鎳基高溫合金哈氏合金系列材料生產供應商廠家-禎賦（上海）實業(yè)GH4169? 230/KG

GH4169合金在-253～700℃溫度范圍內具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的，并具有良好的耐輻射、耐氧化、耐腐蝕性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好。能夠制造形狀復雜的零部件

該合金的另一特點是合金組織對熱加工工藝特別敏感，掌握合金中相析出和溶解規(guī)律及組織與工藝、性能的相互關系，可針對不同的使用要求制定合理、可行的工藝規(guī)程，就能獲得可滿足不同強度級別和使用要求的零件。機匣等零部件長期使用。

GH4169 的化學成分:

GH4169物理性能：

GH4169特性：

GH4169是Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型變形高溫合金，長時使用溫度范圍-235°C～650°C,短時使用溫度可達800°C。合金在650°C以下強度較高

，具有良好的抗疲勞﹑抗輻射﹑抗氧化和耐腐蝕性能，以及良好的加工性能﹑焊接性能和長期組織穩(wěn)定性。

GH4169 應用：
合金已用于制作航空發(fā)動機、環(huán)件、機匣、軸、葉片、緊固件、彈性元件、燃氣導管、密封元件和焊接結構件等；制作液氫、制作核能工業(yè)應

用的各種彈性元件和格架；制作石油和化工領域應用的多種零件。

GH4169 葉片冷輥軋成形過程數(shù)值模擬分析

摘 要：以航空發(fā)動機用 GH4169 五級葉片冷輥軋工藝為研究對象，應用 DEFORM 二次開發(fā)子程序，向有限元軟件中添加適合分析高溫合金塑性變形的 CHABOCHE 本構模型，然后根據(jù)實際工況進行輥軋過程數(shù)值模擬，所得最大輥軋力和延伸量與實際經驗值符合，驗證了仿真模型準確性。進一步分析了葉片輥軋過程中材料流動，并探討了摩擦系數(shù)與軋輥轉速對葉片輥軋力的影響。

結果表明：開始階段輥軋力較平穩(wěn)，當軋至葉身 2/3 附近，由于后滑原因，輥軋力迅速增加約 40%；摩擦系數(shù)對輥軋力、輥軋力矩有較大的影響，摩擦系數(shù)為 0.12 和 0.4 時，兩者最大輥軋力相差 20.2%，而軋輥轉速對輥軋力影響較小。

引言

輥軋工藝在高溫合金葉片加工中應用廣泛，它克服了傳統(tǒng)加工方法周期長、材料利用率較低等缺點[1]。

而航空發(fā)動機葉片具有變截面，變弦寬，有扭角等特點，其冷輥軋加工過程屬于非穩(wěn)態(tài)大變形過程，工藝過程較難控制，使得葉片工藝設計中的前滑、壓下量、展寬等參數(shù)難以精確計算，另外實際生產中葉片易形成弓背、模具壽命低、葉片軋制狀態(tài)不穩(wěn)定、生產效率低等問題，也嚴重影響產品設計和生產周期[2]。

目前葉片輥軋工藝優(yōu)化研究主要依賴于經驗公式或者實驗分析，但是經驗公式誤差較大，某些環(huán)節(jié)并不可靠，而實驗需要耗費大量人力物力，工作量大成本非常高，因此計算機輔助分析方法就成為比較有效的解決途徑。進行輥軋仿真模擬，并運用相關實驗或計算公式進行驗證，能夠在較小誤差下，高效深入的研究輥軋成形和關鍵工藝參數(shù)影響，進而優(yōu)化工藝提高葉片加工質量。

金屬成形有限元法分為彈塑性有限元法和剛塑性有限元法，冷輥軋中彈性變形占總變形比例非常小，應用剛塑性有限元法能夠更高效的進行分析計算。DEFORM-3D 是基于剛塑性本構關系的有限元分析軟件，它在大塑性變形的分析中應用廣泛，適合分析葉片輥軋過程。

