鎳基高溫合金微型渦輪盤熱塑性成形工藝

陳林俊，陳剛，朱強，王傳杰，張鵬

（哈爾濱工業大學（威海），山東 威海 264209）

近年來，隨著微電子等學科領域技術的迅速發展，各種飛行器迅速開始小型化趨勢[1—3]。微型渦輪盤是微型飛行器發動機的核心部件[4]，因此，研究如何提高微型渦輪盤的質量和性能，對于提高飛行器的可靠性和性能具有決定性影響[5—6]。

周健等[7]設計制造了微型齒輪模具，開發了微成形裝置，成功獲得了質量良好的鋁合金微型齒輪。王傳杰、郭斌等[8]針對微型發電機上應用的微型渦輪構件，設計整體式微型渦輪成形工藝方案，開展了純鎳和7075鋁合金微型渦輪模鍛成形實驗，實現了微型渦輪葉片剪切力學性能的測試與評價。日本的 Y.Saotome教授[9]利用自行研制的微型模具裝置成形出微型渦輪零件。韓國學者Kim和Sa[10—11]采用等通道擠壓工藝制備了鎂合金材料，再通過熱擠壓成形出質量較高的微型齒輪軸。

文中研究微型渦輪盤熱塑性成形工藝，但是渦輪盤零件熱塑性成形有相當大的難度。如果僅僅通過實驗的方法來確定最佳鍛造工藝，往往要浪費很多時間并且需要很大的成本[12—15]，文中通過數值模擬的方法研究微型渦輪盤熱塑性成形工藝。

圖1 渦輪盤結構Fig.1 Structure diagram of the turbine disk

圖2 模具結構Fig.2 Structure diagram of mould

圖3 模具運動示意圖Fig.3 Diagram of mould motion

圖4 行程-載荷曲線Fig.4 Stroke-load curve

1 熱力耦合有限元模型的建立

對鎳基高溫合金微型渦輪盤熱塑性成形工藝分析，利用Solidworks對微型渦輪盤進行結構設計見圖1，并進行強度校核，微型渦輪盤直徑為6 mm，盤的厚度為1.2 mm，盤上有12個直榫槽，榫槽寬為0.9 mm，榫槽深為0.6 mm。盤上內凹部分直徑為3.6 mm，內凹深度為0.12 mm。凸起部分直徑為2.4 mm，高度為0.12 mm。坯料和模具三維實體造型見圖 2，模具運動示意圖見圖 3。采用 Deform有限元數值模擬軟件進行數值模擬。為減少模擬運算時間，取坯料的1/12進行模擬。坯料材料是GH4698鎳基高溫合金，其本構方程是通過熱壓縮實驗所得到數據導入Deform軟件材料庫，模擬方案為坯料高徑比為0.5, 0.75, 1, 1.25,1.5，溫度為950, 1000, 1050, 1100, 1150 ℃。一共25組模擬，研究不同高徑比，不同溫度下微型渦輪盤的成形規律。

2 模擬結果分析與討論

2.1 微型渦輪盤成形過程分析

微型渦輪盤的鍛壓過程位移-載荷變化見圖4，可以看出渦輪盤的凸臺成形速度比渦輪直榫成形速度快，隨著上模行程的增加，圖4中載荷位移曲線出現拐點以及數個平臺。按照成形過程載荷的變化進行分類：① 隨著上模行程的增加，材料發生塑性變形，金屬向周圍空隙以及型腔流動，此時載荷隨位移變化緩慢；② 隨著變形的繼續，凸臺已經基本成形完成，渦輪開始成形直榫部分，金屬坯料的兩側與凹模型腔接觸，在摩擦作用以及金屬變形抗力等的影響下，載荷上升速度繼續增加，開始穩定的充填過程；③ 當坯料與凹模型腔壁接觸時，載荷上升速度逐漸增加，當開始充填渦輪直榫上下角隅時，金屬可流動區域減少，載荷進一步增大，當榫處金屬基本充填完畢后，此時自由表面迅速減小，載荷急劇增加，形成飛邊。

2.2 微型渦輪盤成形最大載荷分析

將模擬結果的數據導出進行整理，利用 Origin作出不同工藝條件下的成形最大載荷圖。不同條件的最大載荷曲線見圖5，可以看出在微型渦輪盤成形過程中所需要的最大載荷隨著溫度的升高逐漸降低，可見GH4698微型渦輪盤在整個成形過程中，最大載荷對溫度比較敏感，溫度升高可以有效減小成形載荷。溫度低時，隨著變形的增加，位錯發生塞積，加工硬化嚴重，載荷比較大，溫度增加時，促進動態回復和再結晶的發生，使載荷大幅降低。在相同溫度條件下，隨著高徑比的增加，最大載荷先減小后增加，高徑比為1左右達到最小；所以為了減少渦輪盤成形所需要的能量，應該適當增高溫度，使坯料高徑比在1左右。

圖5 不同條件的最大載荷曲線Fig.5 Maximum load curves of different conditions

圖6 圖5局部放大Fig.6 Local magnification of Fig.5

2.3 等效應力分析

2.3.1 溫度對等效應力的影響

為了研究溫度對鎳基高溫合金微型渦輪盤成形時等效應力的影響，在微型渦輪盤上取了一條路徑，路徑是渦輪盤的中心軸線，路徑見圖7。提取路徑上的數據導入Origin中作出對比圖，見圖8。可以很明顯看出，隨著溫度的升高，微型渦輪盤在路徑1上面的等效應力逐漸下降。這是由于當模鍛溫度升高時，微型渦輪盤中原子的運動加快，促進了鎳基高溫合金的動態回復，造成位錯密度下降，等效應力下降。在950 ℃時溫度比較低，加工硬化嚴重，變形不均勻程度比較高，當溫度升高時，促進回復再結晶的發生，此時材料的軟化作用明顯，由于溫度升高的影響，渦輪盤變形更加均勻，此時等效應力變化波動性減小，所以隨著溫度的升高，路徑1的等效應力曲線逐漸趨于平緩。

