CN111767665A - 一种高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高温合金热加工领域，具体涉及一种高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法；本发明通过高通量双圆锥台试样的热模拟压缩试验提升了数据采集的准确性，并采用有限元模拟软件进行开发耦合；建立准确的晶粒演化模型；可有效预测合金锻造变形过程中的晶粒演化，避免了传统试制工艺无法准确量化晶粒尺寸的问题；设计的“M”和“W”形型腔模具可获得具有特定形状的坯体，有效增加预制坯料上下表面的变形量，同时增大后续终锻过程中不同部位的变形量，进一步细化晶粒；采用有限元模拟的手段预测盘件终锻成形后的晶粒尺寸，反复优化制坯模具型腔轮廓和尺寸，相比传统的批量试错法可大大节省成本、提高生产效率、保证产品质量。

Description

一种高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法
技术领域
本发明属于高温合金热加工领域，具体涉及一种高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法。
背景技术
高温合金盘锻件结构较为复杂，大体可以分为轮毂、辐板、盘缘等部位，不同部位的截面厚度存在显著差异，造成锻造成形时盘锻件各部位的实际变形量差异性较大，再加上高温合金组织对热工艺参数非常敏感，致使锻件中常常出现粗大晶粒、混晶等组织缺陷，影响锻件的整体性能水平。因此高温合金盘锻件的组织均匀性是盘锻件锻造工艺控制的关键点之一。当前高温合金盘锻件的主要锻造变形工序为制坯、模锻成形，制坯通常采用镦饼+机加工方式，获得一定尺寸的预制坯料，满足模锻成形的要求，在镦饼工艺中采用上下平模对圆柱棒料进行垂直压缩，由于棒料上下表面的摩擦作用，导致整个棒料在压缩变形过程中各部位的变形量产生非常大的差距，产生上下端面变形死区或小变形区和中心的大变形区，各部位的再结晶程度差异性非常大，进而导致预制坯组织不均匀，这种不均匀的组织进一步遗传至锻件中，导致锻件组织的不均匀，而且机加工工序增加了盘锻件的制造周期和成本；制坯工序采用模锻成形，可以有效消除制坯过程中的小变形区和变形死区，模具型腔的形状和尺寸是实现该效果的关键，因此模具的设计极为重要。近十几年来，数值模拟在模具设计中发挥了重要的作用，显著提高了模具设计准确性，降低模具设计周期和成本，本发明提出一种高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，利用该方法可以较准确地完成制坯模具型腔的设计，该模具可以有效提升锻件的组织均匀性。
发明内容
本发明目的在于提供一种高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，采用该方法设计的模具可有效增大制坯过程的变形量，细化棒材中有可能残存在的粗大晶粒，避免临界变形导致的粗晶和混晶，进而增加盘锻件终锻过程中不同部位的变形量，使锻件组织均匀化，提升盘锻件使用安全性和可靠性。
本发明技术方案如下：一种高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：采用高通量双圆锥台试样的热模拟压缩试验，获取变形高温合金棒材不同热变形参数下的晶粒尺寸、再结晶体积分数参数；
步骤2：建立高温合金棒材锻造变形过程中表征坯料组织演变规律的数学模型，并结合有限元模拟软件进行二次开发耦合；
步骤:3：根据步骤2经过二次开发耦合后的数学模型预制制坯模，制坯模分为上模和下模，上模型腔呈“M”形，下模型腔呈“W”形，以盘锻件横向中心剖面为对称平面，采取等体积原则初步设计上下模型腔尺寸；
步骤4：采用耦合晶粒尺寸演化的有限元模拟软件进行变形高温合金的模锻制坯模拟，预测合金坯料外形、组织特征参数在模具内的变化，获得包含形状和组织特征参数的预制坯体作为终锻模拟初始坯体；
步骤5：以步骤4获得的坯体模拟结果作为初始条件，对盘锻件的终锻成形进行模拟，获得终锻过程中的外形和坯料组织特征的演化规律，判定组织特征参数是否满足要求，终锻模拟选取的变形速度0.1～10mm/s，终锻模温度300～1000℃；
步骤6：重复步骤3至步骤5，循环迭代不断优化型腔尺寸，直到组织特征参数满足使用要求为止，从而确定出最终的制坯模具型腔尺寸。
所述数学模型预测精度为±10％。
所述的表征坯料组织演变规律的数学模型为晶粒尺寸演变模型和动态再结晶体积分数演变规律模型。
所述晶粒尺寸演变模型为：
Figure BDA0002533290280000021
其中：ddrx为再结晶晶粒尺寸，d0为初始晶粒尺寸，ε为应变量，
Figure BDA0002533290280000023
为应变速率，Q热变形激活能，R气体常数，T绝对温度，a1、h、n、m、c为模型常数。