2 CHABOCHE 模型二次開發(fā)

GH4169 是沉淀硬化性鎳基高溫合金，國際牌號Inconel718，廣泛應用于航空航天、核工業(yè)等高科技行業(yè)的深冷和高溫場合。CHABOCHE 屬于粘彈塑性統(tǒng)一本構模型，經過不斷理論優(yōu)化與實際驗證，已經能夠較可靠的分析高溫及各種循環(huán)載荷下的塑性變形問題[3]，比較適合描述高溫合金葉片塑性大變形問題中的力學和機械性能[4-5]，目前 CHABOCHE 本構方程有多種數(shù)學表達形式[]，本研究所涉及到的本構方程主要為以下幾項

對葉片材料 GH4169 循環(huán)硬化相關方面建模，并進行簡化涉及到 CHABOCHE 模型包含 11 個參數(shù)，其中，K，n 為材料率敏感特性常數(shù)；a，c 為相關背應力演化參數(shù)；Q，b，k 為材料初始屈服強度和各向同性硬化參數(shù)。如表 1 所示，相關參數(shù)值來源于文獻[4]，該作者通過拉伸試驗、對稱和非對稱加載試驗，并利用 L-M 非線性優(yōu)化算法求得。

將上文列出的式（1）~式（3）以用戶子程序的方式嵌入軟件，并定義相關自變量，方便查看這些變量在輥軋過程中的變化情況，使之成為整個有限元程序運行時的一部分。項目共 4 個子程序（USRMTR、USRUPD、USR、USRMSH），包括變量賦值，計算自定義單元及節(jié)點變量，存儲數(shù)據(jù)等功能。

3 仿真參數(shù)設置

選取航空發(fā)動機在產 GH4169 五級葉片，輥軋狀態(tài)，如圖 1 所示。葉片寬度為 30mm，葉身厚度不均，其中，最薄處約為 0.4mm。

由于研究對象為葉片，將模具設定為剛體[8]，輥軋過程網格變化劇烈，需要不斷進行網格重劃分，綜合考慮運算精度和效率，選用四面體進行體網格劃分，并采用軟件局部網格細化功能，將網格密度設置為 0.6，并設置細化比例 0.01，最終單元數(shù)為 18536 個，最小單元約 0.3mm。

運動過程分為 2 部分，首先軋輥強制咬入胚料，兩軋輥做相互靠近的平動，盆模速度 10mm/s，背模靜止，將步長設置為 0.1mm，總步數(shù) 100 步；接下來軋輥轉動，使坯料經過型槽，形成葉片形狀，這部分設置是在第 1 部運行結束后，重新打開 DB 文件，在其運算末步的基礎上，運動設置的旋轉選項中，輸入軋輥轉速為0.8rad/s，并設置兩輥速轉向相反，總時間為 1s。

邊界約束條件是對榫頭部分進行約束，限制部分自由度，平動過程中，對榫頭四個面的胚料延伸方向、寬展方向的平移自由度進行約束；輥軋轉動過程中，對榫頭四個面的胚料寬展方向、壓下方向的平移自由度進行約束。同時利用軟件自帶的“Active inmeshing”設置進行體積補償[9]，摩擦系數(shù)選用剪切摩擦模型[10]

4 結果分析

取坯料上的 4 個特征點，如圖 2 所示，其中 P1 點位于開始咬入位置，P2 點位于穩(wěn)定輥軋區(qū)，P3、P4 位于葉身末端。4 點坐標依次為，P（1 0，0，0）；P（2 0，0，9）；P（3 0，0，17.5）；P（4 0，0，25）。

輥軋過程中，模具擠壓葉片胚料，使葉片材料沿縱向及橫向流動，其出口速度>圓周速度>進口速度，由模擬結果可知，整個葉片輥軋過程，前滑、后滑嚴重影響著塑性變形過程，產生的縱向總延伸量約為 5.3mm，約占葉身長度的 20%，與實際情況相符。

