CN114818437A - 钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法 - Google Patents

钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，包括：建立所述钛合金不同组成相对流动应力影响的本构模型，将坯料尺寸设计、材料本构特性建立和塑性变形‑传热三维有限元数值模拟系统，得到不同坯料下预锻件和终锻件充填性、应力场、应变场和温度场分布状况模拟图和所述锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下预锻件和终锻件的应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图，从而得到最优的等温锻造的工艺参数。本发明提高钛合金整体叶盘等温锻造过程中的数值模拟精度，实现了钛合金整体叶盘的精确调控。

Description

钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法
技术领域
本发明涉及一种整体叶盘锻造技术领域，尤其涉及一种整体叶盘等温锻造工艺参数的优化方法。
背景技术
整体叶盘将叶片和轮盘作为一个整体，简化了整体结构，目前，国外先进大推力发动机都大量采用了整体叶盘。采用高性能轻质钛合金制造轻量化整体叶盘，能够从材料和结构两方面同时满足轻质需求，兼具功能高效、可靠性高、使用寿命长的优点，是飞行器轻量化的主要途径。但是，钛合金整体叶盘具有大型、整体、形状复杂、微观组织对工艺参数敏感等特征，这使得钛合金整体叶盘成形制造过程中存在成形困难、形状尺寸、精度、组织和性能难以控制等问题。因此，建立其本构模型及关键建模技术，获得坯料尺寸、锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子对钛合金整体叶盘锻造成形规律的影响，并合理设计出锻坯和锻造工艺参数，为发展钛合金整体叶盘先进塑性成形技术奠定理论基础。
专利公布号为“CN 113510207 A”的国家发明专利公开了一种“TC17钛合金大尺寸变截面整体叶盘锻件制作方法”。该方法采用计算机模拟仿真设计出整体叶盘的终锻模具和预锻模具，并对棒坯进行模锻成形形成变形均匀的预锻件，再采用终锻模具对预锻件进行模锻形成终锻件，其变形量和均匀性均得到提高，有效变形范围得到扩大，提高了原材料利用率。但是，采用该方法在数值模拟过程中，未涉及TC17钛合金材料本构模型的建立，更没有体现材料高温变形时的应变硬化、动态软化和不同组成相演化对宏观流动应力的影响，这势必会造成TC17钛合金整体叶盘应力场、应变场、温度场和载荷等宏观工艺参数计算结果精度低，反过来坯料尺寸设计和锻造工艺参数优化不准确的问题，最终导致TC17钛合金整体叶盘成形精度低、力学性能控制不准确等问题。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种能够在钛合金整体叶盘等温锻造过程中结合材料高温变形的应变硬化、动态软化和不同组成对流动应力的影响从而提高钛合金整体叶盘应力场、应变场、温度场和载荷工艺参数的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，包括：
步骤一、综合考虑所述钛合金材料高温变形时的应变硬化、应变速率敏感和动态软化效应，建立所述钛合金不同组成相对流动应力影响的本构模型；
步骤二、根据试验获得不同工艺参数下钛合金流动应力的试验值，以钛合金流动应力试验值与所述本构模型流动应力计算值的残差作为目标函数，采用遗传算法优化技术求解得到所述本构模型的材料参数值；
步骤三、建立所述钛合金整体叶盘等温预锻和终锻过程中的模具和锻坯的几何模型，确定所述几何模型的复杂约束边界条件和网格类型，并结合本构模型求解方程形成了用于钛合金整体叶盘等温锻造过程数值模拟的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，并通过所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统对不同坯料的预锻和终锻过程进行数值模拟，得到不同坯料下预锻件和终锻件充填性、应力场、应变场和温度场分布状况模拟图；
对比分析所述的充填性、应力场、应变场和温度场分布状况影响模拟图，选取充填饱满，应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的坯料尺寸为最优的钛合金坯料结构尺寸；
