镍基高温合金热挤压工艺数值模拟

摘 要：采用数值模拟方法对镍基高温合金热挤压棒材晶粒尺寸及热挤压载荷进行了研究。为了获得需要的晶粒尺寸和挤压载荷，对工艺参数及模具参数进行优化设计。实验结果显示，将330mm的IN718高温合金坯料初始温度设为1000℃，模角角度为45?，可以使热挤压棒材平均晶粒尺寸达到10μm以下，挤压载荷不超过6000t。

关键词：镍基高温合金；热挤压；有限元模拟；受力分析

高合金化的高温合金具有优异的高温力学性能，但是其热加工性能差，锻造时容易产生开裂。热挤压工艺能够使高温合金既可以产生大应变量的变形，又能有效改善组织，是一种优良的改善热加工性能的方法。

数值模拟是一种可以对热变形工艺进行优化设计的重要方法，有效节约成本，节约设计时间。与实际的热挤压实验相比，数值模拟能够很容易地获得热变形过程中温度、应变率、应变量等参数，还能对挤压过程中的坯料进行金属流动性分析和受力分析，能够对整个热挤压过程有详细的了解，从而对热挤压过程进行控制，优化工艺及模具参数。朱兴林等对FGH96粉高合金的包覆热挤压工艺进行有限元模拟，对模具参数进行优化设计。Bai Q 等通过实验和有限元模拟方法对FGH96高温合金粉末锻造的组织演变和致密度进行了研究，模拟结果能够很好的与实验结果相吻合。Yeom J T等通过实验分析和有限元模拟方法对IN718高温合金锭开坯的组织演变进行了研究，模拟结果与实验结果一致。综上所述，有限元模拟是对热变形工艺设计和控制的一种非常有效的方法。

本文采用DEFORM v10.2对IN718合金热挤压过程进行有限元模拟。选择软件数据库中的IN718高温合金作为热挤压材料。热挤压过程中，挤压坯料表面应变量非常大，为了避免由于大应变产生挤压棒材表面开裂，会在高温合金坯料表面加一层塑性较好的不锈钢包套进行保护。选择软件数据库中的304不锈钢作为包套材料。通过有限元模拟方法，对带有304不锈钢包套的IN718合金热挤压棒材平均晶粒尺寸以及稳定热挤压阶段坯料受力进行了分析，为IN718高温合金热挤压工艺和模具优化设计提供依据。

1 实验条件

有限元模拟软件为DEFORM-2D v10.2，采用轴对称几何模型，模式为变形与热传递，模具为刚体，坯料和包套为塑性体。为了简化问题分析过程，仅考虑坯料、包套、模具间摩擦和热交换，忽略其他可能存在的界面相互作用。几何模型如图1所示，其中深色的为IN718高温合金，浅色的304不锈钢包套和前后垫焊为一体，挤压杆简化为上方的线框，挤压筒与模具简化为左右两侧的线框。高温合金坯料直径为330mm，包套厚度为15mm．前垫厚度60mm，后垫厚度40mm。模具为平模，即模角为90?，入口圆角半径为20mm，定径带长度为50mm，挤压筒直径为360mm，定径带半径为147mm，对应的挤压比为6：1。挤压筒与模具初始温度为300℃，包套与挤压筒、模具等的摩擦因子为0.1，传热系数为2000W/(m??K)。包套与坯料初始温度为1100℃．包套坯料问为冶金结合，挤压速度为20mm/s。

2 结果与讨论

2.1 工艺参数优化

平均晶粒尺寸云图如图2(a)所示。模拟结果平均晶粒尺寸约为46.3μm，与文献中IN718合金热变形实验结果相吻合。

在热挤压过程中，高温合金坯料开始变形（应变量=0.1）至变形结束（应变量不再随行程改变）这段区域为变形区，如图3所示。在变形区内，温度约为1150℃，应变速率约为4.7s-1，应变量约为1.8，代人数据库材料晶粒模型中的动态再结晶模型，式1，得到该工艺条件下的平均晶粒尺寸。

由数据库材料晶粒模型中的动态再结晶模型可知，再结晶晶粒尺寸随变形温度的升高而增大，随应变速率的增加而减小，所以，为了减小晶粒尺寸，应该降低坯料初始温度以及增加挤压速度。式(1)中应变速率喜的指数 m=-0.028，所以增加挤压速度对细化晶粒影响较小，应该以降低坯料初始温度为主要减小晶粒尺寸的手段。

将坯料初始温度设为1000℃，挤压棒材平均晶粒尺寸如图2(b)所示，平均尺寸约为8.4μm，得到了我们所需要的晶粒度。有限元模拟结果与文献中IN718合金热变形实验结果一致。由数据库材料的应力应变曲线可知，降低坯料初始温度会加大热挤压载荷，为保证热挤压工艺顺利进行，稳定挤压阶段载荷值不可过高。热挤压过程有三个阶段（如图4所示）：开始阶段载荷随行程逐渐增加；在稳定挤压阶段，芯料和包套材料稳定地流动出加工带，载荷稳定；结束阶段，载荷逐渐下降。当坯料初始温度为1000℃，挤压速度为20mm/s时，热挤压平稳阶段所需要的载荷为6590t，超出大型热挤压机提供的最大载荷(6000t)，所以要设法降低挤压载荷。

2.2 模具参数优化

对挤压过程进行受力分析，如图5所示。在稳定挤压阶段，芯料和包套材料稳定地流动出加工带，载荷稳定。变形区内坯料与包套达到稳定流动，两者受力状态达到一种动态平衡，变形区坯料与包套接触面与轴线形成的夹角为固定值α’。坯料在变形区内部受到正向压应力，从变形区开始位置至结束位置逐渐减小，其值由882MPa降低至100MPa，Y方向的轴向分力为N?Sinα’，向心方向的径向分力为N?cosα’，如图5所示。其中，分解的径向力对挤压变形起主要作用；分解Y方向的轴向分力阻碍坯料近边缘部位金属-Y方向]运动，所以会增加挤压载荷。

经上述分析，减小挤压载荷的关键在于，减小模具对坯料的阻碍作用。减小模角可以减小阻碍金属流动轴向分力N?Sinα’。将模角减小至45?，稳定挤压阶段载荷为5800t。

在受力分析图5中可以看到，坯料在人口圆角半径处和定径带内受力非常小，所以入口圆角半径和定径带长度这两个模具参数对挤压载荷几乎没影响，只需考虑模角即可。

对于模角的选择并不是越小越好，模角α越小会增加坯料在模具中流动时间从而使坯料在变形时坯料表面温度下降幅度更大使挤压载荷升高，而且还会增加模具制造成本。模角为45?时，挤压载荷在挤压机最大载荷范围内，可以满足要求。

3 结论

(1)通过对数据库IN718高温合金动态再结晶模型分析，以及热挤压棒材平均晶粒尺寸进行有限元模拟，优化热挤压工艺参数：坯料初始温度为1000℃，挤压速度为20mm/s；

(2)减小模角可以降低挤压载荷，将模角减小至45?，可使挤压载荷降低至6000t以下；入口圆角半径和定径带长度等模具参数在热挤压过程中的作用较小。