熱等靜壓近凈成形Inconel625渦輪盤數值模擬與試驗研究.pdf

1、熱等靜壓近凈成形(NNS-HIP)技術能一次整體成形出復雜結構的鎳基高溫合金渦輪盤,具有制件致密、力學性能優(yōu)良、節(jié)約材料等優(yōu)點。在NNS-HIP過程中,粉末受壓收縮比例大,并伴隨不規(guī)則大變形。利用數值模擬預測粉末致密化和包套形變規(guī)律,從而優(yōu)化包套結構是必不可少的環(huán)節(jié)。但是,HIP過程中粉末可壓縮、變形大、邊界可變,實現復雜結構的精確模擬在本構模型、材料參數、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

2、用HIP整體近凈成形復雜渦輪盤零件,利用數值模擬優(yōu)化包套結構,并進行了試驗驗證,詳細表征和分析了HIP成形制件的組織與力學性能。具體內容和結論如下:
　　在連續(xù)介質塑性理論基礎上,探討了多孔體的可壓縮性對其本構模型的影響,發(fā)現經Abouaf修正后的Shima模型能準確描述HIP中粉末體的流變行為,該模型引入了應力偏張量修正因子β和靜水壓力修正因子γ兩個密度相關的參數來描述孔隙率對本構方程的影響。此外,為了考慮蠕變對本構方程的影響,

3、本文選取了修正后的Raboin的雙曲正弦冪律蠕變模型來描述粉末在高溫下的粘塑性流變行為。
　　為了確定Inconel625的本構方程,本文通過HIP中斷試驗,獲得了不同致密度試樣。通過致密體的高溫壓縮實驗,用最小二乘法擬合得到合金的Zener-Hollomon參數的表達式,該參數反應了溫度補償的應變率,在此基礎上建立了Inconel625高溫下的等效應變率與等效應力關系;通過HIP實驗得到了粉末致密度、致密化速率和靜水壓力隨時間的

4、變化曲線,推導出了γ的表達式,該參數決定了本構方程中靜水壓力部分的表達形式;通過多孔體的壓縮實驗得到了β的表達式,該參數決定了粉末本構方程中應力偏張量部分的表達形式。
　　利用有限元程序MSC.Marc,模擬了“隨形”和“上下對稱”兩種包套方案下的HIP近凈成形渦輪盤過程,發(fā)現“隨形”方案型芯變形大,粉末致密度低,“上下對稱”方案控形好,粉末致密度高。模擬結果表明:薄壁軟鋼包套受壓變形大,驅動粉末致密化,“上下對稱”方案中大體積型

5、芯基本不變形,達到了渦輪盤內部復雜流道控形的目的;包套變形經歷了彈性變形、塑性屈服、時效強化、高溫屈服和殘余應力幾個階段;粉末先膨脹后分段致密化,呈現非定向復雜流動規(guī)律。選取“上下對稱”方案進行HIP實驗,發(fā)現模擬與實驗吻合較好,表明數值模擬能準確地預測包套變形和粉末致密化規(guī)律,指導HIP近凈成形的包套設計。
　　分析了HIP成形Inconel625制件的室溫力學性能,結果顯示:退火態(tài)試樣拉伸強度比ASTM同質鍛件標準高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合金晶粒細小(30μm左右),主要是由基體相γ、強化相?'和MC型碳化物組成。為了改善HIP制件的塑性,對試樣進行了固溶和時效處理,結果表明:固溶處理后合金的塑性提升了52.5%,拉升強度降低了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;時效處理

7、后合金的塑性提升12.5%,拉升強度降低了35MPa,其斷口及微觀組織SEM圖表明,時效過程中,Nb和Mo會在Ni基體中析出,形成針狀?'相,同時硬脆的碳化物在晶界處大量析出,導致合金的塑性提升有限。
　　綜上所述,本文通過選取合適的粉末本構模型,實驗獲得了Inconel625合金粉末HIP的本構方程,利用有限元程序MSC.Marc實現了HIP近凈成形復雜渦輪盤零件的數值模擬,通過模擬預測選取了合適的包套方案,分析了HIP過程中包