CN111879910A - 一种优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法，通过设计锥形试样进行锻造工艺的物理模拟试验，首先设计出具有一定形状的锥形试样，试样尺寸需反映真实锻件的锻造变形，然后进行试样的加热、锻造和热处理，与实际锻造过程一致，最后测试试样的组织性能、确定出合理的锻造工艺数据库，用于指导实际的锻造过程。该优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法能够快速准确地掌握材料的变形特性，从而实施运用。

Description

一种优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法

技术领域

本发明属于金属合金加工工艺领域，涉及一种优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法，涉及合金锻造过程中的组织与性能控制。

背景技术

锻造通过改变金属合金坯料形状来改善内部组织获得需求的力学性能，是实现构件形性一体化调控应用最广泛的塑性成形工艺。但由于金属合金的组织和性能对锻造工艺参数敏感，一些构件在锻造过程中会经常出现组织性能不合格的现象，造成产品报废，因此，优化锻造工艺参数是获得合金锻件合格组织性能的前提。

锻造企业一般根据经验制定锻造工艺，然后进行试制试验以验证制定的锻造工艺参数是否可行。此种方法操作简单、可直接验证工艺合理性，但却无法完全掌握合金的锻造变形特性，当锻件特征发生变化时，前期的试制试验结果往往难以适用，需要再次开展试制试验，导致生产周期较长、成本上升。

通过合金的热压缩试验结合数值模拟可以从理论基础上较系统地研究合金的变形行为，建立微观组织演变随变形参数的变化关系，用于预测锻件锻造过程中微观组织变化，然而目前却无法准确预测锻件性能的变化，这主要是因为组织和性能的对应关系非常复杂，目前还难以通过数学模型进行量化表征，仍有待发展才能应用于实际锻件的性能控制。

4、发明的目的

通过锻造变形可以改善合金的组织形态、大幅度提升构件性能，但合金组织和性能对锻造工艺参数敏感，不合理的锻造工艺往往会恶化锻件性能。结合锻造生产条件，优化出实际可行的锻造工艺参数，实施锻造过程可控，是锻造行业长期发展所必须关注的重点。

为了合理控制锻造工艺参数、提高锻件质量、获得组织性能合格的锻件，本发明开发出一种优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法，可以优化出合理的锻造工艺参数，直接应用于锻造生产。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法，合理控制锻造工艺参数、提高锻件质量、获得组织性能合格的锻件。

技术方案

一种优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、试样尺寸设计：锻造试验采用锥形试样，锥形试样截面斜角A、端面直径d₁、最大直径d₂、总高h₂与台阶高h₁各参数满足关系式：tanA＝(h₂-h₁)/(d₂-d₁)，斜角A取15°～60°、d₁≥(h₂-h₁)/4、d₂≥2h₂，采用有限元软件模拟计算锥形试样变形量；

步骤2、加热与保温：在试样表面涂敷润滑剂，选择随炉升温或到温装料的方式将锥形试样加热到不同的温度范围，并采用公式t＝a×h₂来计算保温时间，α为材料的保温系数；

步骤3、试样锻造：采用试样锻件的实际锻造工艺，对步骤2不同加热温度下的锥形试样进行锻造试验，将试样从高度h₂锻造变形至高度h₁；

步骤4、组织性能测试：对步骤3锻后试样进行材料的标准热处理，根据步骤1计算变形量按从小到大顺序取四个以上位置测试内部微观组织和性能，获得微观组织与性能随变形量、温度不同锻造工艺参数下的数据；

步骤5、数据库建立：利用origin或matlab软件采取数据插值或外推方法分析步骤4组织与性能数据随锻造工艺参数变化的规律、获得所有锻造工艺参数下的组织性能数据，建立锻件材料组织性能与不同锻造工艺参数对应的数据库；

步骤6、锻造工艺参数优化：根据锻件实际锻造工艺需要，对比步骤5建立的组织性能与锻造工艺参数对应的数据库，查找确定符合锻件实际组织性能需求对应的锻造工艺参数，从而优化出合理的锻造工艺参数。

所述有限元软件包括但不限于Deform或Anasys。

所述步骤3的锻造设备包括但不限于压力机或空气锤。

有益效果

本发明提出的一种优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法，通过设计锥形试样进行锻造工艺的物理模拟试验，首先设计出具有一定形状的锥形试样，试样尺寸需反映真实锻件的锻造变形，然后进行试样的加热、锻造和热处理，与实际锻造过程一致，最后测试试样的组织性能、确定出合理的锻造工艺数据库，用于指导实际的锻造过程。

