摘要：针对GH4169锭型逐渐增大导致铸锭开坯时的锻透性变差的问题,采用有限元模拟方法,揭示开坯过程中坯料温度、等效应变和晶粒组织的分布与演化规律,从而更加科学地设计开坯工艺。采用有限元数值模拟,研究了镦粗过程不同初始温度和变形速率对应变场和温度场的影响,并对拔长过程中不同压下速率、道次压下量、咬入量对温度场、应变场的影响进行了研究。通过对比1 000℃、1 050℃、1 100℃的等效应变,发现随着温度升高,金属变形应变量增加。对比50 mm/s、100 mm/s、150 mm/s的压下速率,发现变形速率增加导致变形抗力的增加,使材料的表面和心部应变明显增加。对比1 020℃、1 050℃、1 080℃的初始温度下的拔长过程,得到了等效应变、温度场和应变场的演变规律,其中应变的变化与镦粗过程类似,温度场和应变场的演变受到所选用拔长条件的影响。结果表明:镦粗过程中,初始温度越高材料流动性更好,变形更均匀;压下速率增加会使内部温升增加,同样会使内部应变变大。拔长时的坯料变形过程与镦粗过程类似,温度场和应变场的演变均与整个拔长过程的时间和变形热的不同而不同。
GH4169合金是一种铁-铬-镍基沉淀强化型变形高温合金,在650℃以下具有较高的强度、良好的抗疲劳和抗氧化腐蚀性能,广泛应用于航空、航天领域的涡轮盘、环件、叶片、轴、紧固件等部件[1]。该合金的大尺寸锻棒是生产发动机的旋转件和涡轮盘等关键部件的原材料。该合金涡轮盘的生产工艺流程为:真空感应冶炼(VIM)+电渣重熔(ESR)+真空电弧重熔(VAR)三联熔铸工艺制备大尺寸自耗锭,经过多段均匀化处理的铸锭能够在快锻机上实现自由锻造开坯并制备大规格细晶棒材[2-3]。经真空感应熔炼和真空自耗制得的铸锭在均匀化热处理后晶粒尺寸十分粗大,必须经过开坯锻造才能为后续的闭模锻造提供组织和性能均达到要求的锻棒坯料。GH4169合金的开坯锻造是一个复杂的三维变形过程,其中温度场、应力场、应变场以及微观组织相互作用、彼此影响,采用有限元方法对该合金的开坯锻造工艺进行优化是最为有效的方法,因此,有限元方法在锻造领域得到广泛的应用[4-5],例如对高温合金等温锻造的等效应变模拟[6]、涡轮盘锻造过程的应力场模拟[7]以及对高温合金开坯过程中开裂进行预测分析[8]。目前,该合金的研究主要集中在晶粒结构的表征与预测[9-10]、本构模型的分析[11-15]、组织演变[16-17]、力学性能的研究[18-22]、残余应力的描述[23-25]以及热变形行为的探究[26-28]。
但是,迄今为止,国内对该合金开坯锻造工艺的研究主要是采用工艺试验的方法,很少有关于开坯等多道次加工过程数值模拟研究的报道。本文针对我国大规格GH4169合金铸锭的研制,应用有限元数值模拟技术对开坯过程进行三维数值模拟分析,揭示铸锭多道次开坯过程中热力参数的分布及其演化规律,为科学制定开坯工艺提供理论依据。
1 试验
1.1 有限元模型建立
根据GH4169合金铸锭的实际生产过程建立三维有限元计算模型,如图1所示。网格划分采用四面体单元,总量约为2万单元,原始坯料尺寸为∅1 000 mm×2 300 mm。考虑到原始坯料在进行炉内加热、出炉转移过程中均会与空气进行热交换,同时在进行镦粗过程中也会和周围空气和上下模具进行热交换,因此要设定不同接触面的换热系数,保证模拟的准确性,这里设置空气热交换系数为0.02 N/s/mm/℃,与模具之间的换热系数为0.5 N/s/mm/℃。同时为了防止镦粗过程中坯料温降过快,需要将上、下模具提前预热到300℃。为了得到不同热变形条件下温度场和应变场的演变,设置拔长和镦粗过程中的工艺参数如表1所示。
(a)镦粗3D模型 (b)镦粗剖面模型
(c)拔长3D模型 (d)拔长侧视图模型
图1 镦粗拔长模拟模型
Figure 1 Simulation model of upsetting and drawing
表1 开坯模拟工艺参数设定
Table 1 Parameters setting of cogging simulation process
1.2 试验材料制备方法
