GH4169高温合金4169镍基高温合金
GH4169合金在-253~700℃综合性能好,温度范围650℃变形高温合金具有以下屈服强度,耐辐射、耐氧化、耐腐蚀,加工焊接性能好。能制造形状复杂的零件
合金的另一个特点是合金组织对热加工工艺特别敏感,掌握组织与工艺和性能之间的相互分析和溶解规律,可以根据不同的使用要求制定合理可行的工艺程序,获得能够满足不同强度水平和使用要求的零件。长期使用机箱等部件。
GH4169 化学成分:
GH4169物理性能:
GH4169特性:
GH4169是Ni-Cr-Fe温度范围-235°C~650°C,短期使用温度可达8000°C。合金在650°C以下强度较高
,抗疲劳性好﹑抗辐射﹑耐氧化、耐腐蚀、加工性能好﹑焊接性能和长期组织稳定性。
GH4169 应用:合金已用于制造航空发动机、环件、机箱、轴、叶片、紧固件、弹性元件、燃气导管、密封元件、焊接结构件等。
使用的各种弹性元件和格架;在石油和化工领域使用的各种零件。
GH4169 叶片冷轧成形过程数值模拟分析
摘 要:用于航空发动机 GH4169 以五级叶片冷轧工艺为研究对象,应用 DEFORM 二次开发子程序,添加适合分析高温合金塑性变形的有限元软件 CHABOCHE 本结构模型,然后根据实际工况模拟辊轧工艺的数值,最大辊轧力和延伸量符合实际经验值,验证了模拟模型的准确性。对叶片辊轧过程中的材料流动进一步分析,探讨了摩擦系数和辊速对叶片辊轧力的影响。
结果表明,辊轧力在初始阶段稳定,当轧制到叶体时 2/3 附近,由于后滑,辊轧力迅速增加 40%;摩擦系数对辊轧力和辊轧力矩影响较大,摩擦系数为 0.12 和 0.4 当两者最大辊轧力相差时 20.2%,轧辊对辊轧力影响不大。
引言
辊轧工艺广泛应用于高温合金叶片加工,克服了传统加工方法周期长、材料利用率低的缺点[1]。
航空发动机叶片具有截面变化、弦宽、扭角等特点,其冷轧加工工艺属于不稳定变形工艺,工艺难以控制,使叶片工艺设计前滑、压力、宽度参数难以准确计算,实际生产叶片容易形成弓背、模具寿命低、叶片轧制状态不稳定、生产效率低,也严重影响产品设计和生产周期[2]。
目前,叶片辊轧工艺优化研究主要依靠经验公式或实验分析,但经验公式误差大,部分环节不可靠,实验需要大量的人力物力,工作量大,成本高,计算机辅助分析方法成为更有效的解决方案。采用相关实验或计算公式进行辊轧模拟和验证,可以有效深入地研究辊轧成型和关键工艺参数的影响,从而优化工艺,提高叶片加工质量。采用相关实验或计算公式进行辊轧模拟和验证,可以有效深入地研究辊轧成型和关键工艺参数的影响,从而优化工艺,提高叶片加工质量。
金属成型有限元法分为弹性塑性有限元法和刚性塑性有限元法。冷轧中弹性变形占总变形的比例很小。刚性塑性有限元法的应用可以更有效地分析和计算。DEFORM-3D 它是一种基于刚塑性本构关系的有限元分析软件,广泛应用于大塑性变形分析,适用于叶片辊轧过程的分析。
2 CHABOCHE 模型二次开发
GH4169 是沉淀硬化镍基高温合金,国际品牌Inconel718广泛应用于航空航天、核工业等高科技产业的深冷高温场合。CHABOCHE 属于粘弹性塑性统一结构模型,经过不断的理论优化和实践验证,可以更可靠地分析高温和各种循环载荷下的塑性变形[3],更适合描述高温合金叶片塑性变形[4-5]的机械性能 CHABOCHE 本构方程有多种数学表达形式[],本研究所涉及的本构方程主要包括以下项目
对叶片材料 GH4169 与循环硬化相关的建模和简化有关 CHABOCHE 模型包含 11 其中,K,n 材料率敏感特性常数;a,c 相关背应力演化参数;Q,b,k 初始屈服强度和各向同性硬化参数。如表 1 作者通过拉伸试验、对称和非对称加载试验,并使用相关参数值 L-M 获得非线性优化算法。如表 1 作者通过拉伸试验、对称和非对称加载试验,并使用相关参数值 L-M 获得非线性优化算法。
将上述公式(1)~公式(3)嵌入到用户子程序中,并定义相关的自变量,以便在滚动过程中查看这些变量的变化,成为整个有限元程序运行的一部分。项目共 4 个子程序(USRMTR、USRUPD、USR、USRMSH),计算自定义单元和节点变量,存储数据等功能,包括变量赋值。
3 设置模拟参数
在生产中选择航空发动机 GH4169 五级叶片,辊轧状态如图所示 1 所示。叶片宽度为 30mm,叶体厚度不均匀,其中最薄的部位约为 0.4mm。
由于研究对象是叶片,模具设置为刚体[8],滚动过程网格变化剧烈,需要不断划分网格重量,综合考虑计算精度和效率,选择四面体进行网格划分,采用软件局部网格细化功能,网格密度设置为 0.6.并设置详细的比例 0.最终单元数为01 18536 一、最小单元约 0.3mm。