所述动态再结晶体积分数演变规律模型为：
Figure BDA0002533290280000022
其中：εp为峰值应变，ε0.5再结晶体积分数为50％时应变，Xdrx再结晶体积分数，βd、a、kd为模型常数。
所述的“M”形上模型腔和“W”形下模型腔具有以下特征，其中上模斜角A为30～60°、斜角B为15～75°，下模斜角C为30～60°、斜角D为15～75°。
所述的坯料组织特征为晶粒尺寸、再结晶体积分数参量。
所述的模锻制坯模拟选取的变形速度0.1～10mm/s，制坯模温度250～900℃。
发明的有益效果：
(1)通过高通量双圆锥台试样的热模拟压缩试验提升了数据采集的准确性，并采用有限元模拟软件进行开发耦合，模型预测精度控制在±10％。建立准确的晶粒演化模型；(2)可有效预测合金锻造变形过程中的晶粒演化，避免了传统试制工艺无法准确量化晶粒尺寸的问题。(3)设计的“M”和“W”形型腔模具可获得具有特定形状的坯体，有效增加预制坯料上下表面的变形量，同时增大后续终锻过程中不同部位的变形量，进一步细化晶粒；(4)采用有限元模拟的手段预测盘件终锻成形后的晶粒尺寸，反复优化制坯模具型腔轮廓和尺寸，相比传统的批量试错法可大大节省成本、提高生产效率、保证产品质量。
附图说明
图1为某发动机涡轮盘锻件示意图
图2为高通量双圆锥台试样示意图
图3为制坯用模具上下模型腔示意图
图4为传统镦饼制坯与本发明模锻制坯后锻件组织模拟对比图
具体实施方式
下面通过具体实施示例对本发明中所述制坯用模具型腔设计技术方案作进一步的详细描述。
一种高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，该方法包括：
步骤1：采用高通量双圆锥台试样的热模拟压缩试验，获取变形高温合金棒材不同热变形参数下的晶粒尺寸、再结晶体积分数参数；
步骤2：建立高温合金棒材锻造变形过程中表征坯料组织演变规律的数学模型，并结合有限元模拟软件进行二次开发耦合；数学模型预测精度为±10％；所述的表征坯料组织演变规律的数学模型为晶粒尺寸演变模型和动态再结晶体积分数演变规律模型；
所述晶粒尺寸演变模型为：
Figure BDA0002533290280000031
其中：ddrx为再结晶晶粒尺寸，d0为初始晶粒尺寸，ε为应变量，
Figure BDA0002533290280000032
为应变速率，Q热变形激活能，R气体常数，T绝对温度，a1、h、n、m、c为模型常数。
所述动态再结晶体积分数演变规律模型为：
Figure BDA0002533290280000041
其中：εp为峰值应变，ε0.5再结晶体积分数为50％时应变，Xdrx再结晶体积分数，βd、a、kd为模型常数。
步骤:3：根据步骤2经过二次开发耦合后的数学模型预制制坯模，制坯模分为上模和下模，上模型腔呈“M”形，下模型腔呈“W”形，以盘锻件横向中心剖面为对称平面，采取等体积原则初步设计上下模型腔尺寸；所述的“M”形上模型腔和“W”形下模型腔具有以下特征，其中上模斜角A为30～60°、斜角B为15～75°，下模斜角C为30～60°、斜角D为15～75°。
步骤4：采用耦合晶粒尺寸演化的有限元模拟软件进行变形高温合金的模锻制坯模拟，预测合金坯料外形、组织特征参数在模具内的变化，获得包含形状和组织特征参数的预制坯体作为终锻模拟初始坯体；所述的坯料组织特征为晶粒尺寸、再结晶体积分数参量；所述的模锻制坯模拟选取的变形速度0.1～10mm/s，制坯模温度250～900℃。
步骤5：以步骤4获得的坯体模拟结果作为初始条件，对盘锻件的终锻成形进行模拟，获得终锻过程中的外形和坯料组织特征的演化规律，判定组织特征参数是否满足要求，终锻模拟选取的变形速度0.1～10mm/s，终锻模温度300～1000℃；
步骤6：重复步骤3至步骤5，循环迭代不断优化型腔尺寸，直到组织特征参数满足使用要求为止，从而确定出最终的制坯模具型腔尺寸。
实施例：
采用该发明依据图1所示某发动机GH4169涡轮盘锻件进行了制坯用模具型腔的设计，通过所设计的制坯模具最终实现了组织细小均匀盘锻件的制备。
步骤1：首先利用图2所示完成了GH4169合金不同热变形参数下压缩实验，对晶粒尺寸、再结晶百分数进行表征、统计与分析，获取变形高温合金棒材不同热变形参数下的晶粒尺寸、再结晶体积分数等参数；
步骤2：依据步骤1中的实验结果，建立棒材锻造变形过程中表征坯料晶粒尺寸演变模型和动态再结晶体积分数演变规律模型，并结合有限元模拟软件进行二次开发耦合，模型预测精度控制在±8％范围内；
步骤:3：设计分为上模和下模制坯模，其中上模型腔呈“M”形，下模型腔呈“W”形，以盘锻件横向中心剖面为对称平面，采取等体积原则初步设计上下模型腔尺寸，其中上模斜角A取值范围在45°之间、斜角B取45°，下模斜角C取45°、斜角D取45°。
