GH4169材料是一種沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，在－253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，并且具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化和耐腐蝕性能，故常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫緊固件，以及核能、石油工業(yè)高溫結(jié)構(gòu)元件［1－3］。但GH4169材料的合金化程度高、導(dǎo)熱性能差、切削溫度高、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、切削力大，造成切削加工效率低、生產(chǎn)成本高，因此，GH4169高溫合金螺栓基本均以熱鐓成形方式加工［4－5］。

本文以航天某型號(hào)火箭用超大規(guī)格（Ｍ40）GH4169高溫合金螺栓為對(duì)象，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)螺栓六角頭部熱鐓成形過程中的金屬流動(dòng)規(guī)律、成形過程中的載荷－時(shí)間曲線、金屬流線分布、等效應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果和工藝的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，為該類螺栓熱鐓成形工藝提供了一定的技術(shù)依據(jù)。

1、GH4169高溫合金高溫壓縮實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

1.1高溫壓縮實(shí)驗(yàn)

選擇GH4169高溫合金棒料，截取尺寸為Φ8mm×12mm的試樣［６］，如圖1所示。

利用Ｇｌｅｅｂｌｅ-1500Ｄ熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行單道次壓縮實(shí)驗(yàn)。為了研究變形量一定時(shí)不同變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)材料熱變形抗力的影響，制定了不同變形溫度和應(yīng)變速率下的高溫壓縮實(shí)驗(yàn)方案，如表1所示。

1.2變形結(jié)果分析

1.2.1不同變形溫度下的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線圖2為變形量為70％、應(yīng)變速率為0.1ｓ^-1時(shí)，不同變形溫度下GH4169高溫合金的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線。從圖2中可以看出，無(wú)論在何種變形溫度下，真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線均是先升高而后稍微有所降低。

 主要是因?yàn)椋涸谧冃蔚某跏茧A段，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力比較弱，其發(fā)生攀移的可能性很小，在此階段材料產(chǎn)生加工硬化作用，其變形抗力逐漸增大，隨著變形量的不斷增加，材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶具有一定的軟化作用，消除了一部分的加工硬化作用，因此，變形抗力又稍有降低。由圖2可知，變形溫度對(duì)GH4169高溫合金變形抗力的影響較大，變形溫度越高，變形抗力越小。圖3為變形量一定、應(yīng)變速率為0.1ｓ^-1時(shí)，GH4169高溫合金的峰值應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系。從圖3中可以看出，GH4169高溫合金的峰值應(yīng)力與變形溫度基本呈線性關(guān)系，變形溫度越高，峰值應(yīng)力越小。

1.2.2不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線

圖4為變形溫度為1050℃、應(yīng)變速率分別為0.01、0.1、1和10ｓ^-1時(shí)，GH4169高溫合金的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線。

從圖4中可知，在變形溫度和變形量一定時(shí)，應(yīng)變速率越大，材料的變形抗力越大。這主要是因?yàn)椋涸谧冃纬跏茧A段，變形速度越快，位錯(cuò)的增值速度越快，材料產(chǎn)生的加工硬化作用越明顯，其變形抗力也越大。

2、GH4169高溫合金螺栓的熱鐓工藝方案制定

GH4169高溫合金螺栓鍛件如圖5所示，頭部和底部的截面尺寸相差較大，變形量較大。

根據(jù)等截面原則，選擇GH4169高溫合金棒料的規(guī)格為Φ42mm，為確保鍛件不出現(xiàn)缺料、飛邊等缺陷，必須合理確定下料長(zhǎng)度。

可根據(jù)等體積法計(jì)算出坯料的長(zhǎng)度，計(jì)算公式如下［7］：

式中：Ｖｍ為坯料體積；ＶＤ為鍛件體積；δ為火耗，對(duì)于感應(yīng)加熱來說，一般取δ＝1％。

經(jīng)過計(jì)算，選擇下料尺寸為Φ42mm×205mm。

3、GH4169高溫合金螺栓熱鐓工藝數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1有限元模型建立

根據(jù)GH4169高溫合金螺栓鍛件圖，繪制出鍛件三維模型和相應(yīng)模具模型，主要組成有沖頭、坯料和凹模，圖６為有限元模型裝配圖。

3.2模擬參數(shù)設(shè)置

由于Ｄｅｆｏｒｍ3Ｄ材料庫(kù)中沒有GH4169高溫合金的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線，為了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先進(jìn)入Ｄｅｆｏｒｍ-3Ｄ前處理，將高溫壓縮實(shí)驗(yàn)得到的GH4169高溫合金的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Ｄｅｆｏｒｍ-3Ｄ材料庫(kù)，然后將有限元模型導(dǎo)入Ｄｅｆｏｒｍ-3Ｄ中，坯料溫度設(shè)定為1050℃，沖頭速度根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定為20mm·ｓ^－1，為了研究摩擦因數(shù)μ對(duì)成形載荷的影響，分別設(shè)定μ＝0.3和μ＝0.5進(jìn)行模擬［8］。

