CN109255175B - 一种基于临界再结晶残余应力的再结晶控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于临界再结晶残余应力的再结晶控制方法，通过试验的方式建立一种基于临界再结晶应力控制再结晶的模型，根据该模型结合定向凝固的数值模拟工艺，实现对再结晶缺陷的预测，从而达抑制与消除再结晶现象的目的。本发明能够实现在初始设计过程中，避免由于结构的不合理设计引起的局部应力集中，导致单晶铸件在后期的热处理中出现再结晶的现象，该技术从由结构的不合理设计引起再结晶缺陷的源头出发，从根本上解决了由于细节结构的不完善引起的再结晶，为叶片设计工作者提供一种系统解。

Description

一种基于临界再结晶残余应力的再结晶控制方法
技术领域
本发明涉及熔模铸件再结晶领域，尤其是一种残余应力的再结晶控制方法。
背景技术
镍基单晶高温合金空心涡轮叶片作为先进航空发动机中的关键热端部件，被誉为“工业之花”。由于其为净成形零件，主要通过熔模铸造的方式进行生产。然而在生产过程中存在着严重再结晶现象。
为了控制与消除再结晶缺陷，文献“申请公布号是CN103451736A中国发明专利”提出通过分级回复退火工艺对单晶高温合金铸件进行预出来，以降低在后续热处理过程中发生再结晶缺陷。文献“申请公布号是CN104550731A中国发明专利”提出通过在定位铂丝露出部分(尾部)加球形蜡件，避免单晶凝固过程中铂丝露出部分形成局部残余应力，从而降低再结晶的倾向。这些方法均是针对再结晶已存在后进行的消除或抑制措施，缺乏为叶片设计工作者提供一种系统解决在设计前期的如何选取合适的几何结构，达到预防与降低再结晶倾向的方法。因此，需要研发一种针对叶片设计中适用，将再结晶缺陷通过数值模拟的方式在设计阶段实现再结晶缺陷的抑制与消除。
发明内容
为了克服现有技术的不足，根据单晶叶片铸造过程的真实情况，通过试验的方式建立一种基于临界再结晶应力控制再结晶的模型，根据该模型结合定向凝固的数值模拟工艺，实现对再结晶缺陷的预测，从而达抑制与消除再结晶现象的目的。
为了解决缺乏叶片设计工作者提供一种系统解决在设计前期的如何选取合适的几何结构，达到预防与降低再结晶倾向的方法的问题。本发明提出了一种基于临界再结晶应力控制再结晶缺陷的模型，结合该模型通过数值模拟得到的应力值，可以预测该区域是否出现再结晶。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体包括以下步骤：
步骤一：利用X衍射法对铸造试棒进行晶向检查，沿着晶粒取向应用线切割，将试棒按照Gleeble压缩试样标准，切割成高度和直径之比为1.5的圆柱，通过热拉伸试验构建不同温度及变形速率下的流变应力-应变曲线，试验中根据高温合金工作温度特征以及变形的特征，在850℃～1200℃温度区间及0.0003S-1～1S-1应变速率区间，建立2因素n水平的正交试验，即在850℃～1200℃温度区间任意取n个温度值，在0.0003S-1～1S-1应变速率区间任意取n个应变速率，根据全尺度的正交试验设计表，通过热压缩试验机建立流变应力-应变曲线；
步骤二：根据步骤1中的实验得到的流变应力-应变曲线计算峰值应力与变形温度及应变速率之间的关系如下：
Figure BDA0001784751990000021
式中σp——峰值应力；R——气体常数；T——材料的变形温度；
Figure BDA0001784751990000022
——材料变形的应变速率；Z——温度补偿应变速率因子；
步骤三：根据步骤1得到的流变应力-应变曲线，结合方程(2)计算硬化率：
Figure BDA0001784751990000023
式中θi——材料发生变形的硬化率；σi——压缩过程中对应的应力；εi——压缩过程中的变形量；
步骤四：根据步骤三中得到的硬化率，绘制硬化率与应力之间的关系曲线，当
Figure BDA0001784751990000024
时，计算硬化率与应力曲线的拐点，该拐点对应的应力值，即为再结晶开始发生的临界应力值，在该应力条件下，拉伸曲线开始发生动态的再结晶；
步骤五：确定该模型应用的应变速率为一恒定值，即
Figure BDA0001784751990000025
步骤六：根据步骤五中确定的应变速率
Figure BDA0001784751990000026
结合步骤三中得到的临界应力以及步骤二中得到的峰值应力，建立再结晶临界应力与峰值应力的关系：
σp＝0.9479σc+83.8544 (3)
式中σc——再结晶临界应力；