本试验所用材料为VIM+ESR+VAR三联冶炼的GH4169合金,化学成分(质量分数)为:C为0.03%,Cr为17.84%,Nb为5.38%,Mo为2.96%,Ti为1.01%,Al为0.54%,Ni为53.52%,余量为Fe,热压缩实验试样尺寸为∅10 mm×15 mm。热变形温度参数为1 000℃、1 050℃和1 100℃,应变速率为0.1 s-1、1 s-1以及10 s-1,应变量为50%,与有限元模拟参数一致。热变形后的试样打磨抛光后,采用煮样的方法来观察再结晶组织演变的情况,煮样溶液为5 g高锰酸钾+10 mL浓硫酸+90 mL水混合溶液,煮样时间为2～4 min,采用光学显微镜分析其晶粒组织,如图2(g)～(i)和图3(g)～(i)所示。
(a)初始温度1 000℃,温度场分布 (b)初始温度1 050℃,温度场分布 (c)初始温度1 100℃,温度场分布
(d)初始温度1 000℃,应力场分布 (e)初始温度1 050℃,应力场分布 (f)初始温度1 100℃,应力场分布
(g)初始温度1 000℃,晶粒组织 (h)初始温度1 050℃,晶粒组织 (i)初始温度1 100℃,晶粒组织
图2 不同初始温度、应变速率为1 s-1热变形过程中温度场和应变场以及晶粒组织
Figure 2 Temperature field, strain field, and grain microstructure during thermal deformation at different temperatures and strain rates of 1 s-1
(a)应变速率0.1 s-1,温度场分布 (b)应变速率1 s-1,温度场分布 (c)应变速率10 s-1,温度场分布
(d)应变速率0.1 s-1,应力场分布 (e)应变速率1 s-1,应力场分布 (f)应变速率10 s-1,应力场分布
(g)应变速率0.1 s-1,晶粒组织 (h)应变速率1 s-1,晶粒组织 (i)应变速率10 s-1,晶粒组织
图3 初始温度1 050℃、不同应变速率下热变形过程中温度场、应变场以及晶粒组织
Figure 3 Temperature field, strain field, and grain structure during thermal deformation at initial temperature of 1 050℃ and different strain rates
2 结果与分析
2.1 温度和应变与组织演变的关联性
塑性变形引起的绝热升温在锻件中产生较高的内部温度。这会导致动态再结晶(Dynamic Recrystallization,DRX)的发生,从而导致流动应力降低。图2为应变速率为1 s-1热变形过程中温度场和应变场的分布情况,坯料内部的温度和应变呈现“X”型分布,中心温度和应变最高。随着温度的升高,内部的温升逐渐减小,初始温度越低,内部温升越大,样品模具接触面和中心的温差越大;从应变场分布可以发现温度较低时,变形不均匀,变形抗力越大,最大等效应变越大。这是因为温度较低时,合金的变形抗力更大,外部输入的能量增加,形变能转变的热量增加,坯料温升增加,降低了坯料内部的温度均匀性。当在相同应变速率下,变形温度越高,再结晶晶粒长大驱动力越高,晶粒长大越剧烈,晶粒尺寸越大。
图3为变形温度为1 050℃,不同应变速率下热变形过程中温度场和应变场以及晶粒组织分布,坯料内部的温度和应变呈现“X”型分布,中心温度和应变最高。对于应变速率为0.1 s-1和1 s-1的情况,内部温升远小于应变速率为10 s-1条件下的绝热温升。且所有条件下靠近模具区域的温升小于边缘和中心区域,这与材料的塑性变形量和从表面到中心的传热条件有关,靠近模具的区域温度最低,这是由于塑性变形量和相关热量产生最低,且模具与工件界面处向模具的传热较高。相反,中心区塑性变形强烈,绝热加热强烈,传热较弱,因此表现出最高温度。模拟结果对晶粒组织的变化进行了很好的验证,应变速率越低,晶粒长大时间越长,内部再结晶体积分数越高。
2.2 镦粗过程模拟分析
(1)不同初始温度对镦粗的影响