步骤四、运用所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，以所述最优的钛合金坯料结构尺寸作为钛合金整体叶盘锻坯，在不同锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下进行数值模拟，分别得到所述锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下预锻件和终锻件的应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图；
对比分析所述的预锻件和终锻件应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图，选取应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的工艺参数为最优的等温锻造的工艺参数。
进一步的，步骤一中所述建立的钛合金材料流动应力本构模型具体为：
Figure BDA0003653454450000031
式中，σ为流动应力(MPa)，σ0为高温变形过程中的屈服应力(MPa)，ε为应变，aα和aβ分别为α相和β相的应变硬化指数，所述钛合金的α相为密排六方结构，对应的变硬化指数aα＝2，所述钛合金的β相为体心立方结构，对应的变硬化指数aβ＝1；Tsus为相转变温度，单位为K；W为材料的动态软化体积分数；σs为稳态应力，单位为MPa；Q为表观变形热激活能，单位为kJ·mol-1；R为普适气体常数8.3145J·mol-1·K-1；T为绝对变形温度，单位为K；
Figure BDA0003653454450000041
为应变速率，单位为s-1；
Figure BDA0003653454450000042
为参考应变速率，单位为s-1；TR为参考变形温度，单位为K；
Figure BDA0003653454450000043
为α相体积分数，TM为材料熔点，单位为K；式中的Bα、nα、Bβ、nβ、w、R1、S、n、p、c、k、m和j均为材料参数，应变速率敏感项
Figure BDA0003653454450000044
采用反双曲正弦函数形式。
进一步的，步骤一中所述建立的钛合金材料流动应力本构模型是在Johnson-Cook型方程的基础上得到的。
进一步的，步骤二中所述的残差计算公式为：
Figure BDA0003653454450000045
式中，f(x)为所述流动应力试验值与本构模型的流动应力计算值的残差，x(x＝x1，x2，……，xs)为所述的材料参数，s为需要确定的材料参数个数，
Figure BDA0003653454450000046
为在应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力计算值，单位为MPa；
Figure BDA0003653454450000047
为应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力试验值，单位为MPa；m1为在变形温度为k，应变速率为j时所测流动应力的组数，n1为所取应变速率组数，l1为所取变形温度组数。
进一步的，在所述的步骤三中所述的本构模型求解方程是指以所述本构模型表达式、本构模型中流动应力对应变的导数以及所述流动应力对应变速率的导数表达式生成的求解方程。
进一步的，所述的钛合金是TC4或TC17合金。
本发明的有益效果是：本发明通过综合考虑材料高温变形时的应变硬化、应变速率敏感和动态软化效应，建立不同组成相对材料流动应力影响的本构模型，采用遗传算法优化本构模型中的材料参数，并结合本构模型求解方程建立塑性变形-传热有限元数值模拟系统，模拟研究坯料尺寸、锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子对钛合金整体叶盘锻造成形规律的影响，设计出最优坯料尺寸和锻造工艺参数，为钛合金整体叶盘的精确调控奠定基础。
由于本发明在建模时综合考虑了外界工艺参数、宏观动态塑性流动特征和不同变形温度下微观相组成变化对材料流动应力的影响，本发明建立的流动应力计算式，即本构模型能够更加真实地反映材料的本构特性，可准确揭示钛合金等温锻造过程中宏观塑性流动行为的内在复杂性，进而提高钛合金整体叶盘等温锻造过程中的数值模拟精度。此外，结合塑性变形-传热有限元数值模拟系统建模技术的开发，发展了一种基于精准有限元数值模拟的钛合金整体叶盘锻造坯料尺寸和工艺参数优化方法。
附图说明
图1为本发明优化后的整体叶盘模具和锻坯几何模型示意图；
图2为TC17合金高温变形时本构模型流动应力计算值与试验值的比较示意图；
图3为坯料预锻和终锻后材料充填情况示意图；
图4为预锻后预锻件的应力场、应变场和温度场分布示意图；
图5为终锻后终锻件的应力场、应变场和温度场分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
为了实现上述目的，本发明提供一下具体实施方式：
实施例1：一种钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，包括：