步骤七：基于临界应力与峰值应力关系结合峰值应力与变形速率及温度之间的关系模型，将公式(3)代入公式(1)中，建立再结晶临界应力与温度关系模型，选择模型适用的温度区间为(1000-1200℃)：
Figure BDA0001784751990000031
步骤八：应用临界应力与温度关系模型结合数值模拟，对定向凝固过程中的由于几何细节结构设计不合理，引起的局部应力集中带来的再结晶问题进行预测，具体预测方法是通过数值模拟的方式，依次选择m个不同的倒圆角半径，根据倒圆角半径尺寸建立叶片的CAE分析模型，根据CAE分析模型得到的应力云图，分析倒圆角半径改变后该区域的应力场分布，取应力场中的最大值作为该结构引起的应力水平值，将不同尺寸变化后的应力水平值进行线性回归分析，建立尺寸结构与应力水平之间的回归方程，根据建立的回归方程，配合公式(4)再结晶临界应力约束条件，通过修改倒圆角的半径尺寸实现对应力的调控，完成对倒圆角结构的优化过程。
本发明的有益效果是通过试验的方式建立一种基于临界再结晶应力控制再结晶的模型，根据该模型结合定向凝固的数值模拟工艺，实现对再结晶缺陷的预测。结合该模型，能够实现在初始设计过程中，避免由于结构的不合理设计引起的局部应力集中，导致单晶铸件在后期的热处理中出现再结晶的现象，该技术从由结构的不合理设计引起再结晶缺陷的源头出发，从根本上解决了由于细节结构的不完善引起的再结晶，为叶片设计工作者提供一种系统解决在设计前期的如何选取合适的几何结构，达到预防与降低再结晶倾向的方法。
附图说明
图1是本发明所述方法的步骤流程图方法的流程图。
图2是流变应力和应变速率之间的关系图，其中图2(a)是在低应力水平下流变应力和应变速率之间的关系图；图2(b)是在高应力水平下流变应力和应变速率之间的关系图。
图3是
Figure BDA0001784751990000032
关系图
图4是ln[sinh(ασ)]-T-1关系图
图5是ln[sinh(ασ)]-lnZ关系图
图6是硬化率θ与应力σ关系图，其中图6(a)是850℃硬化率θ与应力σ关系图；图6(b)是980℃硬化率θ与应力σ关系图；图6(c)是1080℃硬化率θ与应力σ关系图；图6(d)是1180℃硬化率θ与应力σ关系图。
图7是相同温度下
Figure BDA0001784751990000041
与σ关系图，图7(a)850℃下
Figure BDA0001784751990000042
与σ关系图；图7(b)980℃下
Figure BDA0001784751990000043
与σ关系图；图7(c)1080℃下
Figure BDA0001784751990000044
与σ关系图；图7(d)1180℃下
Figure BDA0001784751990000045
与σ关系图。
图8是不同倒圆角半径下残余应力分布对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1-图8。本发明一种基于临界再结晶残余应力的再结晶控制方法具体步骤如下：
步骤一：利用X衍射法对铸造试棒进行晶向检查，沿着晶粒取向应用线切割，将试棒按照Gleeble压缩试样标准，切割成高度和直径之比为1.5的圆柱，本发明切割一个Φ6mm×9mm的圆柱，通过热拉伸试验构建不同温度及变形速率下的流变应力-应变曲线，试验中根据高温合金工作温度特征以及变形的特征，在850℃～1200℃温度区间及0.0003S-1～1S-1应变速率区间，建立2因素n水平的正交试验，即在850℃～1200℃温度区间任意取n个温度值，在0.0003S-1～1S-1应变速率区间任意取n个应变速率，本发明取温度的4个水平依次为850℃，980℃，1080℃以及1180℃，应变速率的4水平依次为0.0003S-1，0.001S-1，0.01S-1以及1S-1，根据全尺度的正交试验设计表，通过热压缩试验机建立流变应力-应变曲线；
步骤二：由于应变速率
Figure BDA0001784751990000046
与峰值应力σp在不同的应变速率下可以表达为
Figure BDA0001784751990000047
与
Figure BDA0001784751990000048
将不同温度条件压缩状态下的DD6单晶高温合金的峰值应力和应变速率的数据代入到两个表达式中，分别绘制出
Figure BDA0001784751990000049
关系图，进行线性回归处理。根据拟合的系数，求解各条直线斜率倒数的平均值(n1＝14.4422)。根据拟合结果，可以求出材料系数β的值，其大小为图中直线斜率倒数的平均值(β＝0.02527)。由此可求出公式α＝β/n1所需的α值的大小，即a＝β/n1＝0.0017497MPa-1。然后绘出
