熱等靜壓近凈成形Inconel625渦輪盤數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、熱等靜壓近凈成形(NNS-HIP)技術(shù)能一次整體成形出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鎳基高溫合金渦輪盤,具有制件致密、力學(xué)性能優(yōu)良、節(jié)約材料等優(yōu)點(diǎn)。在NNS-HIP過(guò)程中,粉末受壓收縮比例大,并伴隨不規(guī)則大變形。利用數(shù)值模擬預(yù)測(cè)粉末致密化和包套形變規(guī)律,從而優(yōu)化包套結(jié)構(gòu)是必不可少的環(huán)節(jié)。但是,HIP過(guò)程中粉末可壓縮、變形大、邊界可變,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確模擬在本構(gòu)模型、材料參數(shù)、有限元求解等方面有待深入和系統(tǒng)研究。本文以Inconel625粉末為成形材料,應(yīng)

2、用HIP整體近凈成形復(fù)雜渦輪盤零件,利用數(shù)值模擬優(yōu)化包套結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,詳細(xì)表征和分析了HIP成形制件的組織與力學(xué)性能。具體內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　在連續(xù)介質(zhì)塑性理論基礎(chǔ)上,探討了多孔體的可壓縮性對(duì)其本構(gòu)模型的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)Abouaf修正后的Shima模型能準(zhǔn)確描述HIP中粉末體的流變行為,該模型引入了應(yīng)力偏張量修正因子β和靜水壓力修正因子γ兩個(gè)密度相關(guān)的參數(shù)來(lái)描述孔隙率對(duì)本構(gòu)方程的影響。此外,為了考慮蠕變對(duì)本構(gòu)方程的影響,

3、本文選取了修正后的Raboin的雙曲正弦冪律蠕變模型來(lái)描述粉末在高溫下的粘塑性流變行為。
　　為了確定Inconel625的本構(gòu)方程,本文通過(guò)HIP中斷試驗(yàn),獲得了不同致密度試樣。通過(guò)致密體的高溫壓縮實(shí)驗(yàn),用最小二乘法擬合得到合金的Zener-Hollomon參數(shù)的表達(dá)式,該參數(shù)反應(yīng)了溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變率,在此基礎(chǔ)上建立了Inconel625高溫下的等效應(yīng)變率與等效應(yīng)力關(guān)系;通過(guò)HIP實(shí)驗(yàn)得到了粉末致密度、致密化速率和靜水壓力隨時(shí)間的

4、變化曲線,推導(dǎo)出了γ的表達(dá)式,該參數(shù)決定了本構(gòu)方程中靜水壓力部分的表達(dá)形式;通過(guò)多孔體的壓縮實(shí)驗(yàn)得到了β的表達(dá)式,該參數(shù)決定了粉末本構(gòu)方程中應(yīng)力偏張量部分的表達(dá)形式。
　　利用有限元程序MSC.Marc,模擬了“隨形”和“上下對(duì)稱”兩種包套方案下的HIP近凈成形渦輪盤過(guò)程,發(fā)現(xiàn)“隨形”方案型芯變形大,粉末致密度低,“上下對(duì)稱”方案控形好,粉末致密度高。模擬結(jié)果表明:薄壁軟鋼包套受壓變形大,驅(qū)動(dòng)粉末致密化,“上下對(duì)稱”方案中大體積型

5、芯基本不變形,達(dá)到了渦輪盤內(nèi)部復(fù)雜流道控形的目的;包套變形經(jīng)歷了彈性變形、塑性屈服、時(shí)效強(qiáng)化、高溫屈服和殘余應(yīng)力幾個(gè)階段;粉末先膨脹后分段致密化,呈現(xiàn)非定向復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律。選取“上下對(duì)稱”方案進(jìn)行HIP實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)模擬與實(shí)驗(yàn)吻合較好,表明數(shù)值模擬能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)包套變形和粉末致密化規(guī)律,指導(dǎo)HIP近凈成形的包套設(shè)計(jì)。
　　分析了HIP成形Inconel625制件的室溫力學(xué)性能,結(jié)果顯示:退火態(tài)試樣拉伸強(qiáng)度比ASTM同質(zhì)鍛件標(biāo)準(zhǔn)高264MP

6、a,但塑性較差,斷后延伸率僅為16％。其微觀組織SEM圖表明:HIP成形的Inconel625合金晶粒細(xì)小(30μm左右),主要是由基體相γ、強(qiáng)化相?'和MC型碳化物組成。為了改善HIP制件的塑性,對(duì)試樣進(jìn)行了固溶和時(shí)效處理,結(jié)果表明:固溶處理后合金的塑性提升了52.5%,拉升強(qiáng)度降低了161MPa,其斷口及微觀組織SEM圖表明,固溶狀態(tài)下針狀強(qiáng)化相'全部溶解于基體中,碳化物硬脆相由鏈狀分布變?yōu)閺浬⒎植?合金組織均勻,塑性良好;時(shí)效處理

7、后合金的塑性提升12.5%,拉升強(qiáng)度降低了35MPa,其斷口及微觀組織SEM圖表明,時(shí)效過(guò)程中,Nb和Mo會(huì)在Ni基體中析出,形成針狀?'相,同時(shí)硬脆的碳化物在晶界處大量析出,導(dǎo)致合金的塑性提升有限。
　　綜上所述,本文通過(guò)選取合適的粉末本構(gòu)模型,實(shí)驗(yàn)獲得了Inconel625合金粉末HIP的本構(gòu)方程,利用有限元程序MSC.Marc實(shí)現(xiàn)了HIP近凈成形復(fù)雜渦輪盤零件的數(shù)值模擬,通過(guò)模擬預(yù)測(cè)選取了合適的包套方案,分析了HIP過(guò)程中包