FGH96粉末高溫合金渦輪盤淬火過程界面換熱系數的研究

張家鋒, 鄒金文, 康進武, 柳百成

(1.清華大學 機械工程系,北京 100084;2.北京航空材料研究院,北京 100095）

FGH96粉末高溫合金渦輪盤淬火過程界面換熱系數的研究

張家鋒1, 鄒金文2, 康進武1, 柳百成1

(1.清華大學 機械工程系,北京 100084;2.北京航空材料研究院,北京 100095）

以試驗方法研究了FGH 96粉末高溫合金渦輪盤在空冷、風冷和油淬等條件下的表面換熱行為,進而反算求解得到了界面換熱系數,并將其應用到實際盤件熱處理過程的數值模擬當中。結果表明,油淬條件下的界面換熱系數遠大于其他兩種冷卻方式,其最大值約為空冷換熱系數最大值的 10倍。現有工藝適合文中渦輪盤的熱處理,淬火應力低于材料對應溫度的屈服強度。

粉末高溫合金渦輪盤;熱處理;界面換熱系數;數值模擬

渦輪盤是航空發動機中最為重要的部件之一,在其熱處理過程中,為了達到較高的強度和硬度、得到細小的析出相晶粒組織,必須保證較高的冷卻速度;然而過快的冷卻速度又會給零件帶來較大的應力和變形,可能形成開裂、變形翹曲、高的殘余應力或組織性能不均勻等問題[1,2],造成零件報廢或者影響后續加工和使用,嚴重的情況下更會釀成災難性后果。這一矛盾性要求使得渦輪盤熱處理過程中冷卻速度的確定尤為重要。

通過計算機模擬手段,可以對零件制造過程中在各種冷速條件下產生的應力及其演變進行模擬和預測,并分析相關工藝參數對其影響,從而指導實際生產,優化工藝。相比較于傳統的試錯法,數值模擬方法的引進,將會大大縮短工期,降低成本[3]。

本研究以試驗為手段,研究了 FGH96粉末高溫合金渦輪盤在空冷、風冷和油淬等條件下的表面換熱行為,進而反算求解得到了界面換熱系數,并將其應用到實際盤件熱處理過程的數值模擬當中。

1 試驗方法

目前,對于工件在淬火過程中換熱機制的研究還并不成熟。雖然國內外有部分學者做了較多的工作[4～8],但工件在介質中換熱系數的獲取仍然只能依靠試驗來確定。對于每一種新材料而言,要想獲得較為準確的換熱數據,合理的試驗是必不可少的。

1.1 特征面分析

圖1給出了某渦輪盤盤坯的截面形貌。對于盤坯的各表面,可以按照在油淬條件下,表面氣泡上浮所受到的阻礙情況進行分類。從圖中可以看到,盤坯主要有五類特征面,依次為上表面、下表面、側立面、朝上斜側面和朝下斜側面。

圖1 渦輪盤盤坯外形及其主要特征面Fig.1 Section of a disk and its characteristic surfaces

氣泡上浮所受到的阻礙情況在一定程度上決定了盤坯對應表面換熱系數的大小。氣泡無阻礙上浮,盤坯表面能及時與介質充分接觸,換熱系數大;如果氣泡緊貼表面而不能馬上上浮,則會將盤坯表面與介質隔絕開來,極大的降低換熱效率。因此,盤坯上表面的換熱系數將大于下表面換熱系數;側立面的氣泡也是自由上浮,且往往由于攪拌的存在,氣泡并不阻礙盤坯表面與介質的接觸。一些研究工作也表明[4,5],相同條件下側立面的換熱系數和上表面非常接近,在實際計算中可以認為二者一致。

在差分算法中,任何復雜的實體都會被離散成一個個小的長方體單元。依據上述分類方法,每個長方體單元只有上表面、下表面和側立面三種特征面。因此,渦輪盤盤坯的朝上斜側面和朝下斜側面在差分算法中可以看做是分別被等效為上表面、側立面的合成和下表面、側立面的合成。

綜合上述原因,盤坯的五種特征面可以被近似合并為兩類,即上表面和下表面。當盤坯在空氣中冷卻和在油中淬火時,上表面和下表面的換熱是研究的重點。值得說明的是,當盤坯處于風冷狀態時,風速被認為是最重要的因素,因此在本文中將用試驗來研究不同風速對應的上表面換熱系數。

1.2 試驗方案設計

為了研究盤件特征面的換熱特征,最好的方式是各特征面“分離”開來,即在每次試驗測試中僅存在一種特征面換熱。為此,我們取了一個直徑為 160mm、厚 37mm的 FGH96合金試驗盤,將其圓周面和其中一個底面用陶瓷纖維隔熱層包覆,最大限度阻隔在這兩個面的熱交換,近似達到單一特征面換熱的要求。在隔熱層外再罩以不銹鋼保護套,起到保護隔熱層的作用。

試驗盤設計和熱電偶置放的示意圖如圖 2所示。

試驗盤中置放了 8支 K型熱電偶,等距離分布在以試驗盤中心軸線為中心的直徑為 40mm的圓周上。在每支熱電偶的置放位置,都從試驗盤的非換熱底面打入盲孔,用以裝置熱電偶并精確定位其測溫位置。TA-1,TB-1,TC-1和 TD-1所測量記錄的冷卻曲線用來求解換熱界面的傳熱系數,它們測量點離換熱界面的距離依次是 1mm,6mm,11mm和16mm。同時為了應對上述四支熱電偶在試驗中部分甚至全部斷掉的情況,試驗設計中加入了另外四支熱電偶 TA-2,TB-2,TC-2和 TD-2,他們的測溫深度和前四支熱電偶對應一致。