Figure BDA00017847519900000410
的关系图。根据绘制
Figure BDA00017847519900000411
关系曲线，由于其关系成线性，由此可以得到其斜率的倒数即应力指数n的取值，应力指数取各温度下应力指数的平均值，即n＝10.3025。
根据余下试验数据可拟合出ln[sinh(ασ)]-1000/T关系曲线。当应变速率不变时，峰值应力的ln[sinh(ασ)]与绝对温度的倒数1000/T之间成线性关系，对其进行一元线性回归处理，其中n值为各应变速率所对应直线斜率的倒数。由此可以表明DD6单晶合金高温塑性变形时的流变应力和变形温度之间满足
Figure BDA0001784751990000051
关系。
根据绘制ln[sinh(ασ)]-T-1曲线，通过线性回归拟合，其斜率值即为Q/1000nR，R＝8.314。由于在不同的变形温度和应变速率下各直线的斜率略有所不同，因此激活能的计算值也因变形条件的不同而有所区别。根据实验数据求得不同温度及应变速率下的Q值，其平均值为862.787KJ/mol。
采用各个变形条件下的Z参数，绘制ln[sinh(ασ)]-lnZ曲线。根据ln[sinh(ασ)]-lnZ关系曲线，DD6合金峰值应力双曲正弦的自然对数和Z参数的自然对数之间满足线性关系。因此说明DD6单晶合金的流变应力与变形条件满足双曲正弦函数关系，即ln[sinh(ασ)]＝0.07754lnZ-7.089。
因此可以求得：A＝5.0681×1039S-1与n＝12.899；结合该n值对α进行多次迭代，计算得到A，n，α：将求得的A＝1.9947×1038S-1、Q＝862.787KJ/mol、α＝0.0063Mpa-1以及n＝12.0599代入
Figure BDA0001784751990000052
中，可以得到峰值应力与变形温度及应变速率之间的关系。
Figure BDA0001784751990000053
式中σp——峰值应力；R——气体常数；T——材料的变形温度；
Figure BDA0001784751990000054
——材料变形的应变速率；Z——温度补偿应变速率因子；
步骤三：根据流变应力应变曲线，结合方程(2)计算硬化率与应力之间的关系。依据DD6单晶合金在应变速率0.001s-1，变形温度850℃、980℃、1080℃和1180℃的应力—应变曲线，根据
Figure BDA0001784751990000055
计算得到硬化率与应力的关系曲线。
Figure BDA0001784751990000056
式中θi——材料发生变形的硬化率；σi——压缩过程中对应的应力；εi——压缩过程中的变形量；
步骤四：根据步骤三中得到的硬化率，绘制硬化率与应力之间的关系曲线，当
Figure BDA0001784751990000061
时，计算硬化率与应力曲线的拐点，该拐点对应的应力值，即为再结晶开始发生的临界应力值，在该应力条件下，拉伸曲线开始发生动态的再结晶；
步骤五：由于铸件在设计过程中产生变形的变形速率可以忽略不计，再结合不同应变速率下(具体要包含高应变速率>1S-1，低应变速率<0.01S-1)的微观组织图片，可以得到在相同温度下，当应变速率低于0.001S-1相同热处理制度后再结晶区域的面积近似，即应变速率对再结晶的影响可以忽略，因此确定该模型应用的应变速率为一恒定值，即
Figure BDA0001784751990000062
步骤六：根据步骤五中确定的应变速率，结合峰值应力与发生再结晶的临界应力数据，建立再结晶临界应力与峰值应力的关系。
σp＝0.9479σc+83.8544 (3)
式中σc——再结晶临界应力。
步骤七：基于临界应力与峰值应力关系结合峰值应力与变形速率及温度之间的关系模型，将公式(3)代入公式(1)中，建立再结晶临界应力与温度关系模型，由于再结晶的发生一般在1000℃以上，因此选择模型适用的温度区间为(1000-1200℃)，建立再结晶临界应力与温度关系模型。
Figure BDA0001784751990000063
步骤八：应用临界应力与温度关系模型结合数值模拟，对定向凝固过程中的由于几何细节结构设计不合理，引起的局部应力集中带来的再结晶问题进行预测，具体预测方法是通过数值模拟的方式，依次选择m个不同的倒圆角半径，本发明取倒圆角半径分别为0.5mm，0.8mm，1.0mm，1.2mm和1.4mm，根据倒圆角半径尺寸建立叶片的CAE分析模型，根据CAE分析模型得到的应力云图，分析倒圆角半径改变后该区域的应力场分布，取应力场中的最大值作为该结构引起的应力水平值，将不同尺寸变化后的应力水平值进行线性回归分析，建立尺寸结构与应力水平之间的回归方程，根据建立的回归方程，配合公式(4)再结晶临界应力约束条件，通过修改倒圆角的半径尺寸实现对应力的调控，完成对倒圆角结构的优化过程。