通过以上研究发现,温度和等效应变是影响高温合金组织和性能的重要因素,选择合理的温度能显著提高锻造的效率,获得满足工艺生产要求的锻件。不同初始锻造温度对锻造内外的温度场分布规律接近,如图4所示。同时能够观察到内部温升情况,在1 000℃时的温升最高,随着坯料初始温度的升高,内部温升越小;而与上下模具接触的部分发生热交换,会有明显的温降。如图4所示的P1节点位置处的温度变化,最终的温降可达250℃左右;与空气接触的坯料周围表面发生热辐射散热,温降在30～40℃之间,如图4所示的P3点温度变化情况。整体铸锭的温度场呈现从外表面到内部温度逐渐升高的趋势。在实际生产中由于无法避免的换热从而导致的温降,一般需要通过重新回炉加热,使铸锭温度场分布均匀,再进行下一步拔长的工序。
(a)初始温度1 000℃时 (b)初始温度1 050℃时 (c)初始温度1 100℃时
图4 不同初始温度下的温度变化情况
Figure 4 Temperature changes at different initial temperatures
等效应变的大小是评价锻件锻透性的重要指标,一定的应变量能明显促进晶粒细化,提高锻件的力学性能。铸锭等效应变分布受初始温度影响情况如图5所示。坯料的上下表面由于受端面与模具的摩擦力和温降的影响,流动性较差,所以会导致端面的应变较小,坯料内部没有端面摩擦力的限制,且内部温度场分布均匀,基本没发生温降,金属流动性好有利于发生变形,故变形程度最大。同时,由图5所知初始温度的增加大大促进了金属流动性,从而使变形应变量增加,整个铸锭的应变分布遵循由铸锭内部到铸锭外围应变逐渐减小的规律,铸锭两端由于较小的变形量,是铸锭的变形死区,因此需要通过拔长工序减少变形死区的分布。
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(a)初始温度1 000℃时 (b)初始温度1 050℃时 (c)初始温度1 100℃时
图5 不同初始温度下的等效应变变化情况
Figure 5 Equivalent strain changes at different initial temperatures
(2)不同压下速率对镦粗的影响
如图6所示为镦粗过程中铸锭不同压下速率的温度场分布,不同压下速率的温度场分布规律基本相同,坯料内部温度均较初始温度高,随着应变速率的增加,坯料内部产生的变形热来不及消散,坯料心部产生的温升逐渐增加,同时还使上下模具与坯料接触的时间缩短,各个面的温降也相对较小;在坯料的上下表面由于与模具的接触换热导致温降较大,坯料的周围表面与空气进行换热导致有小程度的温降。
(a)压下速率10 mm∕s时 (b)压下速率30 mm∕s时 (c)压下速率50 mm∕s时
图6 不同压下速率下的温度变化情况
Figure 6 Temperature changes at different reduction rates
铸锭镦粗过程中等效应变分布受压下速率的影响如图7所示,由于原始坯料的高径比在2～3之间,在镦粗的过程中坯料出现了双鼓肚的形式,应变最高的区域集中在双鼓肚出现的部位;坯料的上下表面一方面由于铸锭与模具之间的摩擦力作用导致金属很难向四周流动,另一方面上下端面的温降也使得金属流动性变差,从而使得上下表面的应变很小,属于铸锭的变形死区部位;随着应变速率的增加,金属内部产生的最大应变也逐渐增加。
(a)压下速率10 mm∕s时 (b)压下速率30 mm∕s时 (c)压下速率50 mm∕s时
图7 不同应变速率下的应变变化情况
Figure 7 Strain changes at different strain rates
2.3 拔长过程模拟
(1)道次压下量有限元模拟研究