步骤一、综合考虑所述钛合金材料高温变形时的应变硬化、应变速率敏感和动态软化效应，建立所述钛合金不同组成相对流动应力影响的本构模型；所述的钛合金是TC4或TC17合金；
所述建立的钛合金材料流动应力本构模型具体为：
Figure BDA0003653454450000061
式中，σ为流动应力(MPa)，σ0为高温变形过程中的屈服应力(MPa)，ε为应变，aα和aβ分别为α相和β相的应变硬化指数，所述钛合金的α相为密排六方结构，对应的变硬化指数aα＝2，所述钛合金的β相为体心立方结构，对应的变硬化指数αβ＝1；Tsus为相转变温度，单位为K；W为材料的动态软化体积分数；σs为稳态应力，单位为MPa；Q为表观变形热激活能，单位为kJ·mol-1；R为普适气体常数8.3145J·mol-1·K-1；T为绝对变形温度，单位为K；
Figure BDA0003653454450000071
为应变速率，单位为s-1；
Figure BDA0003653454450000072
为参考应变速率，单位为s-1；TR为参考变形温度，单位为K；
Figure BDA0003653454450000073
为α相体积分数，TM为材料熔点，单位为K；式中的Bα、nα、Bβ、nβ、w、R1、S、n、p、c、k、m和j均为材料参数，应变速率敏感项
Figure BDA0003653454450000074
采用反双曲正弦函数形式。
所述建立的钛合金材料流动应力本构模型是在Johnson-Cook型方程的基础上得到的。
步骤二、根据试验获得不同工艺参数下钛合金流动应力的试验值，以钛合金流动应力试验值与所述本构模型流动应力计算值的残差作为目标函数，采用遗传算法优化技术求解得到所述本构模型的材料参数值；
所述的残差计算公式为：
Figure BDA0003653454450000075
式中，f(x)为所述流动应力试验值与本构模型的流动应力计算值的残差，x(x＝x1，x2，……，xs)为所述的材料参数，s为需要确定的材料参数个数，
Figure BDA0003653454450000076
为在应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力计算值，单位为MPa；
Figure BDA0003653454450000077
为应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力试验值，单位为MPa；m1为在变形温度为k，应变速率为j时所测流动应力的组数，n1为所取应变速率组数，l1为所取变形温度组数。
步骤三、建立所述钛合金整体叶盘等温预锻和终锻过程中的模具和锻坯的几何模型，确定所述几何模型的复杂约束边界条件和网格类型，并结合本构模型求解方程形成了用于钛合金整体叶盘等温锻造过程数值模拟的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，并通过所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统对不同坯料的预锻和终锻过程进行数值模拟，得到不同坯料下预锻件和终锻件充填性、应力场、应变场和温度场分布状况模拟图；所述的本构模型求解方程是指以所述本构模型表达式、本构模型中流动应力对应变的导数以及所述流动应力对应变速率的导数表达式生成的求解方程。
对比分析所述的充填性、应力场、应变场和温度场分布状况影响模拟图，选取充填饱满，应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的坯料尺寸为最优的钛合金坯料结构尺寸；
步骤四、运用所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，以所述最优的钛合金坯料结构尺寸作为钛合金整体叶盘锻坯，在不同锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下进行数值模拟，分别得到所述锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下预锻件和终锻件的应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图；
对比分析所述的预锻件和终锻件应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图，选取应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的工艺参数为最优的等温锻造的工艺参数。
实验例：如图1-5所示，以TC17合金为例，包括如下步骤：