应用临界应力与温度关系模型结合数值模拟，对定向凝固过程中由于榫头进气窗口由于圆角设计的不合理引起的局部应力集中，造成的再结晶问题，结合数值模拟的方式进行了优化分析，结果显示，当倒圆角为1.23mm与倒圆角为1.2mm时均在再结晶临界应力之下，由于倒圆角为1.2mm符合铸造圆角设计要求，因此确定倒圆角为1.2mm，结合实验结果，发现该区域再结晶现象得到消除，这表明基于该模型进行圆角的优化实现了对该区域的再结晶的控制。

Claims (1)

1.一种基于临界再结晶残余应力的再结晶控制方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：利用X衍射法对铸造试棒进行晶向检查，沿着晶粒取向应用线切割，将试棒按照Gleeble压缩试样标准，切割成高度和直径之比为1.5的圆柱，通过热拉伸试验构建不同温度及变形速率下的流变应力-应变曲线，试验中根据高温合金工作温度特征以及变形的特征，在850℃～1200℃温度区间及0.0003S-1～1S-1应变速率区间，建立2因素n水平的正交试验，即在850℃～1200℃温度区间任意取n个温度值，在0.0003S-1～1S-1应变速率区间任意取n个应变速率，根据全尺度的正交试验设计表，通过热压缩试验机建立流变应力-应变曲线；
步骤二：根据步骤一中的实验得到的流变应力-应变曲线计算峰值应力与变形温度及应变速率之间的关系如下：
Figure FDA0002778722490000011
式中σp——峰值应力；R——气体常数；T——材料的变形温度；
Figure FDA0002778722490000012
——材料变形的应变速率；Z——温度补偿应变速率因子；
步骤三：根据步骤一得到的流变应力-应变曲线，结合方程(2)计算硬化率：
Figure FDA0002778722490000013
式中θi——材料发生变形的硬化率；σi——压缩过程中对应的应力；εi——压缩过程中的变形量；
步骤四：根据步骤三中得到的硬化率，绘制硬化率与应力之间的关系曲线，当
Figure FDA0002778722490000014
时，计算硬化率与应力曲线的拐点，该拐点对应的应力值，即为再结晶开始发生的临界应力值，在该应力条件下，拉伸曲线开始发生动态的再结晶；
步骤五：确定模型应用的应变速率为一恒定值，即
Figure FDA0002778722490000015
步骤六：根据步骤五中确定的应变速率
Figure FDA0002778722490000016
结合步骤四中得到的临界应力以及步骤二中得到的峰值应力，建立再结晶临界应力与峰值应力的关系：
σp＝0.9479σc+83.8544 (3)
式中σc——再结晶临界应力；
步骤七：基于临界应力与峰值应力关系结合峰值应力与变形速率及温度之间的关系模型，将公式(3)代入公式(1)中，建立再结晶临界应力与温度关系模型，选择模型适用的温度区间为1000-1200℃：
Figure FDA0002778722490000021
步骤八：应用临界应力与温度关系模型结合数值模拟，对定向凝固过程中的由于几何细节结构设计不合理，引起的局部应力集中带来的再结晶问题进行预测，具体预测方法是通过数值模拟的方式，依次选择m个不同的倒圆角半径，根据倒圆角半径尺寸建立叶片的CAE分析模型，根据CAE分析模型得到的应力云图，分析倒圆角半径改变后区域的应力场分布，取应力场中的最大值作为该结构引起的应力水平值，将不同尺寸变化后的应力水平值进行线性回归分析，建立尺寸结构与应力水平之间的回归方程，根据建立的回归方程，配合公式(4)再结晶临界应力约束条件，通过修改倒圆角的半径尺寸实现对应力的调控，完成对倒圆角结构的优化过程。
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单晶再结晶临界应力与涡轮叶片结构设计参数间的映射模型;李世峰等;《南京航空航天大学学报》;20141231;第46卷(第6期);第909-914页 *
基于残余应力的单晶叶片榫头进气窗结构优化;邱飞等;《哈尔滨工程大学学报》;20170228;第38卷(第2期);第235-240页 *
镍基单晶叶片制造技术及再结晶研究进展;卜昆等;《航空制造技术》;20161125;第516卷(第21期);第34-40页 *

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