圖2 試驗盤設計和熱電偶置放示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermocouples layout in the sample disk

試驗過程中,當換熱面朝上放置,則所測量的換熱系數即為特征面“上表面”的換熱系數;反之為“下表面”的換熱系數。

2 試驗結果和討論

通過傳熱反問題的求解[9],可以從試驗測量得到的溫度數據得到各種冷卻方式下各特征面的換熱系數,如圖 3所示。

圖3 各種條件下盤件表面的換熱系數Fig.3 Heat transfer coefficients under severalexperiment conditions (a）static air cooling;(b）oil quenching;(c）forced air cooling

從圖中可以看到,空冷條件下,上、下表面的換熱系數都比較小,但上表面稍大于下表面,可以理解為下表面的熱空氣上浮受到盤件阻礙,進而反過來影響盤件和空氣的換熱。油淬條件下,上、下表面的換熱系數都比較大,且上表面遠大于下表面,這也是和預期一致的。工件和淬火油之間的熱交換非常強烈,但換熱系數的最大值卻并不是出現在工件表面溫度最高的時候。在風冷狀態下,風速是影響換熱系數最重要的因素,10.8m/s風速下的換熱系數要大于 10m/s的情況。

進一步比較盤件在三種條件下的表面換熱系數,可以看到,在油淬條件下,盤件表面的換熱系數遠大于其他兩種冷卻方式,油淬條件的換熱系數的最大值大約為空冷時最大值的 10倍。快的冷卻速度將獲得強度和硬度等性能,所以油淬是目前盤件熱處理最重要也是最通用的淬火手段;但是油淬所帶來的應力過高、淬火裂紋等問題,也是在盤件制造過程中所需要避免的,因此采用多種冷卻方式相結合的復合型淬火工藝得到了廣泛的應用。圖 4是現在比較常見的熱處理流程。

圖4 常見的渦輪盤熱處理流程Fig.4 Technological process of heat-treatment

3 實際盤件熱處理過程的數值模擬

試驗測量并反算求解得到的換熱系數,被應用到某實際渦輪盤盤坯熱處理過程的數值模擬中。該盤件也是 FGH96粉末高溫合金渦輪盤,采用圖 4的熱處理流程。圖 5是該盤坯截面形狀及簡單尺寸。

從盤件中選出了代表上表面、芯部和下表面的 a,b,c三點,圖 6給出了這三點的溫度和周向應力(其他方向應力變化規律和周向應力類似,但數值較周向應力小）隨著時間的變化曲線。從圖中可以看到,上表面的溫度下降最快,芯部最慢;開始階段表面為拉應力,芯部為壓應力,且隨著時間推移應力值不斷增大。在第 3分鐘芯部和表面點之間的溫度差距達到了最大,對應地這一時刻各點的應力也達到了各自的最大值。值得注意的是,從第 3分鐘開始,由于內外溫差的減小,各點應力值也在減小,最后保持在200MPa以內,即為盤件的殘余應力。

整個過程中,盤件的最大周向應力為 780MPa,等效應力為 1200MPa,小于對應溫度下的屈服應力,故正常情況下不會出現淬火裂紋;殘余應力也比較小,對后續加工不會有太大影響。

4 結論

(1）以試驗方法研究了 FGH96粉末高溫合金渦輪盤在空冷、風冷和油淬等條件下的表面換熱行為,進而反算求解得到了界面換熱系數;

(2）空冷和油淬條件下,上表面的換熱系數大于下表面;在風冷狀態下,高的風速獲得大的表面換熱系數。油淬條件下盤件表面的換熱系數遠大于其他兩種冷卻方式,油淬條件的換熱系數的最大值大約為空冷時最大值的 10倍。

(3）試驗測量并反算求解得到的換熱系數被應用到某實際渦輪盤盤坯熱處理過程的數值模擬中。現有工藝正常情況下不會出現淬火裂紋,殘余應力也比較小。

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[2]鄒金文,汪武祥.粉末高溫合金研究進展與發展[J].航空材料學報,2006,26(3）:244-250.

[3]柳百成,荊濤.鑄造工程的模擬仿真與質量控制[M].北京:機械工業出版社,2001.1.

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Study on Surface Heat Transfer Coefficients of FGH96 P/M Superalloy Disk during Heat-Treatment Process

ZHANG Jia-feng1,ZOU Jin-wen2,KANG Jin-wu1,LIU Bai-cheng1
(1.Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China）

Heatextraction behaviors of a FGH 96P/M superalloy disk under static air cooling,forced air cooling and oil quenching conditions were studied by experiments and the surfaceheat transfer coefficientswere obtained by solving the inverse thermal p rob lems.Numerical simulation of the heat-treatment process of a real disk was then carried out.The results showed that the heat extraction rates of oil quenching weremuch higher than those in the other two conditions,and the peak value was almost 10 times of that in the static air cooling.The heat-treatment processwas appropriate as the stress generated in the quenching processwas lower than the yield strength of the disk material.

P/M superalloy disk;heat-treatment;surface heat transfer coefficients;numerical simulation

10.3969/j.issn.1005-5053.2010.1.005

TG

A

1005-5053(2010）01-0026-04

2008-10-10;

2009-04-20

張家鋒 (1980—）,男,博士研究生,(E-mail）zhangjiafeng03@mails.tsinghua.edu.cn。