运动过程分为 2 部分,首先,轧辊被迫咬入胚料,两个轧辊相互平动,盆模速度 10mm/s,背模静止,步长设置为 0.1mm,总步数 100 步骤;然后轧辊旋转,使坯料通过形槽形成叶片形状,这部分设置在第一位 1 部运行后,重新打开 DB 在运算末步的基础上,在运动设置的旋转选项中,输入辊的速度为0.8rad/s,设置两辊速转向相反,总时间为 1s。
边界约束条件是限制榫头部分,限制部分自由度。在平移过程中,限制榫头四个表面胚胎材料的延伸方向和宽度方向的平移自由度;在滚动旋转过程中,限制榫头四个表面胚胎材料的宽度方向和压力方向的平移自由度。同时,使用软件自带的Active inmeshing设置体积补偿[9],摩擦系数选择剪切摩擦模型[10]
4 结果分析
取坯料上的 4 如图所示 2 所示,其中 P1 点位于开始咬入位置,P2 点位于稳定辊轧区,P3、P4 位于叶体末端。4 点坐标依次为,P(1 0,0,0);P(2 0,0,9);P(3 0,0,17.5);P(4 0,0,25)。
滚动过程中,模具挤压叶片胚胎材料,使叶片材料沿纵向和横向流动,其出口速度>圆周速度>进口速度,从模拟结果可以看出,整个叶片滚动过程前后滑严重影响塑性变形过程,垂直总延伸约为 5.3mm,约占叶体长度 20%与实际情况一致。
同时,由于后滑,材料在叶片上堆积 2/3 在生产在叶片工艺设计中必须充分考虑前后滑动的影响,研究叶片辊轧过程中的材料流动可以为预防缺陷提供思路。
转速 0.8rad/s、摩擦系数 0.12 如图3所示 4 所示。
转速 0.8rad/s、摩擦系数 0.12 如图3所示 4 所示。对最大辊轧力和最大辊轧力矩值进行分类。相应的值是根据相对成熟的工程经验公式计算的,比如表 2 所示:
最大辊轧力与最大辊轧力矩的模拟计算值与工程经验计算值相差不大。由于实际工况下多个参数无法控制,可以认为两者的计算结果基本相同 CHABOCHE 模拟本构模型的计算结果更可信。
辊轧初期,辊轧力在 100000N 附近波动稳定,随着辊轧后期,辊轧力和辊轧扭矩迅速增加,通过分析,相关现象是滑动材料积累的结果,随着轧制,材料逐渐积累到叶片滑动区,导致轧制区厚度增加,压力逐渐增加,辊轧力增加。
4.1 摩擦系数影响分析
在冷轧过程中,盆模和背模挤压叶片胚,摩擦系数必然会影响叶片的形成。在实际生产中,由于模具表面状态,容易造成设备故障和产品缺陷,因此摩擦系数的分析对叶片的形成起着重要作用。0.12和00摩擦系数.如图5所示,4工况下的辊轧力对比。如图所示,在辊轧力的最大位置,两个摩擦系数辊轧力的差异 171963-143006=28957N,达到 20.2%辊轧过程平均辊轧力对比 112064-105237=6827N,摩擦系数由 0.12 到 0.四、辊轧力增加 6.5%,摩擦系数对辊轧力影响较大。降低摩擦系数有利于降低辊轧力,采用各种加工方法提高模具表面粗糙度,改善润滑,可降低辊轧所需设备吨位,延长盆模背模在轧制过程中的使用寿命,降低生产成本。
实际生产中的重要问题。取摩擦系数 0.12,轧辊转速 2rad/s 分析,得到的辊轧力变化如图所示 6 所示。最大辊轧力为 144112N,与转速0.8rad/s 比较工况下最大辊轧力,差异 144112-143006=1106N,平均辊轧力差 106397-105237=1160N,增大约 1%。轧辊转速增加 在67%的情况下,辊轧力只会增加 1%,所以在保证叶片成型质量的同时,可以选择较大的轧辊速度来提高工作效率,不需要过多考虑轧辊力。
4 结论
通过二次开发 CHABOCHE 嵌入材料模型 DEFORM-3D在软件中,对航空发动机叶片轧制过程进行了模拟分析,比较了最大辊轧力和延伸量的模拟值和工程经验值,模拟结果更可信。
(1)叶片轧制过程中,前后滑严重影响塑性变形过程,整个模拟过程的延伸量达到 大约20%与实际情况一致。
(2)叶片辊轧初期辊轧力和扭矩相对稳定,当轧制至叶体时 2/3 处辊轧力和辊轧力矩显著增加,其中辊轧力增加约 40%。
(3)摩擦系数对辊轧力和辊轧力矩影响较大,摩擦系数 0.12 和 0.4 两者最大辊轧力差 降低摩擦系数具有重要的现实意义。
(4)轧辊转速对轧辊轧力和轧辊扭矩影响不大。在一定范围内,轧辊转速增加 辊轧力仅增加67% 因此,为了生产效率,可以选择合适的轧辊速度。
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