GH720Li高温合金流动软化行为及开坯过程数值模拟

发布时间：2020-08-03 18:25

【摘要】：随着宇航发动机技术的逐渐成熟,飞机的性能不断提高,传统发动机用材料开始难以满足对耐受更高温度的需求,而GH720Li合金是一种新型时效强化型变形高温合金。与传统变形镍基高温合金相比,GH720Li合金的使用温度可达到750℃,因此是极具潜力的耐高温宇航用结构材料,可广泛应用于新一代航空发动机涡轮盘中。但是由于合金化严重,增强相数量较多,GH720Li合金塑性加工能力较差,热变形过程很容易开裂。开坯是一种改善组织提高热加工塑性的重要方法,开坯可以打碎组织内粗大的铸造枝晶组织,细化晶粒,使组织分布更加均匀,同时也可以消除铸锭内部的空洞、缩松、夹杂等缺陷,使材料性能更加稳定。因此有必要对此合金开坯过程进行研究,探究其高温条件下变形行为。本文对GH720Li合金铸锭不同部位进行取样,在温度为1080~1180℃,应变速率为0.01~10s-1范围内进行热压缩模拟试验,揭示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、动力学模型和晶粒长大模型。阐明初始组织、应变速率(e)、温度(T)对力学特征和显微组织演化的影响规律,发现T升高和e降低会使峰值应力和稳态应力下降,同时也会造成晶粒尺寸变大。而初始晶粒尺寸对稳态应力影响不大。当温度超过1140℃时,晶粒开始显著长大,并发生二次再结晶。温度升高会使尺寸较小的增强相发生回溶,尺寸较大的相任保留在组织中。以动态材料模型和失稳判据为基础构建三维热加工图,发现应变速率敏感因子不但受到温度影响较大,而且随着应变速率的增大而先增大后减小,分析了热加工图的失稳、安全、高低功率耗散区域,优化热加工参数,选择避免缺陷。晶粒尺寸细小,组织均匀的热加工区域为1120-1130℃/0.01-0.1s-1。运用有限元模拟技术模拟不同砧型和三种重要拔长工艺参数条件下的开坯过程,分析工艺参数和砧型对应力、应变场、温度场、动态再结晶体积分数和开裂的影响规律,确定优化工艺参数为压下量为50mm,进给量为100mm,下压速度为30mm/s。并进行了实际的开坯工艺试验,发现组织分布匀称,晶粒尺寸细小,原始铸态组织已经全部消失,铸造的空洞等缺陷也基本消除,坯料的锻透性良好,表面无开裂裂纹。开坯试验结果有效地验证了数值模拟工艺参数优化的准确性和可靠性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.3
【图文】：

倍数,平衡相,γ′相

图 1-1 GH720Li 的平衡相及其质量分数：(a)较低倍数; (b)较高倍数[3]1.3.2 GH720Li 合金研究现状目前，关于GH720Li合金热处理组织演变的研究中，剑桥大学Jackson等[11]对不同热处理工艺参数下材料的组织进行分析，系统的阐述了γ′增强相溶解和析出动力学。韩国材料研究院Y.S. Na等[12]研究了GH720Li合金在不同热处理制度下一次γ′强化相的形态及沉淀机制。曼彻斯特大学E.M. Francis等[13]用中子衍射试验研究沉淀相γ′的尺寸对变形行为的影响，发现γ和γ′相在晶粒尺寸相对细小的γ′相显微组织中共同变形，而在晶粒尺寸粗大的γ′相组织中几乎不发生变形。有关GH720Li热变形和动态再结晶行为(DRX)的研究中，法国巴黎高等矿业学校的Bozzolo等[14]研究了合金塑性变形过程中DRX对晶界结构的影响，印度国防冶金实验室Gopinath[15]认为合金在温度为1125℃以上塑性变形时，软化机制以再结晶为主，Bi等[16]则建立了有限元模型，用数值模拟的方法模拟了GH720Li合金的高温塑性变形行为。Yu等[17]对GH720Li合金试样在温度区间为1070-1190℃内进行热压

应力曲线,动态回复,应力曲线,再结晶

图 1-2 动态回复型与再结晶型应力曲线型曲线一般分为三个进程：微应变、均匀变形和稳态流应力随应变量的小幅度增长而迅速增长，加工硬化现象变形发生时，组织内的位错密度逐渐的增长，位错运动生位错塞积、缠结等障碍，限制了位错的更深入的运动。在第二阶段，曲线斜率逐渐下降，金属材料发生均匀发生，表现为出现某些亚结构的变化，逐渐增强的软化硬化产生的残余应力，使曲线的斜率下降并最终趋于水在稳态变形阶段，由塑性形变产生的加工硬化与动态回力不再继续增大，曲线维持在水平状态，此时的饱和应。结晶型曲线也可以分为三个阶段，分别为：动态回复、段[27]。第一阶段与动态回复型曲线的微应变阶段大致一地位，但是在此阶段就已经发生动态回复并软化作用不

零件生产,过程,开坯,自由锻

图 1-3 零件生产过程一般流程何形状，开坯锻件一般可以分为轴类、板类和饼以分为挤压开坯、扎制开坯、自由锻开坯及复合料受到三向压应力的状态，因此可以很好的提高很大，可以有效的打碎原始粗大铸态晶粒，形成后的材料的塑性加工型大幅度提高。但是需要注力虽然有利于变形，但是会使载荷迅速增大，因制[34]。并且，挤压塑性变形过程中会使材料内部部熔化、过烧等缺陷，同时剧烈摩擦产生的高温降低。是高温合金铸锭开坯的有效手段，其中，合金铸开坯。相对于自由锻的三向应变，只需要平面应较低。通过及时控制变形过程中裂纹的产生，可过程中沿着横截面分布的变形组织均匀性得到明

【参考文献】