本发明通过设计特定形状试样进行物理仿真试验，可有效优化出实际锻造工艺参数，相比经验型或单纯数值模拟方法，该方法步骤1设计的锥形试样，从形状和尺寸上进行了限定，这样可以准确反映出锻件在实际锻造过程中不同部位的变形量，从而准确测试出变形量对锻件组织和性能的影响。步骤2加热与保温的目的与实际锻造工艺一致，从保温系数这个关键参数来制定保温时间，可以完全从保温时间上分析温度对锻件组织性能的影响。步骤3试样锻造主要是为了分析锻造方式、锻造速度、试样冷却等不同锻造工艺参数对试样组织与性能的影响，可以为后续测试组织性能、优化锻造工艺参数提供样品。步骤4组织性能测试主要是对锻造后的样品进行测试，获得不同锻造工艺参数下的组织和性能变化规律，为优化锻造工艺参数提供具体数据。步骤5锻造工艺参数确定是将所有试验工艺参数下的微观组织与力学性能进行分析，然后采取插值、外推等数值分析方法建立合金组织性能与锻造工艺参数的数据库，这样可以涵盖实际锻造过程中所有的锻造工艺参数，从而根据实际需求查找确定优化的锻造工艺参数。

该优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法能够快速准确地掌握材料的变形特性，从而实施运用。

附图说明

图1：本发明流程示意图

图2：实施例1的GH4169合金试样锻造后不同部位的微观组织

图3：实施例1的根据组织观察结果建立的合金组织尺寸与锻造工艺参数的数据库

图4：实施例2的Ti60合金试样锻造后不同部位的微观组织

图5：实施例2的根据组织观察结果建立的合金组织球化百分数与锻造工艺参数的数据库

图6：Ti60合金试样锻造后不同部位的微观组织

图7：根据组织观察结果建立的合金组织球化百分数与锻造工艺参数的数据库

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

一种优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法，该方法包括以下工艺步骤：

(1)试样尺寸设计：设计锻造试验用锥形试样，锥形试样上下、左右对称(附图1(a))，锥形试样截面斜角A、端面直径d₁、最大直径d₂、总高h₂与台阶高h₁满足关系式tanA＝(h₂-h₁)/(d₂-d₁)，且角A取15°～60°、d₁≥(h₂-h₁)/4、d₂≥2h₂，采用Deform、Anasys等有限元软件模拟计算锥形试样变形量；

(2)加热与保温：在步骤1设计试样表面涂上润滑剂，根据试样材料特性采取随炉升温或到温装料的方式对试样进行加热(如附图1(b)所示)，并采用公式α×h₂来计算保温时间，α为材料的保温系数；

(3)试样锻造：结合锻件的实际锻造工艺方案，制定锻造方式、锻造速度、试样冷却等不同的锻造工艺参数，在小型锻造设备上对步骤2加热锥形试样进行锻造试验，将试样从高度h₂变形至h₁(如附图1(c)所示)；

(4)组织性能测试：切取步骤3锻后试样进行材料的标准热处理，根据试样变形量分布观察内部微观组织、测试力学性能，统计出微观组织特征与力学性能随变形量的变化规律；

(5)锻造工艺参数确定：将步骤4获得的所有锻造工艺参数下的微观组织与力学性能进行分析，采取插值、外推等数值分析方法建立组织性能与锻造工艺参数的数据库(如附图1(d)所示)，对比实际需求从而查找确定优化的锻造工艺参数。

例1：采用该优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法成功地获得了GH4169高温合金锻造工艺参数与组织的关系。采用本方法步骤1设计了锥形试样尺寸，斜角A取45°、端面直径d₁取30mm、最大直径d₂取60mm、试样高h₁取30mm与试样高h₂取60mm；经步骤2加热与保温，在GH4169合金表面涂上玻璃润滑剂，采取到温装料的方式进行加热，α采用1.5min/mm的保温系数计算保温时间；经步骤3锻造，GH4169合金在锻造温度为970～1050℃、锻造速度为1～10mm/s的条件下进行锻造，从高度60mm变形至30mm；经步骤4组织测试，从试样中部剖开，从外至内观察拍摄不同部位的微观组织；经步骤5确定锻造工艺参数，将GH4169合金所有试验工艺参数下的微观组织进行分析统计，采取插值、外推等数值分析方法建立合金组织与锻造工艺参数的数据库，为GH4169合金确定出优化的锻造工艺参数。附图2为GH4169合金试样锻造后不同部位的微观组织，可以清楚地观察到试样变形后不同部位具有不同的微观组织形貌，说明设计的锥形试样能够准确反映锻造工艺参数对微观组织的影响，本试验方法能够有效运用于实际锻造工艺生产。图3为根据组织观察结果建立的合金组织尺寸与锻造工艺参数的数据库，可用于实际需求查找确定GH4169合金优化的锻造工艺参数。

