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含夹杂粉末高温合金等温预成形设计与过程模拟

张仁鹏  
【摘要】:粉末高温合金盘件是航空发动机上重要的热端部件之一,其形状复杂、精度要求高,要求具有良好的强韧性、疲劳性、可靠性。FGH96合金是我国最新研制的镍基粉末高温合金,在成形过程中具有变形抗力大、热力参数容差小,锻后组织对热力参数敏感等特点,同时在高温合金的制备过程中,不可避免地会带入夹杂物,夹杂物的存在使得粉末高温合金的力学性能下降,成形性能降低,这就给粉末高温合金盘件的成形工艺及锻件质量控制提出了更高的要求。 针对粉末高温合金盘件等温成形过程中存在的具体问题,采用有限元数值模拟方法,分析讨论了含夹杂粉末高温合金的热变形特性、力学行为和等温预成形设计方法,取得的主要成果和新见解如下: 通过热模拟试验,对含夹杂FGH96合金的高温流动行为进行了研究,结果表明:成形温度、应变速率和变形程度等对流动应力均有不同程度的影响,其中成形温度和应变速率对流动应力的影响尤为显著。通过对试验数据的分析与处理,建立了含夹杂FGH96合金热变形时的本构模型。同时,将基于动态材料模型原理的热加工图理论用到含夹杂FGH96合金的热成形性能分析中,建立了预成形条件下的材料热加工图,并优选出了部分工艺参数,从而为粉末高温合金盘件的工艺过程设计及预成形优化提供了基础。 将粉末高温合金中的夹杂物简化为球形夹杂,并采用Goodier力学方法研究了使用条件下,夹杂物对粉末高温合金应力场的影响规律,结果表明:夹杂的存在引起了应力集中,最大应力点在临近赤道点或极点的某个位置;通过改变夹杂物的材料参数,可以看出弹性模量的影响比泊松比的影响大。利用有限元方法,将含夹杂物基体的宏观模拟与微观分析相结合,详细讨论了盘坯镦粗成形过程中,夹杂物对粉末高温合金基体应力场的影响规律,得到了一些对工程应用具有较大参考价值的结论。 基于相似理论,从数学上证明了类等势场法模拟材料成形过程的可行性,并提出了类等势场法进行盘件预成形设计的具体过程。通过对FGH96合金盘件三工步(镦粗+预锻+终锻)等温锻造过程的模拟,并进一步分析了四组终锻件三个特征区域五个典型单元体的应力率参数g以及四组终锻件的应变率梯度等参量,认为2号预锻模最为合理。


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