为了探究不同道次压下量对拔长成形过程中温度场和应变场的影响,本文选择50 mm/道次、100 mm/道次、200 mm/道次三个压下量进行模拟分析,变形条件为上下砧初始温度为300℃,进给量为450 mm,砧子压下速率为100 mm/s,坯料加热温度为1 050℃,坯料横截面由∅1 150 mm圆形变形至950 mm方坯,主要分析压下量对坯料温度场、应变场的影响。如图8所示,当其他模拟参数不变,减小道次压下量能够显著提高坯料内部应变分布均匀性;由于坯料锻造时延长,砧子相对于坯料表面位置发生变动,从而改变了不同道次间变形死区的位置,进而提高应变的均匀性;同时能够看到,随着道次压下量的增加,坯料内部的等效应变呈现出先减小后增加的趋势,变形量由50 mm/道次到100 mm/道次变形的均匀性起到主要作用,当100 mm/道次到200 mm/道次时,一次进行大的变形量导致变形抗力增加,从而使得表面和内部具有比较高的应变分布。
(a)道次压下量50 mm时 (b)道次压下量100 mm时 (c)道次压下量200 mm时
图8 不同道次压下量下铸锭应变场分布
Figure 8 Strain field distribution of ingots under different pass reductions
如图9所示不同压下量的变形过程能够看到,坯料内部的温度场由于受到金属变形过程中流动变形的影响大致呈现“X”型分布。随着变形的增加,坯料内部的形变逐渐累积,塑性变形所转化的热量增加,使得材料心部的温度升高。
(a)道次压下量50 mm时 (b)道次压下量100 mm时 (c)道次压下量200 mm时
图9 不同道次压下量下铸锭温度场分布
Figure 9 Temperature field distribution of ingots under different pass reductions
当道次压下量增加时,表面单次下压的接触时间增加,使得表面温度大幅下降,且单次压下量小,产生的变形热少,所以不论是坯料表面还是坯料心部的温度均有一定程度的降低,而当增加道次压下量时,坯料表面与上下模具进行热交换,内部的温度转移到坯料表面的时间也不充足,从而使铸锭表面发生较为严重的温降,而心部由于大变形产生的变形热增加,从而使得内外之间的温度差增大。
(2)进给量有限元模拟研究
进给量也是拔长过程中非常重要的影响因素,如图10所示,随着进给量的增加,变形主要集中在坯料的表面,中心的变形较小,坯料表面的应变逐渐减小,锻透深度减小,同时变形过程应变分布不均匀也会导致后续加工裂纹的产生。进给量较小时,每次变形的金属体积较小,从而不会有较大的变形死区,变形区应变较大,使锻透深度达到更大的值,应变的分布均匀性随着进给量减小而增加。除以上结果外还能看到应变最大值出现在接砧处,这主要由于在前一砧的变形边缘位置处,在下一砧变形的时候仍然会在相同的位置再一次发生变形,也就是在接砧区发生两次变形,因此导致在接砧处应变较高。
(a)进给量300 mm时 (b)进给量450 mm时 (c)进给量600 mm时
图10 不同进给量下铸锭应变场分布
Figure 10 Strain field distribution of ingots under different feed rates
如图11所示,随着进给量增加,坯料的整体温度升高,最低温度先上升后减小趋势明显,最高温度先减小后增加。较小的进给量使锻造时间增加,导致表面热损失较大,但同时也会增加变形抗力,使得表面和中心区域之间形成一片连续的高温区域。较大的进给量能够明显提高锻造效率,使得锻造的时间大幅缩短,从而减少坯料表面的热量损失。同时,接砧处较小的重复率使得产生的变形热也较小,高温分布区域因此明显较小。
(a)进给量为300 mm时 (b)进给量为450 mm时 (c)进给量为600 mm时
图11 不同进给量下铸锭温度场分布
Figure 11 Temperature field distribution of ingots under different feed rates
(3)压下速率有限元模拟研究
图12所示,随着压下速率的增大,坯料与模具之间的热交换较少,坯料表面的温降较低,坯料内部温度分布更加均匀。低应变速率下的最低温度小于高应变速率下的最低温度,坯料表面和心部的温差较小。同时,还能观察到,在低压下速率时,坯料中心和表面区域形成较大区域的“X”型高温区,而并未在中心区域形成高温区。
