IN718合金环件径轴向轧制微观组织演变建模与仿真研究

发布时间：2017-12-15 07:13

  本文关键词：IN718合金环件径轴向轧制微观组织演变建模与仿真研究

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【摘要】：IN718合金环件是一种大量应用在航空发动机、火箭引擎、核反应堆等温度高受力复杂的关键零部件,对其性能有很高的要求。环件径轴向轧制成形是生产IN718环件最主要的工艺方法。轧制过程中材料发生的动态再结晶和变形滞留期间的亚动态再结晶及晶粒长大是环件晶粒细化的主要组织演变过程。由于环件径轴向轧制复杂的动态局部变形和变化的成形条件使组织调控变得很困难,容易出现晶粒粗大和混晶等组织缺陷,影响零件的机械性能。本课题主要围绕IN718合金环件径轴向轧制成形中的组织演变相关的工程科学问题和技术难点开展研究。首先,通过高温压缩实验、变形退火实验和静态保温实验分别研究IN718合金的高温变形和动态再结晶行为、亚动态再结晶行为和静态晶粒长大规律。基于实验揭示的热变形行为和微观组织演变机理,建立了一套基于物理意义内变量的IN718合金统一本构模型,用以描述高温变形过程和变形过后退火期间的流动应力和微观组织演变。模型可以描述位错密度、动态再结晶、晶粒尺寸之间的相互作用以及微观组织对流动应力的影响。此外,考虑δ相粒子钉扎作用,建立了 IN718合金δ相溶解区和析出区的晶粒静态长大模型。模型对高温变形过程、变形退火过程中的流动应力和再结晶分数有良好的预测效果。流动应力和再结晶分数的预测值与实验值之间的相关系数和平均绝对相对误差分别为0.994、5.82%和0.988、7.54%。此外,在瞬态变形条件下,建立的统一本构模型依然具有良好的预测效果。以环件直径均增大为稳定轧制条件,推导了稳定轧制条件下的径轴向协同进给方程。确定了驱动辊转速、锥辊转速、跟随轧制速度和环件长大速度的合理范围。采用弹性预测-径向返回算法,通过VUMAT用户材料子程序和VUAMP运动控制子程序建立了轧辊自适应控制的IN718合金环件径轴向轧制成形的多场耦合有限元模型。进行了 IN718合金环件径轴向轧制实验,通过实验和有限元模拟结果对比可知,建立的多场耦合有限元模型可有效的预测IN718合金环件径轴向轧制过程中的环件直径、轧制力等宏观变形行为以及再结晶分数、晶粒尺寸等微观组织演变。通过有限元模拟研究了芯辊直径、驱动辊直径、加热温度、轧制比和环件长大速度对IN718合金环件径轴向轧制成形微观组织的影响规律。结果表明:增大芯辊直径,有利于截面中间区域的再结晶,组织变均匀。驱动辊直径增大使表层变形增大,中间区域变形减小,使晶粒尺寸平均值增大而且分布更不均匀。在1020℃C和1040℃C加热时,因为δ相完全溶解使环件轧制的初始晶粒尺寸变大。导致轧制后的晶粒尺寸平均值增大且分布不均匀。因此1000℃C是IN718合金环件最终道次轧制比较合适的加热温度。轧制比较小时(1.333,1.429),再结晶只在环件表层发生,组织变得不均匀。轧制比较大时(1.546,1.667),增大轧制比使组织均匀性提高。提高环件长大速度促进截面中间区域再结晶的发生,有利于环件整体晶粒细化和均匀分布。建立了 IN718合金环件晶粒尺寸平均值和标准偏差随工艺参数变化的响应面模型。分析了环件晶粒尺寸平均值和标准偏差随芯辊直径、驱动辊直径、环件长大速度和轧制比的变化规律。采用NSGA-Ⅱ遗传优化算法,以降低环件晶粒尺寸平均值和标准偏差为目标,对轧制工艺参数进行了优化。优化得到的驱动辊直径、环件长大速度和轧制比分别为735 mm,7.5 mm/s和1.667。芯辊直径有多组解,且在158 mm～200mm之间,模拟计算结果与响应面预测值吻合良好。与轧制实验的模拟结果对比发现优化后的环件晶粒尺寸平均值和标准偏差下降。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG335

【参考文献】

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本文编号：1291050