步骤4：采用耦合晶粒尺寸演化的有限元模拟软件进行变形高温合金的模锻制坯模拟，预测合金坯料外形、晶粒尺寸和再结晶体积分数等表征材料组织均匀性的特征参量在模具内的变化，获得包含形状和组织特征参数的预制坯体作为终锻模拟初始坯体，模锻制坯模拟选取的变形速度2mm/s，制坯模温度≥300℃；
步骤5：以步骤4获得的坯体模拟结果作为初始条件，对盘锻件的终锻成形进行模拟，获得终锻过程中的外形和坯料组织特征参数(即晶粒尺寸、再结晶体积分数等表征材料组织均匀性的特征参量)的演化规律，判定组织特征参数是否满足要求，终锻模拟选取的变形速度2.5mm/s，终锻模温度350℃；
步骤6：重复步骤3至步骤5，循环迭代，即对模腔尺寸参数、锻造参数和边界条件进行优化，从而不断优化型腔尺寸，直到组织特征参数满足使用要求为止，最终确定出制坯模具型腔尺寸，所确定制坯用模具型腔为“M”形上模斜角A为45°，斜角B为30°；“W”形下模斜角C为45°，斜角D为30°如图3。
图4左边为普通平模镦拔制坯和终锻过程和结果，右边为采用本设计方法进行制坯和终锻过程和结果，可以看出采用本发明设计的制坯模具盘锻件中组织得到明显细化，且组织均匀性显著提升。

Claims (9)

1.一种高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：采用高通量双圆锥台试样的热模拟压缩试验，获取变形高温合金棒材不同热变形参数下的晶粒尺寸、再结晶体积分数参数；
步骤2：建立高温合金棒材锻造变形过程中表征坯料组织演变规律的数学模型，并结合有限元模拟软件进行二次开发耦合；
步骤:3：根据步骤2经过二次开发耦合后的数学模型预制制坯模，制坯模分为上模和下模，上模型腔呈“M”形，下模型腔呈“W”形，以盘锻件横向中心剖面为对称平面，采取等体积原则初步设计上下模型腔尺寸；
步骤4：采用耦合晶粒尺寸演化的有限元模拟软件进行变形高温合金的模锻制坯模拟，预测合金坯料外形、组织特征参数在模具内的变化，获得包含形状和组织特征参数的预制坯体作为终锻模拟初始坯体；
步骤5：以步骤4获得的坯体模拟结果作为初始条件，对盘锻件的终锻成形进行模拟，获得终锻过程中预制坯体的外形和组织特征的演化规律，判定组织特征参数是否满足要求；
步骤6：重复步骤3至步骤5，循环迭代不断优化型腔尺寸，直到组织特征参数满足使用要求为止，从而确定出最终的制坯模具型腔尺寸。
2.如权利要求1所述的高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，其特征在于，步骤2所述数学模型预测精度为±10％。
3.如权利要求1所述的高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，其特征在于，步骤2中，所述的表征坯料组织演变规律的数学模型为晶粒尺寸演变模型和动态再结晶体积分数演变规律模型。
4.如权利要求3所述的高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，其特征在于，所述晶粒尺寸演变模型为：
Figure FDA0002533290270000011
其中：ddrx为再结晶晶粒尺寸，d0为初始晶粒尺寸，ε为应变量，
Figure FDA0002533290270000013
为应变速率，Q热变形激活能，R气体常数，T绝对温度，a1、h、n、m、c为模型常数。
5.如权利要求3所述的高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，其特征在于，所述动态再结晶体积分数演变规律模型为：
Figure FDA0002533290270000012
其中：εp为峰值应变，ε0.5再结晶体积分数为50％时应变，Xdrx再结晶体积分数，βd、a、kd为模型常数。
6.如权利要求1所述的高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，其特征在于，步骤3中，所述的“M”形上模型腔和“W”形下模型腔具有以下特征，其中上模斜角A为30～60°、斜角B为15～75°，下模斜角C为30～60°、斜角D为15～75°。
7.如权利要求1所述的高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，其特征在于，步骤4中，所述的坯料组织特征为晶粒尺寸、再结晶体积分数参量。
8.如权利要求1所述的高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，其特征在于，步骤4中，所述的模锻制坯模拟选取的变形速度0.1～10mm/s，制坯模温度250～900℃。
9.如权利要求1所述的高温合金盘锻件制坯用模具的型腔设计方法，其特征在于，步骤5中，终锻模拟选取的变形速度0.1～10mm/s，终锻模温度300～1000℃。
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