例2：采用该优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法成功地获得了Ti60高温钛合金锻造工艺参数与组织的关系。采用本方法步骤1设计了锥形试样尺寸，斜角A取45°、端面直径d₁取5mm、最大直径d₂取10mm、试样高h₁取5mm与试样高h₂取10mm；经步骤2加热与保温，在Ti60合金表面涂上玻璃润滑剂，采取到温装料的方式进行加热，α分别采用1.0min/mm保温系数计算保温时间；经步骤3锻造，Ti60合金分别在锻造温度为900～1020℃、锻造速度为0.001～10mm/s的条件下进行锻造，从高度10mm变形至5mm；经步骤4组织测试，从试样中部剖开，从外之内观察拍摄不同部位的微观组织；经步骤5确定锻造工艺参数，将Ti60合金所有试验工艺参数下的微观组织进行分析统计，采取插值、外推等数值分析方法建立合金组织与锻造工艺参数的数据库，为Ti60合金确定出优化的锻造工艺参数。附图4为Ti60合金试样锻造后不同部位的微观组织，可以清楚地试样变形后不同部位具有不同的微观组织形貌，说明设计的锥形试样能够准确反映锻造工艺参数对微观组织的影响，本试验方法能够有效运用于实际锻造工艺生产。图5为根据组织观察结果建立的合金组织球化百分数与锻造工艺参数的数据库，可用于实际需求查找确定Ti60合金优化的锻造工艺参数。

例3：采用该优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法成功地获得了Ti60高温钛合金锻造工艺参数与组织的关系。采用本方法步骤1设计了锥形试样尺寸，斜角A取45°、端面直径d₁取5mm、最大直径d₂取10mm、试样高h₁取5mm与试样高h₂取10mm；经步骤2加热与保温，在Ti60合金表面涂上玻璃润滑剂，采取到温装料的方式进行加热，α分别采用1.0min/mm保温系数计算保温时间；经步骤3锻造，Ti60合金分别在锻造温度为900～1020℃、锻造速度为1/s的条件下进行锻造，从高度10mm变形至5mm；经步骤4组织测试，从试样中部剖开，从外之内观察拍摄不同部位的微观组织；经步骤5将Ti60合金所有试验工艺参数下的微观组织进行分析统计，采取插值、外推等数值分析方法建立合金组织与锻造工艺参数的数据库；经步骤6根据实际需求，选择优化出Ti60合金较佳的锻造工艺参数。附图6为Ti60合金试样锻造后不同部位的微观组织，可以清楚地试样变形后不同部位具有不同的微观组织形貌，说明设计的锥形试样能够准确反映锻造工艺参数对微观组织的影响，本试验方法能够有效运用于实际锻造工艺生产。图7为根据组织观察结果建立的合金组织球化百分数与锻造工艺参数的数据库，可用于实际需求查找确定Ti60合金优化的锻造工艺参数。

Claims (3)

1.一种优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、试样尺寸设计：锻造试验采用锥形试样，锥形试样截面斜角A、端面直径d₁、最大直径d₂、总高h₂与台阶高h₁各参数满足关系式：tanA＝(h₂-h₁)/(d₂-d₁)，斜角A取15°～60°、d₁≥(h₂-h₁)/4、d₂≥2h₂，采用有限元软件模拟计算锥形试样变形量；

步骤2、加热与保温：在试样表面涂敷润滑剂，选择随炉升温或到温装料的方式将锥形试样加热到不同的温度范围，并采用公式t＝α×h₂来计算保温时间，α为材料的保温系数；

步骤3、试样锻造：采用试样锻件的实际锻造工艺，对步骤2不同加热温度下的锥形试样进行锻造试验，将试样从高度h₂锻造变形至高度h₁；

步骤4、组织性能测试：对步骤3锻后试样进行材料的标准热处理，根据步骤1计算变形量按从小到大顺序取四个以上位置测试内部微观组织和性能，获得微观组织与性能随变形量、温度不同锻造工艺参数下的数据；

步骤5、数据库建立：利用origin或matlab软件采取数据插值或外推方法分析步骤4组织与性能数据随锻造工艺参数变化的规律、获得所有锻造工艺参数下的组织性能数据，建立锻件材料组织性能与不同锻造工艺参数对应的数据库；

步骤6、锻造工艺参数优化：根据锻件实际锻造工艺需要，对比步骤5建立的组织性能与锻造工艺参数对应的数据库，查找确定符合锻件实际组织性能需求对应的锻造工艺参数，从而优化出合理的锻造工艺参数。

2.根据权利要求1所述优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法，其特征在于：所述有限元软件包括但不限于Deform或Anasys。

3.根据权利要求1所述优化锻造工艺参数与组织性能的试验方法，其特征在于：所述步骤3的锻造设备包括但不限于压力机或空气锤。

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