镍基高温合金涡轮盘成形工艺的数值模拟分析实践探究

潘馨哲

（长沙理工大学，湖南 长沙 410114）

在航空发动机高速发展的今天，航空涡轮盘作为航空发动机的重要热端部件，涡轮盘运行环境的苛刻性较强，将经过高温、高压、高转速等，这也对涡轮盘的各项性能提出了较高要求。在涡轮盘制作过程中，所使用到的材料主要以镍基高温合金为主，依据仿真技术提供的便利条件，对于涡轮盘成形工艺进行梳理，能够积累相应的应用经验，并为成形工艺参数优化提供可靠依据。镍基合金根据其耐高温，耐高压的优良性能作为优良的涡轮盘制造材料，本文以优化其制造工艺为目的，对其进行细致分析。

1 涡轮盘锻件尺寸形状及主要技术指标要求

根据以往应用经验可知，涡轮盘作为发动机核心部件，要求部件在应用中具有良好的工作性能。在对涡轮盘进行制作时，所制作的锻件最大外形尺寸为φ630mm×140mm，而用于制作涡轮盘的材料为镍基高温合金。总结以往应用经验，涡轮盘锻件在使用时的重要技术指标如下：（1）从锻件取样时选择纵向低倍试样，所选试样不能存在针孔、裂纹、偏析等缺陷；（2）从锻件试验件上切除试样进行晶粒度的测定，要求平均晶粒度在10级或更细的状态；（3）力学性能，涡轮盘锻件的力学性能指标如表1所示。

表1 涡轮盘锻件的力学性能指标

2 涡轮盘成形工艺的数值模拟实践要点

2.1 实验材料整理

在此次进行模拟仿真实验时，所选实验材料为镍基高温合金，该合金中的各组分质量分数如下：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为余量。在成形工艺的应用中多使用真空感应+真空自耗双真空冶炼工艺进行制作，在经过多段均匀化处理后，可进行试样的制备处理。同时在高温流动应力热模拟实验会选择在Gleeble-3800上进行，所使用到的试样尺寸类型为φ8mm×12mm。在具体实验过程中可以将试样以20℃/s的速率进行加热，加热温度最终数值为1200℃，维持该温度2min，随后会以5℃/s的速率进行降温，降温温度最终数值为1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃、900℃、800℃，每个阶梯温度维持2min，从而让试样内部温度处于均匀化状态，随后会按梯度速率分别测量其应力和应变值，从而统计相应的分析数据。

2.2 成形工艺建模

在零件性质上来看，涡轮盘属于一种短轴类零件。经过上述锻件处理后，可以得到φ311mm×79mm的涡轮盘，基于涡轮盘来建立毛坯与锻造模具的几何模型，同时对其参数进行装配，做好网格的划分工作，完成上述处理后会直接将其录入有限元分析软件中，对于涡轮盘材料进行定义。最后，还需要对锻造工艺的边界条件进行确定，内容包括温度条件、锻造速率、热摩擦因数等，从而将得到的数值分析模型提交给求解器进行处理，最终对整个热成形过程进行数值模拟分析。

2.3 模拟结果整理

2.3.1 变形量影响

在具体的模拟实验中，需要对不同变形量情况下，对于晶粒尺寸的最小值、最大值、平均值进行统计。根据获取的相关数据可以得出以下结论：（1）在变形量处于不断增加的状态时，晶粒尺寸的平均值则会处于不断减小的状态。而变形量数值达到50%时，此时，晶粒尺寸细化便会出现转折，该情况下的晶粒也会处于急速细化的状态，而低于该数值时的晶粒细化程度处于不明显的状态。（2）不同结构变形量存在一定差异，其对应的晶粒尺寸分布情况也存在一定差异，根据得到的模拟分析结果可以得出以下结论：①轮芯部位的变形量增加的情况下，晶粒尺寸会先处于减小的状态，随后其尺寸会处于增大的状态，最后到达某数值后会处于不变的情况。②辐板和轮毂中心部位的变形量增加的情况下，晶粒尺寸会先处于先减小后增大，最后到达某数值后会处于不变的状态。不同点在于，两类结构出现的结晶的时间要晚于轮芯部位，并且会处于动态平衡的情况。③轮毂上下与模具接触的表面，晶粒尺寸会先处于持续减小的状态，但是其晶粒尺寸细化程度会小于其他部位。

2.3.2 变形速率影响

在具体的模拟实验中，也需要对不同变形速率情况下，平均晶粒尺寸的分布情况进行统计。根据获取的相关数据可以得出以下结论：在变形速率处于不断增加的状态时，平均晶粒尺寸的分布状态则会处于不断增加的状态。并且在此次模拟实验活动中，变形速率为0.1mm/s、1.0mm/s、10mm/s、20mm/s，当模拟实验过程中的变形速率从0.1mm/s增加到1.0mm/s时，此时，完全动态再结晶的区域增加过程的显著性较强；在变形速率从1.0mm/s增加到10mm/s时，此时，完全动态再结晶的区域增加过程显著性逐渐变缓；在变形速率从10mm/s增加到20mm/s时，此时，完全动态再结晶的区域增加过程显著性不再变化。而且在变形速率不断增加的情况下，晶粒尺寸也会逐渐降低，并且其在涡轮盘上的分布差异性也会不断减小，由此可见，在整个锻造活动中所选锻造速率需要超过1.0mm/s，从而对晶粒尺寸进行顺利细化。