圖7 路徑示意圖Fig.7 Path diagram

圖8 高徑比為1時位移-等效應力曲線Fig.8 Displacement-equivalent stress curves with a height-diameter ratio of 1

2.3.2 高徑比對等效應力的影響

1050 ℃位移-等效應力等效應力曲線見圖 9，可知1050 ℃不同高徑比在路徑1上等效應力的變化，隨著路徑1位移的增加，等效應力先增加后減小，不同高徑比時等效應力有相似的變化規律，在位移達到0.8 mm左右，等效應力達到最大。從圖9中可知不同高徑比時，高徑比為0.5時等效應力最大，隨著高徑比的增加，等效應力最大值先減小后增大，當高徑比為1左右，等效應力最大值最小。

2.3.3 壓下量對等效應力的影響

不同溫度情況下在不同壓下量時所對應的的等效應力見圖10，可以很直觀地看出，溫度是1000 ℃不同壓下量時等效應力的變化趨勢，當壓下量是50%時，此時變形量不是很大，坯料只與上下模具接觸還沒有與凹模接觸，在鼓形區域的等效應力稍大，在凸臺部位等效應力較小，當壓下量達到75%時，等效應力變大。當壓下量達到95%，渦輪輪廓已經出現，此時開始成形直榫的上下角隅，等效應力明顯增大。

圖9 1050 ℃位移-等效應力等效應力曲線Fig.9 Displacement-equivalent stress curves at 1050 ℃

圖10 不同溫度不同壓下量時等效應力云圖Fig.10 Equivalent stress cloud diagram of different temperature and different pressure

2.4 等效應變分析

2.4.1 溫度對等效應變的影響

高徑比為1.25時，位移-等效應變曲線見圖11，可以看出，當高徑比為1.25時，溫度為950, 1000, 1050,1150 ℃等效應變都隨著位移的增加后減小。這是因為靠近上下表面都是直接與模具接觸，處于難變形區，所以此時等效應變比較小。渦輪盤的中心位置即路徑1的位移為0.6 mm左右時，此處金屬向四周流動充填渦輪直榫的上下角隅等部分，是易變形區，所以此處等效應變比較大，所以路徑1上等效應變隨位移的增大，先增加后減小。

2.4.2 高徑比對等效應變的影響

1050 ℃時不同高徑比的等效應變變化曲線見圖12，可以看出等效應變的變化趨勢是一樣的，都是隨著位移的增加，等效應變先增加后減小，但是高徑比越大，等效應變越大，這是因為高徑比越大，變形程度越大，難變形區依然集中在路徑1的起點和終點，易變形區在中點處左右，此處是變形劇烈區，變形程度比較大，隨著高徑比的增加，變形不均勻程度也在逐漸增加。

2.4.3 壓下量對等效應變的影響

不同壓下量時等效應變及應變曲線分別見圖 13和圖14。從圖14可以看出，在不同壓下量，隨著路徑1位移的增加等效應變先增加后減小，并且等效應變的變化趨勢相同但是變化程度不同，壓下量為50%時，整個路徑1上等效應變都比較小，壓下量逐漸增加時等效應變逐漸增加，壓下量達到100%時，整個過程在路徑1的相應位置等效應變達到最大。這是因為當壓下量為50%時，此時變形程度小，處在鐓粗階段，此時等效應變比較小，當壓下量增大時，變形程度增大，變形不均勻程度也增大，此時金屬發生大塑性變形，等效應變增大。從圖13也可以很明顯看出等效應變的變化，綜上所述可見，通過等效應變圖和數據曲線可以很好地總結金屬的變形規律。

圖11 高徑比1.25時位移-等效應變曲線Fig.11 Displacement-equivalent strain curves with a height-diameter ratio of 1.25

圖12 1050 ℃位移-等效應變曲線Fig.12 Displacement-equivalent strain curves at 1050 ℃

圖13 不同壓下量時等效應變Fig.13 Equivalent strain cloud diagram under different pressure

圖14 不同壓下量等效應變曲線Fig.14 Equivalent strain curves under different pressure

2.5 速度場分析

圖15 高徑比1.5時速度場曲線Fig.15 Velocity field curves with a height diameter ratio of 1.5

高徑比為1.5時，速度場曲線見圖15，可知隨著位移的增加，速度場也逐漸增加，增加到最大值為0.5 mm/s左右。當溫度為1100 ℃時，速度場始終最大，但是相差并不多，可見溫度對速度場的影響并不明顯。1050 ℃不同高徑比路徑1速度場的數據變化見圖 16，可以看出不同高徑比的速度場變化趨勢一樣，速度場的大小相差也不大，可見高徑比對速度場的影響并不敏感。

圖16 1050 ℃速度場曲線Fig.16 Velocity field curves at 1050 ℃

3 結論

利用有限元分析軟件 Deform-3D模擬 GH4698微型渦輪盤熱塑性成形過程變形行為，通過對微型渦輪盤的成形載荷最大值、等效應力場、等效應變場、速度場進行分析，從而對模鍛工藝進行優化，對實際工藝有重大指導意義。微型渦輪盤模鍛過程載荷最大值隨模鍛溫度升高而降低；隨著高徑比的增加，最大載荷值先減小后增加，高徑比為1左右達到最小。等效應力場、等效應變場和速度場可以總結微型渦輪盤的變形規律和金屬流動規律。

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