同時由于后滑造成材料堆積在葉片 2/3 處，形成生產中極易出現(xiàn)的“弓背”現(xiàn)象，因此在葉片工藝設計時必須充分考慮前后滑的影響，而研究葉片輥軋過程中的材料流動可以為預防缺陷提供一種思路。

轉速 0.8rad/s、摩擦系數(shù) 0.12 工況下的輥軋力輥軋力矩，如圖3、圖 4 所示。整理得到最大輥軋力與最大輥軋力矩數(shù)值。根據(jù)較成熟的工程經驗公式計算對應數(shù)值，兩者相比如表 2 所示，可以看出：

最大輥軋力與最大輥軋力矩的仿真計算值與工程經驗計算值相差不大，由于實際工況下多個參數(shù)不可控，可以認為兩者計算結果基本一致，通過 CHABOCHE 本構模型進行仿真的計算結果較可信。

輥軋開始階段，輥軋力在 100000N 附近平穩(wěn)波動，而隨著輥軋進行到了后段，輥軋力及輥軋力矩迅速增加，通過分析可知，相關現(xiàn)象是后滑材料累積造成的結果，隨著軋制進行，材料逐漸積累到葉片后滑區(qū)，造成待軋制區(qū)域厚度增加，壓下量逐步增大，輥軋力隨之增大。

4.1 摩擦系數(shù)影響分析

冷輥軋過程中，盆模和背模擠壓葉片胚料，摩擦系數(shù)勢必會對葉片成形產生影響，實際生產中由于模具表面狀態(tài)原因易造成設備故障及產品缺陷，因此分析摩擦系數(shù)對葉片成形有重要作用。摩擦系數(shù)0.12和0.4工況下的輥軋力對比，如圖5所示。如圖所示在輥軋力最大位置，兩種摩擦系數(shù)輥軋力相差 171963-143006=28957N，達到 20.2%，輥軋過程平均輥軋力對比 112064-105237=6827N，摩擦系數(shù)由 0.12 到 0.4，輥軋力增加了 6.5%，因此摩擦系數(shù)對輥軋力影響較大。降低摩擦系數(shù)有利于減小輥軋力，采用各種加工手段提高模具表面粗糙度，改進潤滑，可以減小葉片輥軋所需設備噸位，并延長軋制過程中盆模背模使用壽命，降低生產成本。

實際生產中重要問題。取摩擦系數(shù) 0.12，軋輥轉速 2rad/s 進行分析，所得輥軋力變化，如圖 6 所示。其最大輥軋力為 144112N，與轉速0.8rad/s 工況下的最大輥軋力進行對比，相差 144112-143006=1106N，而平均輥軋力相差 106397-105237=1160N，增大約 1%。在軋輥轉速增加 67%的情況下，輥軋力僅增加 1%，因此在保證葉片成形質量情況下，可以選擇較大的軋輥轉速來提高工作效率，不需要過多考慮輥軋力。

4 結論

通過二次開發(fā)將 CHABOCHE 材料模型嵌入 DEFORM-3D軟件中，對航空發(fā)動機葉片輥軋過程進行仿真分析，對比了最大輥軋力和延伸量仿真值與工程經驗值，仿真結果較可信。

（1）葉片輥軋過程，前滑、后滑嚴重影響著塑性變形過程，整個仿真過程延伸量達到 20%左右，與實際情況相符。

（2）葉片輥軋開始階段輥軋力和力矩較平穩(wěn)，當軋至葉身 2/3 處輥軋力和輥軋力矩明顯增大，其中輥軋力增加約 40%。

（3）摩擦系數(shù)對輥軋力、輥軋力矩有較大的影響，摩擦系數(shù) 0.12 和 0.4 兩者最大輥軋力相差 20.2%，降低摩擦系數(shù)有較大實際意義。

（4）軋輥轉速對輥軋力、輥軋力矩影響較小，在一定范圍內，軋輥轉速增加 67%，輥軋力僅增加 1%，因此為了生產效率，可以選擇合適的軋輥轉速。