3.3模擬結(jié)果分析

3.3.1不同摩擦因數(shù)下的載荷－時(shí)間曲線圖7為μ＝0.3和μ＝0.5時(shí)，GH4169高溫合金螺栓在熱鐓成形過程中的載荷－時(shí)間曲線。從圖7中可以看出：在變形的初始階段，兩條曲線基本重合，且載荷較小，主要是因?yàn)樵撾A段為自由鐓粗階段，坯料與模具并未接觸，成形力較小；隨著變形的進(jìn)行，金屬逐漸與模具型腔接觸，隨著接觸面積的增大，金屬流動(dòng)阻力也逐漸增大，因此載荷迅速增大；在最后階段，金屬材料與模具型腔形成封閉空間，金屬難以流動(dòng)，因此成形力急劇增加。從圖7中可以看出，摩擦因數(shù)越大，最后階段的成形力越大，μ＝0.3時(shí)，最大載荷為3.5６×10^６Ｎ，μ＝0.5時(shí)，最大載荷為4.11×10^６Ｎ。這說明在GH4169高溫合金螺栓的熱鐓成形過程中，模具潤(rùn)滑十分重要，潤(rùn)滑條件直接影響最后的成形力，良好的潤(rùn)滑不僅可以顯著降低成形力，并且有利于金屬流動(dòng)［９］。

3.3.2等效應(yīng)力分布

通過等效應(yīng)力分布可以看出在成形過程中金屬容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，從而有針對(duì)性地設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，例如：將易損壞的模具采用分體結(jié)構(gòu)，從而降低模具成本［10］。圖8為 GH4169高溫合金螺栓熱鐓成形過程中的等效應(yīng)力分布。

從圖8中可以看出，在自由鐓粗變形階段，只有沖頭和坯料接觸，等效應(yīng)力較大的地方出現(xiàn)在坯料上端面，隨著變形的進(jìn)行，凹模、沖頭全部與坯料接觸，形成封閉模腔，等效應(yīng)力也隨之變大，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在坯料的上端面位置，最大等效應(yīng)力為275MPa。

這主要是因?yàn)椋涸跓徵叧尚芜^程中，沖頭軸向擠壓力的主要作用面為坯料的上端面所致。

3.3.3損傷值分布

通過損傷值分布可以預(yù)測(cè)在成形過程中容易出現(xiàn)裂紋的區(qū)域，然后通過改變成形工藝來減少該部位產(chǎn)生裂紋的傾向［11］。圖９為GH4169高溫合金螺栓在熱鐓成形過程中的損傷值分布，其中，損傷值是交叉孔洞面積與原始面積的比值。

從圖９中可以看出，最大損傷值總是出現(xiàn)在螺栓頭部與凹模接觸的區(qū)域，特別是６個(gè)棱角處的損傷值最大，因此，在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮增加圓角。

3.3.4金屬流線分布

良好的金屬流線一般沿著零件的輪廓方向，可以使零件的力學(xué)性能顯著提高［12］。圖10為成形最后GH4169高溫合金螺栓的金屬流線分布，從圖10中可以看出，其頭部金屬流線基本沿著其輪廓分布。

4、GH4169高溫合金螺栓熱鐓工藝實(shí)驗(yàn)

利用數(shù)值模擬分析得到的熱鐓工藝參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)有成形設(shè)備，設(shè)計(jì)并加工相應(yīng)模具，進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得到的GH4169高溫合金螺栓鍛件充填飽滿，經(jīng)過測(cè)量，尺寸符合設(shè)計(jì)要求。圖11為實(shí)驗(yàn)過程中不同壓下量下得到的GH4169高溫合金螺栓實(shí)物，圖12為與之對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬過程中坯料在不同壓下量下的成形示意圖，可以看出數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。圖13為GH4169高溫合金螺栓頭部的金屬流線分布，其流線基本沿鍛件的輪廓方向分布，與模擬得到的金屬流線分布基本一致，未出現(xiàn)流線缺陷。

5、結(jié)論

（1）通過高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了GH4169高溫合金的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線，為熱鐓工藝模擬提供了接近實(shí)際工況的數(shù)據(jù)，使得模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。

（2）應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著變形溫度的升高，材料的變形抗力逐漸降低。變形溫度一定時(shí)，隨應(yīng)變速率的增大，材料的變形抗力逐漸增大。

（3）模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，工藝實(shí)驗(yàn)得到的GH4169高溫合金螺栓鍛件充填飽滿，尺寸和性能均達(dá)到了航天某型號(hào)火箭的使用需求，為該類產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)提供了一定的技術(shù)依據(jù)。

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