2.3.3 变形温度影响

在具体的模拟实验中，也需要对不同变形温度情况下，动态再结晶情况和平均晶粒尺寸分布情况进行统计。根据获取的相关数据可以得出以下结论：在变形温度处于不断增加的状态时，平均晶粒尺寸的分布状态和动态再结晶情况会处于不断增加的状态。在此次模拟实验活动中，变形温度为1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃、900℃、800℃，当模拟实验过程中的变形温度从800℃增加到1000℃时，此时，完全动态再结晶区域增加过程处于显著性不明显的情况，平均晶粒尺寸的波动性相对较小；在变形温度从1000℃增加到1150℃时，此时，完全动态再结晶区域增加过程处于显著性较强的情况，平均晶粒尺寸的波动性相对较大。其中，在变形温度从1050℃增加到1100℃时，完全动态再结晶区域的显著性更强，超过该范围后，其显著变化情况的波动范围相对较小。

2.4 等效应变分析

2.4.1 温度影响

在具体的模拟实验中，对不同温度情况下，结构等效应变数据进行统计。具体得到的统计数据如表2所示。根据获取到的相关数据可以得出以下结论：当高径比为1.25时，此时，在不同温度情况下，结构等效应变力会处于先增加后减小的趋势。造成此类情况出现的原因在于，涡轮盘靠近上下表面会和模具处于直接连接的状态，整体处于较难变形的区域，在此情况下的等效应变相对较小。而涡轮盘的中心位置处于位移0.6mm左右的位置，在该位置金属也会向着四周进行流动，并且会充填整个涡轮直榫所对应的上下角隅等部位，该区域属于易变形区，即该此处产生的等效应会处于较大的状态。而且在路径上等效应变也会随着位移的不断增大，并处于先增大随后再减小的状态。

表2 不同温度下结构等效应变数据

2.4.2 高径比影响

在具体的模拟实验中，也需要对不同高径比情况下，结构等效应变数据进行统计。具体得到的统计数据如表3所示。根据获取的相关数据可以得出以下结论：当温度为1100℃时，此时，在不同高径比情况下，结构等效应变力会处于先增加后减小的趋势。造成此类情况出现的原因在于，高径比越大，所对应的变形程度也越大，而整个结构的难变形区会集中在路径的起点和终点，而易变形区会集中在中点的位置，而且该位置属于变形较为剧烈的区域，整体变形程度相对较高，并且在高径比持续增加的情况下，变形的不均匀度也会不断增加。

表3 1100℃下不同高径比情况下结构等效应变数据

2.4.3 压下量

除上述提到的分析内容外，还需要分析不同压下量状态下，等效应变的波动情况。根据获取的相关数据可以得知，在不同压下量情况下，结构等效应变力会处于先增加后减小的趋势。虽然其变化趋势基本一致，但是其变化程度却处于不同的状态，在压下量数值为50%时，其整体的等效应变数值相对较小。而且此情况下，其对应的等效应变也会不断增加，在压下量数值达到100%时，那么，在此情况下，相应位置的等效应变也会达到最大数值。原因在于，在压下量为50%的阶段，结构整体的形变量相对较小，因此所对应的等效应变也相对较小。在压下量不断增加的情况下，涡轮盘的变形量也不断增大，所对应的变形不均匀度也不断增大，在此情况下，金属也会出现大塑性形变，带来较大的等效应变。

2.5 模型验证分析

基于上述数值模拟分析得到的数据可以得知，变形工艺参数将对涡轮盘锻造质量带来较为直接的影响。在具体的分析中可以使用应变量、应变速率、变形温度等参数来分析晶粒尺寸、应变效果等内容，从而表明了进行模型建立的意义。为了进一步验证所建立模型的精准度，在具体的实验活动中，也会对不同变形工艺条件下的相关参数进行验证分析，包括动态再结晶区域波动、应变波动情况、晶粒尺寸均值等。随后会将模拟结果和实验结果进行对比分析，为提高所得分析结果的直观性和准确性，也会利用关系式来搭建相应的本构模型，过程中也需要综合考虑具体应变量、变形温度以及应变速率对于材料微观组织演化的影响。最后，根据所得数据可以得知，所建立模型对应的最大误差值为5.6%，而且实验过程中的各个带都会均匀分布在回归线附近，表明所建立模型计算值会和实验值之间保持良好的契合度。

3 结语

综上所述，根据实验结果可以得知，在涡轮盘锻造过程中，如果整个过程的温度处于1000～1150℃，此状态下完全动态再结晶分布区域也处于不断增加的情况，但是，在1100～1150℃的区间内，其完全动态再结晶区域的分布无明显差异，因此生产时应将温度控制在1100℃，保证生产质量的同时，减少资源损耗量。