GH690合金大型环件空冷过程温度场演化规律数值模拟

梁胜龙，马 俊

(苏州工业职业技术学院，苏州 215104)

GH690合金大型环件空冷过程温度场演化规律数值模拟

梁胜龙，马 俊

(苏州工业职业技术学院，苏州 215104)

基于DEFORM-3D有限元平台，建立了Φ420/Φ280-380mm规格的GH690合金大型环件空冷过程的三维热弹性有限元模型，对难变形合金GH690大型环件空冷过程中温度场演化规律模拟仿真研究，对合理调整GH690合金大型环件冷却工艺，提高环件质量具有重要意义。

GH690合金；大型环件；空冷过程；宏观规律；数值模拟

0 引言

随着国防工业、军工科技和现在能源产业的的迅猛发展，大型化、高特性能化成为金属环件新发展趋向，对于难变形合金大型环件的需求日益迫切而广泛，对于高精度、高抗腐蚀性能的难变形GH690合金大型环件的需求日益迫切而广泛[3,4]，亟需研发和优化难变形合金大型环件先进塑性成形技术。

而成型的GH690合金大型环件从热塑性温度冷却至室温的过程中，经历了大的塑性变形和从高温到常温的变化，温度变化梯度大，内部应力分布复杂，极易产生质量缺陷。由于各种条件所限，很难通过实验方法测得温度场和应力场的分布情况以及变化规律。因此，采用有限元技术从理论上研究大型环件空冷过程的温度和应力分布规律及影响因素，对合理调整大型环件冷却工艺，提高环件质量具有重要意义。

因此，本文基于DEFORM-3D有限元模拟软件，建立了Φ420/Φ280-380mm规格的大型环件空冷过程的三维热弹性有限元模型，对难变形GH690合金大型环件空冷过程中宏观演化规律进行了模拟仿真研究。模拟分析了该规格GH690大型环件空冷过程中温度场、应力场的分布规律以及随时间的变化规律，对合理调整大型环件冷却工艺，提高环件质量具有重要意义。

1 FEM模型

1.1 数学假设

1) 假设挤压环件温度分布均匀，忽略环件与模具接触面的传热；

2) 忽略因挤压产生的材料各向异性，假设材料均匀且各向同性，材料不可压缩，体积保持不变；

3) 空冷过程属于静态变形，变形速率很小，采用热弹性模型。

1.2 几何模型

应用PROE软件进行实体建模过程中，由于挤压环件是回转体，因此，为提高计算速度和节省计算内存空间，采用环件1/12(30°)进行建模，几何模型如图1所示。

1.3 材料参数

GH690合金在含氯化物溶液和氢氧化钠溶液中具有优异的抗应力腐蚀开裂能力、低腐蚀速率和优异的应力腐蚀开裂抗力，广泛应用于硝酸和氢氟酸环境中、石油化工及燃烧炉，尤其在核工业中具有非常广泛的应用前景[5～8]，其材料参数如表1所示。

图1 大型环件几何模型

表1 GHl690合金材料热物理参数

1.4 初始条件和边界条件

塑性成形过程的传热过程是一个很复杂的热力学问题。初始条件是指坯料变形开始时的初始温度分布，一般表示为在控制体积V内：

式中T0（x，y，z）为初始状态时坯料的温度分布。GH690合金的深度塑性加工范围为1040 ℃～1260℃,环件挤出模具后，温度略有下降，因此设定环件温度分布均匀，初始温度为1000℃[7,8]。

