基于deform高温合金的加热工序研究分析与加工工艺参数分析
摘 要
高温合金是航空、航天和核工业中重要的结构材料，以其优异的高温力学性能，被广泛用于制造航空发动机的各类部件。高温合金螺栓类紧固件成形主要分为两部分：螺栓头部的加热成形和螺纹部分的滚压加工。加热成形是指将坯料加热到一定温度，然后再进行镦锻的一种加工方式。紧固件经加热成形后，力学性能优异，金属流线完整且沿产品外形分布，综合性能好，疲劳强度高。
本课题进行了 合金在温度为 1000~1160℃，应变速率为 0.01~10s-1 范围内的热压缩模拟试验，阐明了工艺参数对流变应力的影响规律，通过引入加工硬化指数，建立动态再结晶临界发生模型。揭示了应变速率（ ）和温度
（ T ）对力学特征的影响规律。
运用有限元模拟技术对 高温合金螺栓的加热工艺过程进行模拟，分析工艺参数对应力场、应变场、温度场和损伤值的影响规律，进而指导工业生产。本文还就单工序与多工序成形对 高温合金螺栓加热成形的影响进行模拟研究，其结论为单工序成形比多工序成形更适合 高温合金螺栓的加热成形。
关键词：合金；热变形行为；本构方程；有限元模拟
Abstract
Superalloy is an important structural material in aviation, aerospace and nuclear industry. With its excellent high-temperature mechanical properties, it is widely used in the manufacture of various parts of aero-engine. The forming of high temperature alloy bolt fastener is mainly divided into two parts: hot upsetting forming of bolt head and rolling processing of thread part. Hot upsetting is a kind of processing method that the billet is heated to a certain temperature and then upsetting. After hot upsetting, the fastener has excellent mechanical properties, complete metal flow line, good comprehensive properties and high fatigue strength.
The hot compression simulation test of alloy was carried out in the temperature range of 1000 ~ 1160 ℃ and the strain rate range of 0.01 ~ 10s-1. The influence of process parameters on flow stress was clarified. The dynamic recrystallization critical occurrence model was established by introducing work hardening index. The strain rate () and temperature are revealed
(T) The law of influence on mechanical characteristics.
The hot upsetting process of superalloy bolt was simulated by using finite element simulation technology, and the influence of process parameters on stress field, strain field, temperature field and damage value was analyzed, so as to guide industrial production. The results show that the single process forming is more suitable for the hot upsetting of superalloy bolts than the multi process forming.
Key words: alloy; hot deformation behavior; constitutive equation; finite element simulation
目录
第 1 章 绪 论 3
1.1 引言 3
1.2 研究背景及意义 6
1.3 高温合金的研究 6
1.3.1 高温合金发展历程及研究现状 6
1.3.2 高温合金在航空发动机领域的应用 9
第 2 章 试验材料及试验方法 10
2.1 试验材料及制备 10
2.2 试验原理及设备 12
2.3 试验方案 12
第 3 章 合金热变形行为研究 14
3.1 引言 14
3.2 应力应变曲线 14
3.3 合金流动应力软化研究 16
3.3.1 热激活能 16
3.3.2 动态再结晶临界发生条件 19
3.4 热加工工艺参数对力学性能的影响 19
3.4.1 变形温度对力学性能的影响 20
3.4.2 应变速率对力学性能的影响 20
第 4 章 DEFORM-3D高温合金加工工艺参数分析 22
4.1 引言 22
4.2 有限元模型的建立 22
4.3 螺栓加热工艺有限元模拟研究 24
4.4 工艺参数对加热成形过程的影响 27
参考文献 35
第 1 章 绪 论
1.1引言
近年来，中国航空工业的快速发展使得我国飞机走向高性能化。航空发动机作为飞机的心脏，具有高度的复杂性和精密性，被誉为“工业之花”，它是国家科学、技术、工业和国防能力的重要体现，直接影响飞机的性能、经济性和可靠性。新一代航空发动机重量比的增加恶化了涡轮发动机内部的工作环境。除了高比强度和优异的机械性能外，航空飞机上选用的材料还需要优异的高温性能[1]。随着航空航天领域的发展和进步，对金属材料的要求已不仅仅是能够满足在常温下正常工作，还要求其在高温下具有良好的服役性能。金属材料的性质会随着温度的上升发生显著地变化，尤其是强度会急剧下降，塑性增加。当金属材料在被加热时，材料内部的微观组织会产生变化，原子活动能力增强，扩散加剧，回复和再结晶等会使基体软化。此外，在某些高温合金中，新相的析出也能够阻碍位错的滑移，继而增强合金的强度。
高温合金多以铁、钴、镍等金属为基，其抗氧化性、抗腐蚀性、抗蠕变性及
耐疲劳性能佳，在高温下服役时间长。对于航空航天事业所选择的材料而言，镍基高温合金所占的比例是 55%到 65%，作为航空用结构材料，其直到现在依旧使用最为广泛[2]。镍为面心立方结构，相对于体心立方结构具有更好的耐高温强度，高温下的钴元素也为体心立方结构。常见的高温合金中镍元素和钴元素含量如表 1-1 所示[3]。镍具有良好的化学稳定性，在 500℃下几乎不会产生氧化，且在常温下，不易被盐水等腐蚀。
合金是一种 相沉淀硬化型镍基高温合金，当温度不超过 760℃时抗拉强度高，当温度不超过 870℃时，抗氧化能力佳。该合金所具备的特点为良好的强韧化匹配，也就是说，当处于高强度条件下时，合金的韧性也足够，在耐高温宇航结构材料领域中具有很好的应用前景，可广泛用于叶片、涡轮盘、涡轮杆及航空发动机的盘件、紧固件等热端部件。
由于高温合金中合金元素含量高以及变形过程中增强相大量析出等原因，合金热加工温度窗口窄，塑性变形性能降低，因此研究高温合金热变形行为是十分必要的[4]。作为难变形的镍基高温合金，合金同样因较高的合金化程度导致了塑性加工能力较差，其工艺性对热加工工艺参数很敏感，其化学质量分数如表 1-2 所示[5]。由于航空用零件的性能需求高，必须寻求合金组织精确可控的变
形工艺，从而经济高效地得到性能稳定的合金。因此，通过对 合金的热加工工艺参数优化，进而控制微观组织结构的研究是该合金领域的重点和热点。
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