(1)利用UG绘图软件建立TC17钛合金整体叶盘等温锻造过程中模具和锻造坯料的几何模型，参见附图1，附图1中：(1)为预锻模具上模模型；(2)为坯料模型；(3)为预锻模具下模模型；(4)终锻模具上模模型；(5)预锻件模型；(6)终锻模具下模模型；(7)终锻件模型。
(2)在Johnson-Cook型方程的基础上，考虑材料高温变形时的应变硬化、应变速率敏感和动态软化效应，建立不同组成相对材料流动应力影响的本构模型。
(3)基于TC17合金热模拟压缩时不同变形工艺参数下的真应力-应变曲线，即得到钛合金流动应力的试验值，以钛合金流动应力试验值与所述本构模型流动应力计算值的残差作为目标函数，采用遗传算法优化本构模型中的材料参数，优化后的材料参数参见表1，优化后对TC17钛合金的本构模型进行可靠性验证，参见附图2，附图2中，图(a)和(b)分别为变形温度1063K和1123K下TC17合金本构模型流动应力计算值与试验值的比较示意图。
表1 TC17合金高温变形时本构模型中的材料参数
Figure BDA0003653454450000091
(4)采用Absoft Pro Fortran14.0编译器软件打开Deform10.2安装文件夹中DEF_SIM目录下的usr_mtr文件，使用Fortran语言环境设置好本构模型中相应的材料参数值，将本构模型表达式、流动应力对应变的导数表达式以及流动应力对应变速率的导数表达式编写入子程序文件中；采用Absoft Pro Fortran14.0编译器软件打开DEF_SIM目录下的DEF_SIM_USR_Absoftv110.atools文件，根据所编写好的usr_mtr文件生成新的求解方程DEF_SIM.exe；将所生成的DEF_SIM.exe求解方程替换位于Deform10.2安装目录下原始文件，重新运行Deform-3D软件，即可完成求解方程的替换。运行Deform10.2有限元软件，在前处理模块中选择USRMTR子程序中相应的UFLOW程序入口。
(5)在PROPERTY模块中设置锻件材料为TC17合金，密度为4680kg·m-3，比热容与导热系数均为温度的函数，模具材料为4Cr5MoSiV热作模具钢，锻造过程中坯料与周围空气间的对流换热系数为20W·m-2·K-1，坯料与模具接触面的换热系数为5000W·m-2·K-1，在MESH模块中对各个部件进行网格划分，网格类型选择为DCAX4(四节点轴对称热传递单元)，建立塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，基于步骤(4)处理模块中UFLOW二次开发环境，采用Fortran语言进行本构模型编译。
(6)针对不同尺寸坯料的预锻和终锻过程进行数值模拟研究，对比分析其材料充填性、应力场、应变场和温度场的分布状况，图3为坯料预锻和终锻后材料充填情况的示意图，根据TC17合金整体叶盘预锻和终锻后局部区域材料充填性的分析，优选出合适的坯料尺寸，图3中(a)、(c)分别为坯料直径360mm和430mm时材料预锻充填性示意图，(b)、(d)分别为坯料直径360mm和430mm时材料终锻充填性示意图；
以优选出的坯料结构尺寸作为锻坯，研究不同锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子对TC17合金整体叶盘预锻和终锻过程中材料充填性、应力场、应变场和温度场的影响规律。
图4为预锻后整体叶盘应力场、应变场和温度场的分布示意图，图中，(a1)为预锻压下量为12mm时对预锻件应变场的分布影响示意图；(a2)为预锻压下量为42mm时对预锻件应变场的分布影响示意图；(b1)为锻造温度780℃对应力场的分布影响示意图；(b2)为锻造温度810℃对应力场的分布影响示意图；(c1)为锻造速度为0.05mm/s对温度场的分布影响示意图；(c2)为锻造速度为5mm/s对温度场的分布影响示意图；
图5为终锻后整体叶盘应力场、应变场和温度场的分布示意图，图中，(a1)为终锻压下量为16mm时对终锻件应变场的分布影响示意图；(a2)为终锻压下量为54mm时对终锻件应变场的分布影响示意图；(b1)为锻造温度780℃对应力场的分布影响示意图；(b2)为锻造温度810℃对应力场的分布影响示意图；(c1)为锻造速度为0.05mm/s对温度场的分布影响示意图；(c2)为锻造速度为5mm/s对温度场的分布影响示意图；
对比分析不同工艺参数下的TC17合金整体叶盘等温锻造成形规律，选取应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的工艺参数为最优的等温锻造的工艺参数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，包括：
步骤一、综合考虑所述钛合金材料高温变形时的应变硬化、应变速率敏感和动态软化效应，建立所述钛合金不同组成相对流动应力影响的本构模型；
