[发明专利]基于预制坯和锻造全过程数值仿真的涡轮盘渐变组织调控方法

说明书

本发明涉及一种基于预制坯和锻造全过程数值仿真的涡轮盘渐变组织调控方法，采用有限元数值模拟技术，选取了合适的锻件预制坯形状尺寸，确定了获得有序渐变组织涡轮盘的锻造和梯度热处理工艺参数，通过调整预制坯特征尺寸和锻造工艺参数，实现了涡轮盘锻造全过程中应变场、梯度温度场和晶粒尺寸分布的主动调控，通过这种控制应变锻造的方法并借助现有的绝热梯度热处理装置解决了现有技术中局部循环冷却水系统引起的过渡界面温度场突变导致晶粒尺寸突变的问题，可消除双性能涡轮盘成形制造后的明显粗晶‑细晶界面，符合双性能涡轮盘组织性能要求。

技术领域

本发明涉及金属材料热加工领域，具体是涉及一种锻造和热处理过程中渐变组织调控的方法，特别涉及一种基于预制坯和锻造全过程数值仿真的涡轮盘渐变组织调控方法。

背景技术

整体化、轻量化是航空航天工业追求的永恒主题。其中某些整体构件不同区域的服役环境具有显著差异，这就要求构件不同区域具备不同的服役性能。以航空发动机涡轮盘为例：服役状态下，涡轮盘盘缘位置温度较高，需要较高的抗蠕变和抗疲劳裂纹扩展的能力；盘芯位置温度较低，但承载的离心力较大，需要较高的屈服强度及低周疲劳性能。众所周知，材料的性能取决于微观组织状态，因此，具有盘缘粗晶、盘芯细晶、过渡区组织有序渐变的双性能涡轮盘能够满足上述服役性能需求。此外，材料的微观组织结构强烈依赖于塑性变形工艺参数和热处理条件。因此，为了实现材料微观组织的梯度分布，必须科学合理设计锻造和热处理工艺参数。

文献“Structural-gradient-materials produced by gradient temperatureheat treatment for dual-property turbine disc,Yongquan Ning,Zekun Yao,Hongzhen Guo,Mingwang Fu,Journal of alloy and compounds,2013,557:27-33”报道：采用热等静压(1030℃/120MPa/1h+1170℃/140MPa/2h)、多次锻造(1110℃/0.15s^-1/30％+60％，OQ)和梯度热处理(1080℃/30min，AC)的复合成形工艺实现了FGH4596合金双性能涡轮盘的成形制造。该技术的特点是：通过多次锻造实现了不同锻造阶段下应变量的分配，结合后续的基于局部循环水冷却系统的梯度热处理工艺，最终实现了FGH4596合金涡轮盘从盘缘粗晶到盘芯细晶的晶粒尺寸梯度分布(参见附图1)。但是，涡轮盘锻造全过程中由于未对锻件坯料的结构尺寸进行优化设计，锻造和梯度热处理工艺匹配性尚不够，而且基于局部循环冷却水系统的梯度热处理工装易造成涡轮盘上过渡界面温度场突变等问题，使得FGH4596合金双性能涡轮盘复合成形后的过渡区极窄，存在明显的粗晶-细晶界面突变，这种组织突变现象最终会导致低周疲劳寿命下降、造成疲劳失效。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了克服现有的双性能涡轮盘加工工艺会产生明显粗晶-细晶界面的问题，本发明提供了一种基于预制坯和锻造全过程数值仿真的涡轮盘渐变组织调控方法，该方法结合锻件预制坯和锻造全过程工艺参数设计，通过调整预制坯特征尺寸和锻造工艺参数，以实现该工艺下应变场和梯度温度场的主动调控；通过这种控制应变锻造的方法并借助现有的绝热梯度热处理装置(图2)解决了背景技术中局部循环冷却水系统引起的过渡界面温度场突变的问题，为涡轮盘渐变组织的精确调控提供了有效的途径。

本发明的技术方案是：一种基于预制坯和锻造全过程数值仿真的涡轮盘渐变组织调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用UG软件绘制等温锻造几何模型，包括上、下模具和预制坯；

步骤2：将步骤1建立的等温锻造几何模型导入ABAQUS软件并装配；设置上、下模具和涡轮盘预制坯的性能参数、设置接触面摩擦因子并进行网格划分；

步骤3：基于再结晶临界应变方程计算临界应变，若当前应变小于再结晶临界应变，再结晶不发生；若当前应变大于等于再结晶临界应变，根据涡轮盘材料锻造阶段再结晶晶粒尺寸模型计算材料再结晶体积分数和晶粒尺寸；