增大(图3b)。图4为与图3相对应的涡轮盘内晶粒尺寸分布场，其中坯料的初始晶粒尺寸为32岫。由圈4a知，涡轮盘轮毂凸台内部l出现了混晶组织，轮毂项部2、轮毂底都3、辐板上过渡圆角4、轮缘外侧5以及芯部与模具接触上下表面