步骤二、根据试验获得不同工艺参数下钛合金流动应力的试验值，以钛合金流动应力试验值与所述本构模型流动应力计算值的残差作为目标函数，采用遗传算法优化技术求解得到所述本构模型的材料参数值；
步骤三、建立所述钛合金整体叶盘等温预锻和终锻过程中的模具和锻坯的几何模型，确定所述几何模型的复杂约束边界条件和网格类型，并结合本构模型求解方程形成了用于钛合金整体叶盘等温锻造过程数值模拟的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，并通过所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统对不同坯料的预锻和终锻过程进行数值模拟，得到不同坯料下预锻件和终锻件充填性、应力场、应变场和温度场分布状况模拟图；
对比分析所述的充填性、应力场、应变场和温度场分布状况影响模拟图，选取充填饱满，应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的坯料尺寸为最优的钛合金坯料结构尺寸；
步骤四、运用所述的塑性变形-传热三维有限元数值模拟系统，以所述最优的钛合金坯料结构尺寸作为钛合金整体叶盘锻坯，在不同锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下进行数值模拟，分别得到所述锻造温度、锻造速度、压下量和摩擦因子条件下预锻件和终锻件的应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图；
对比分析所述的预锻件和终锻件应力场、应变场和温度场的分布影响模拟图，选取应变场、应力场和温度场分布均匀的预锻件和终锻件对应的工艺参数为最优的等温锻造的工艺参数。
2.如权利要求1所述的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，步骤一中所述建立的钛合金材料流动应力本构模型具体为：
Figure FDA0003653454440000021
式中，σ为流动应力(MPa)，σ0为高温变形过程中的屈服应力(MPa)，ε为应变，aα和aβ分别为α相和β相的应变硬化指数，所述钛合金的α相为密排六方结构，对应的变硬化指数aα＝2，所述钛合金的β相为体心立方结构，对应的变硬化指数aβ＝1；Tsus为相转变温度，单位为K；W为材料的动态软化体积分数；σs为稳态应力，单位为MPa；Q为表观变形热激活能，单位为kJ·mol-1；R为普适气体常数8.3145J·mol-1·K-1；T为绝对变形温度，单位为K；
Figure FDA0003653454440000022
为应变速率，单位为s-1；
Figure FDA0003653454440000023
为参考应变速率，单位为s-1；TR为参考变形温度，单位为K；
Figure FDA0003653454440000024
为α相体积分数，TM为材料熔点，单位为K；式中的Bα、nα、Bβ、nβ、w、R1、S、n、p、c、k、m和j均为材料参数，应变速率敏感项
Figure FDA0003653454440000031
采用反双曲正弦函数形式。
3.如权利要求1所述的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，步骤一中所述建立的钛合金材料流动应力本构模型是在Johnson-Cook型方程的基础上得到的。
4.如权利要求1所述的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，步骤二中所述的残差计算公式为：
Figure FDA0003653454440000032
式中，f(x)为所述流动应力试验值与本构模型的流动应力计算值的残差，x(x＝x1，x2，……，xs)为所述的材料参数，s为需要确定的材料参数个数，
Figure FDA0003653454440000033
为在应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力计算值，单位为MPa；
Figure FDA0003653454440000034
为应变为i，应变速率为j，变形温度为k时对应的流动应力试验值，单位为MPa；m1为在变形温度为k，应变速率为j时所测流动应力的组数，n1为所取应变速率组数，l1为所取变形温度组数。
5.如权利要求1所述的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，在所述的步骤三中所述的本构模型求解方程是指以所述本构模型表达式、本构模型中流动应力对应变的导数以及所述流动应力对应变速率的导数表达式生成的求解方程。
6.如权利要求1-5所述的钛合金整体叶盘等温锻造工艺的优化方法，其特征在于，所述的钛合金是TC4或TC17合金。
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