超高強(qiáng)度鋼整體模鍛全過(guò)程微觀組織演化及數(shù)字化表征.pdf

1、隨著現(xiàn)代航空制造技術(shù)水平的不斷發(fā)展，越來(lái)越多地采用大型復(fù)雜整體模鍛件制造飛機(jī)的關(guān)鍵承力件，以滿(mǎn)足飛機(jī)不斷提高的服役性能指標(biāo)要求。高合金超高強(qiáng)度鋼已成為當(dāng)今世界用于制造飛機(jī)起落架構(gòu)件的新型材料，其強(qiáng)度性能指標(biāo)達(dá)到1930MPa，晶粒度達(dá)到8級(jí)（22.5μm），以滿(mǎn)足飛機(jī)在復(fù)雜、重載等極端服役條件下的使用需要。然而，超高強(qiáng)度鋼整體模鍛件的熱加工經(jīng)歷了材料熱塑性成形、熱處理等多個(gè)物理過(guò)程，材料微觀組織演化機(jī)制十分復(fù)雜，尤其對(duì)于能滿(mǎn)足極端服役要

2、求的大型復(fù)雜整體起落架模鍛件，其晶粒度指標(biāo)與性能均勻性要求給鍛造生產(chǎn)提出了新的挑戰(zhàn)。我國(guó)在生產(chǎn)大型整體超高強(qiáng)度鋼模鍛件方面的技術(shù)儲(chǔ)備與基礎(chǔ)研究不足，晶粒度不達(dá)標(biāo)、工藝穩(wěn)定性差已成為制約我國(guó)高性能航空鍛件制造的主要瓶頸。本文針對(duì)目前我國(guó)起落架鍛件生產(chǎn)存在的問(wèn)題，以新一代高合金超高強(qiáng)度鋼23Co13Ni11Cr3Mo為對(duì)象，系統(tǒng)研究了該材料在加熱、熱塑性成形、冷卻以及熱處理等熱加工全過(guò)程微觀組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能演化規(guī)律及其數(shù)字化表征方法，進(jìn)一

3、步研究了超高強(qiáng)度鋼起落架整體模鍛成形過(guò)程微觀組織演化規(guī)律，提出了在800MN巨型液壓機(jī)上起落架成形新工藝以及獲得鍛件高性能指標(biāo)的鍛造工藝參數(shù)，完成的主要工作與研究成果如下:
　　1)開(kāi)展了超高強(qiáng)度鋼23 Co13Ni11 Cr3Mo等溫壓縮熱模擬實(shí)驗(yàn)，研究了熱變形過(guò)程超高強(qiáng)度鋼的高溫塑性流變特性與組織演化規(guī)律，建立了23Co13Ni11Cr3Mo鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型與晶粒尺寸模型，提出了采用逐次逼近法建立超高強(qiáng)度鋼變形抗力模型的

4、新思路，確定了23 Co13Ni11Cr3Mo鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變條件與變形激活能?；跓崮M流變應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與塑性失穩(wěn)準(zhǔn)則建立了23Co13Ni11Cr3Mo鋼材料熱加工圖，獲得了材料穩(wěn)定高效變形的熱加工可行域。研究結(jié)果表明，在熱加工可行域內(nèi)增大應(yīng)變可提高再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)，獲得均勻細(xì)小的晶粒組織。
　　2)根據(jù)大型整體模鍛件熱塑性成形過(guò)程復(fù)雜的組織演化機(jī)制、時(shí)變的宏觀物理場(chǎng)等特征，建立了基于位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)力的介觀組織演化元胞自動(dòng)機(jī)(CA

5、)模型，提出了組織演化的參數(shù)辨識(shí)方法;建立了加工硬化指數(shù)、二相粒子釘扎效應(yīng)與宏觀變形參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了鍛件的熱塑性成形過(guò)程宏觀-介觀晶粒組織模擬;根據(jù)實(shí)際熱加工特性提出了一系列介觀組織CA改進(jìn)算法，基于DEFORM-3D、QFORM等宏觀有限元仿真平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微觀組織可視化模擬機(jī)軟件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的CA模型與分析軟件可預(yù)測(cè)晶粒組織形貌、分布規(guī)律以及多輪次動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒組織動(dòng)態(tài)演化。
　　3)針對(duì)大

6、型整體模鍛件在轉(zhuǎn)移、等待、冷卻及熱處理等靜置過(guò)程易出現(xiàn)晶粒粗化的現(xiàn)象，開(kāi)展了23Co13Ni11Cr3Mo鋼高溫靜置過(guò)程組織演化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，建立了晶粒長(zhǎng)大模型、亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和晶粒尺寸模型，實(shí)現(xiàn)了23Co13Ni11Cr3Mo鋼熱加工全過(guò)程微觀組織演化數(shù)字化表征。研究結(jié)果表明，晶粒細(xì)化取決于終鍛變形及其冷卻過(guò)程晶粒組織演變;靜態(tài)再結(jié)晶晶粒組織與亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織相比更為粗大，是造成23Co13Ni11Cr3

7、Mo鋼起落架鍛件晶粒度不達(dá)標(biāo)的主要原因。
　　4)開(kāi)展了工業(yè)條件下的23Co13Ni11 Cr3Mo鋼鍛造工藝實(shí)驗(yàn)，研究了熱變形工藝參數(shù)對(duì)晶粒組織演化、力學(xué)性能的影響，獲得了滿(mǎn)足最終組織性能要求的鍛造工藝條件，可實(shí)現(xiàn)鍛件在熱加工全過(guò)程中的晶粒組織調(diào)控。研究結(jié)果表明，鍛造晶粒尺寸與熱處理晶粒尺寸呈正比關(guān)系，鍛造晶粒組織需超過(guò)8級(jí)才能獲得8級(jí)最終晶粒組織;鍛造工藝參數(shù)對(duì)鍛件的力學(xué)性能影響較小，在變形溫度為980～1140℃、變形程度為

8、12～30％的范圍內(nèi)，強(qiáng)度指標(biāo)差異為3.5％，斷裂韌性KIC差異為8.7％。
　　5)對(duì)現(xiàn)有整體模鍛工藝條件下23Co13Ni11Cr3Mo鋼起落架模鍛件進(jìn)行了解剖分析，鍛件不同位置的微觀組織分析和力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試表明，采用整體模鍛工藝可將鍛件斷裂韌性提高20.5％，但晶粒度僅為5～6.5級(jí)。23Co13Ni11Cr3Mo鋼起落架鍛件熱加工全過(guò)程組織演化模擬與實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鍛件變形不充分、不連續(xù)變形引發(fā)的靜態(tài)再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大是造成