边界条件是描述外部换热规律及其与内部导热之间的关系，是给定周围介质的温度变化规律和与物体表面间的热交换规律，包括对流边界和辐射边界。

物体与流体相接触时，热流密度qd与物体边界温度T与流体温度Tf之差成正比，可以表示为：

式中：hc为对流换热传导系数，0.02N/(S·mm·℃)；Tf为流体温度。

辐射换热遵循斯蒂芬-波尔滋曼（Stenfen-Boltzman）定律，由辐射产生的热流密度qr，可以表示为：

式中：η为材料表面的辐射系数，0.2N/(S·mm·℃)；φ 为斯蒂芬-波尔兹曼常数；Tc为环境温度。

2 结果与讨论

图2给出了GH690合金大型挤压管空冷过程中温度场在不同时刻的分布云图。可以看出，由于环件初始温度为1000℃，存在和周围环境的温度差（环境温度为20℃），所以环件热能量不断从环件内外表面流动到周围环境中，环件表层温度首先下降，特别是环件两端，由于得到心部热量补偿的能力较弱，温降最为严重；随着空冷的不断进行，环件整体温度不断下降。

环件的整个空冷过程中，坯料金属温度分布梯度基本相同，按温度可以分为高中低三部分：由于环件两端热量补偿能力最弱，温降最为严重，为低温区域；环件两端与心部过渡部分和内外表层金属可以不断获得心部金属的热量补偿，属于中温区；心部金属由于不直接和外部环境接触，温差较小，热量流失相对较慢，温度最高。

图2 不同时刻下环件的温度场分布云图

表2给出了不同时刻环件温度分布带的大小，可以看出，随着空冷过程的不断进行，最大温度和最小温度均不断下降，但其差值不断减小，这是因为随着空冷的不断进行，环件热量不断流失，温度整体温度不断下降，是的环件与周围环境的温差不断减小，表面与环境的热量流失速度变缓，而心部热量向四周金属的流动收到的影响较弱，因此环件整体温差不断减小。当空冷时间超过5000s后，整体环件温度均已将至250℃以下。

表2 GHl690合金材料热物理参数

3 结论

基于DEFORM-3D有限元模拟软件，建立了Φ420/Φ280-380mm规格的大型环件空冷过程的三维热弹性有限元模型，对难变形GH690合金大型环件空冷过程中温度场演化规律进行了模拟仿真研究。研究发现：

1) 整个空冷过程中，坯料金属温度分布梯度基本相同，环件两端温降最为严重，为低温区域；环件两端与心部过渡部分和内外表层金属可以不断获得心部金属的热量补偿，属于中温区；心部金属热量流失最慢，温度最高。

2) 随着空冷过程的不断进行，最大温度和最小温度均不断下降，但其差值不断减小，当空冷时间超过5000s后，整体环件温度均已将至250℃以下。

[1] Matsuno K. Recent research and development in metal forming in Japan. Journal of Materials Processing Technology[J].1997,66：1-3.

[2] 龚正春,孔繁革,郑隆滨,等.核电蒸汽发生器用Inconel690管试验研究[J].锅炉制造,1998(1)：52-60.

[3] 董毅,高志远.我国核电事业的发展与Inconel 690合金的研制[J].特钢技术,2004(3)：45-48.

[4] 刘静安,黄凯,谭炽东.铝合金挤压工模具技术[M].北京：冶金工业出版社,2009.

[5] “INCONEL Alloy 690” (Corrosion-Resistant High-Chromium Nickel Alloy),”Alloy Digest, Filing Code： Ni-266, Nickel Alloy, March 1981.

[6] 张红斌,李守军,胡尧和,等.国外关于蒸汽发生器传热管用Inconel 690合金研究现状[J].特钢技术.2003,4：2-11.

[7] 王怀柳.GH690合金热挤压工艺的研究[J].特钢技术.2008,14(2)：31-34.

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Numerical simulation of temperature evolution law of air-cooling process of GH690 alloy large-scale ring

LIANG Sheng-long, MA Jun

TG376.9

A

1009-0134(2014)05(下)-0076-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).21

2014-02-18

省级示范性高职院校建设项目（苏教高(2011)23号）；江苏省高校“青蓝工程”项目

梁胜龙（1963 -），男，江苏苏州人，副教授，本科，主要从事几何量测量、机械工程设计的教学和科研工作。