(a)道次压下速率为50 mm∕s时 (b)道次压下速率为100 mm∕s时 (c)道次压下速率为150 mm∕s时
图12 不同道次压下速率下铸锭温度场分布
Figure 12 Temperature field distribution of ingots under different pass reduction rates
图13显示,当压下量相同时,材料内部的应变分布呈现为“X”型,当压下速率增加时,材料表面的应变呈现出先减小后增大的趋势。当应变速率由50 mm/s增加到100 mm/s时,材料表面的应变有所减小,同时材料内部的应变也呈现出减小的趋势;当应变速率由100 mm/s增加到150 mm/s时,材料表面和内部的应变均有比较明显的提升。
(a)道次压下速率50 mm∕s时 (b)道次压下速率100 mm∕s (c)道次压下速率150 mm∕s时
图13 不同道次压下速率下铸锭应变场分布
Figure 13 Strain field distribution of ingots under different pass reduction rates
当变形速率由50 mm/s增加到100 mm/s时,由于应变速率较低,上砧与坯料表面的接触时间较长,且两者存在一定的温度梯度,导致表面温降严重。从而使得在较低变形速率下,温降导致的变形抗力增大。由于金属的流动性,表面和心部的应变也随之明显增大。当应变速率进一步增加时,由变形速率增加导致的变形抗力的增加是材料的表面和心部应变明显增加的主要原因。
(4)加热温度有限元模拟研究
如图14所示,坯料在快锻机上变形时,坯料内部温度呈现“X”型升高,在金属流动剧烈的地方,温度升高明显,坯料心部在变形时产生较明显的交叉错动,位错发生交滑移,消耗变形能,转化为更多的热量;坯料表面由于与砧子接触换热,从而加快了热量损失,最后导致温度下降。当加热温度不同时,坯料内部的温升也不同。随着坯料初始温度升高,加剧了铸锭表面与空气的热交换,从而在铸锭心部和表面温差变大,但同时由于变形抗力的减小所产生的温升也会有不同程度的减小,在初始温度为1 020℃时,坯料内部升温达到20℃,而初始温度为1 050℃和1 080℃时,坯料内部的升温一般在10℃以内,坯料内部的温度均匀性提高。如图15所示,坯料在前后砧之间的重合位置处的等效应变值最大,这是由于在接砧处发生两次变形,从而产生较大的应变。随着初始拔长温度的升高,大大提高了金属在热变形过程中的流动性,铸锭内部的变形也越均匀,等效应变越大。同时,合金的应变分布一定程度上还受再结晶的影响。当温度升高时,再结晶更容易发生,使金属塑性变好,更容易发生变形,从而使得铸锭心部的等效应变更大且分布更加均匀。
(a)初始温度1 020℃时 (b)初始温度1 050℃ (c)初始温度1 080℃时
图14 不同初始温度下铸锭温度场分布
Figure 14 Temperature field distribution of ingots at different initial temperatures
(a)初始温度1 020℃时 (b)初始温度1 050℃时 (c)初始温度1 080℃时
图15 不同初始温度下铸锭应变场分布
Figure 15 Strain field distribution of ingots at different initial temperatures
3 结论
(1)镦粗过程中,坯料的初始温度越高,内部温升越低,等效应变越高,再结晶体积分数越大。随着压下速率的增加,内部的最大等效应变增大,再结晶体积分数减小。
(2)拔长过程中,随着道次压下量的增加,坯料内部的等效应变和温度场先减小后增加,再结晶区域在压下量较小时更大;随着进给量减小,应变的分布更均匀,高温区域分布较小,坯料表面再结晶更加均匀。
(3)拔长过程中,随着压下速率的减小,温度分布不均匀,容易引起开裂;随着坯料初始温度升高,坯料内部的等效应变增加,表面等效应变先减小后增大,再结晶区域更加均匀。
文章引用：张子越, 姚志浩, 姚凯俊等. 大型GH4169高温合金铸锭开坯模拟研究[J]. 大型铸锻件, 2024, (5)
