Gh4169合金锻件晶粒度分析及预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高温合金锻造领域，具体涉及GH4169合金锻件晶粒度分析及预测方 法。
【背景技术】
[0002] GH4169合金广泛应用于航空、航天、核工业和石化工业中的零部件制造，如航空发 动机的涡轮盘、压气机盘、机匣、涡轮轴及叶片等。为了满足航空发动机上述关、重零件对 强度、高、低轴疲劳等力学性能的要求，需要该合金的晶粒度满足设计要求。GH4169合金固 溶热处理温度低于静态再结晶温度，使得该合金在固溶热处理时无法进行静态再结晶。因 此，GH4169合金中的再结晶均是通过锻造过程中的动态再结晶完成的，即GH4169合金锻件 的晶粒形貌和再结晶程度在随后的热处理与零件加工制造过程中不会改变只能通过锻造 过程控制晶粒度。因此，准确分析和预测GH4169合金锻造过程的晶粒度具有重要意义。目 前，国内外公开发表的文献一般只涉及GH4169合金高温变形过程的组织演化试验研宄以 及数学模型建立，如：国外的Sellars，Brand, Sinczak等以及国内的刘东、王岩等，建立了 GH4169合金动态再结晶、亚动态再结晶及晶粒长大的数学模型。但是，这些模型均基于等温 恒应变速率压缩实验建立，试样尺寸小一般为Φ8Χ 12mm或者Φ IOX 12mm，且只适用于特 定的初始组织状态和变形条件，不能直接应用于实际生产中GH4169合金的晶粒度预测。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述问题，本发明提供一种锻造时热力参数与晶粒度的关系用图形给 出，使用方便、预测准确度高的GH4169合金锻件晶粒度分析及预测方法。
[0004] 本发明GH4169合金锻件晶粒度分析及预测方法，包括以下步骤： 第一步，采用GH4169合金亚尺寸双锥试样置于锻压设备的上下砧板之间，进行近等温 锻压缩实验； 第二步，对GH4169合金亚尺寸双锥试样近等温锻压缩实验过程进行有限元模拟，获得 试样纵截面上的锻造热力参数； 第三步，将压缩实验得到的圆饼试样沿纵截面剖开，于径向中心线上选取7~10个金相 观测点进行组织观察，确定观测点的晶粒度，观测点位置根据第二步中得到的试样纵截面 内径向中心线上等效应变数值大小以等梯度原则确定； 第四步，根据第二步所得到的有限元计算结果，确定金相观测点的锻造热力参数值； 第五步，根据上述第三步和第四步得到的晶粒度和锻造热力参数值，绘制晶粒度与锻 造热力参数关系的等值线图； 第六步，对GH4169合金锻件实际生产过程进行有限元数值模拟，获得锻件内部的锻造 热力参数值； 第七步，根据上述第六步的有限元模拟结果，统计锻件内待分析及预测部位的锻造热 力参数； 第八步，根据上述第七步统计的锻造热力参数数值，应用第五步绘制出的晶粒度与锻 造热力参数的等值线图确定锻件内待分析及预测部位的晶粒度。
[0005] 优选地，所述有限元模拟主要边界条件包括：锻件或模具与空气的换热系数，锻件 与模具的换热系数，锻件与模具的摩擦系数。
[0006] 优选地，所述有限元模拟主要边界条件设定为：锻件或模具与空气的换热系数为 20 (?Τ·#Γ2·尤-1);锻件与模具的换热系数为2000 UF 锻件与模具的摩擦系 数为〇. 2。
[0007] 本发明应用建立的GH4169合金锻造热力参数与晶粒度的关系等值线图对GH4169 合金锻件内的晶粒度进行分析和预测，使用方便、预测准确度高。
【附图说明】
[0008] 图1为GH4169合金双锥试样结构示意图。
[0009] 图2为GH4169合金双锥试样微观组织图。
[0010] 图3为GH4169合金双锥试样压缩后的示意图。
[0011] 图4为GH4169合金双锥试样压缩后横截面内温度和等效应变的分布云图。
[0012] 图5为GH4169合金双锥试样压缩后，加热温度为990°C时得到的试样典型部位的 微观组织图。
[0013] 图6为GH4169合金晶粒度与锻造热力参数之间关系的等值线图。
[0014] 图7为GH4169合金五级盘件热力参数分布情况图。
[0015] 图8为GH4169合金五级盘件待分析预测各点位置示意图。
[0016] 图9为GH4169合金五级盘锻件待测各点的晶粒度。
[0017] 图10为GH4169合金五级盘待分析预测各点显微组织图。
[0018] 图11为GH4169合金5-8级盘热力参数分布云图。
[0019] 图12为GH4169合金5-8级盘锻件待分析及预测各点位置示意图。
[0020] 图13为GH4169合金5-8级盘锻件待分析及预测各点的晶粒度。
[0021] 图14为GH4169合金5-8级盘锻件取样点处的显微组织图。
【具体实施方式】
[0022] 实施例一 对GH4169合金五级盘，在SPKA22400螺旋压力机上获得的模锻件进行晶粒度分析及预 测； 第一步，GH4169合金双锥试样压缩试验 采用附图1所示的GH4169合金双锥试样在螺旋压力机的上下砧板之间，进行近等温 锻压缩试验，GH4169合金双锥试样原始晶粒度为5级，参见附图2。试验主要参数包括：上 下砧板加热温度为900°C ;GH4169合金双锥试样加热温度为930°C、960°C、990°C、10KTC和 1040°C ;GH4169合金双锥试样最大变形程度为60% ;变形结束后，将试样迅速置于水槽进行 水冷处理，附图3为压缩后圆饼的示意图。
[0023] 第二步，GH4169合金双锥试样压缩试验过程有限元模拟 对GH4169合金双锥试样压缩试验过程进行有限元模拟，主要边界条件包括：GH4169合 金双锥试样或砧板与空气的换热系数（?Τ·?_2 βΓ-1 ) :20 ;GH4169合金双锥试样与上下砧 板的换热系数（JT _?Γ2 _尤―1 ):2000 ;GH4169合金双锥试样与上下砧板的摩擦系数：0. 2。附 图4给出了模拟得到的GH4169合金双锥试样横截面内温度和等效应变的分布云图，图中， 对称轴左侧为温度的分布云图，对称轴右侧为等效应变的分布云图。
[0024] 第三步，测定GH4169合金双锥试样压缩后典型部位的晶粒度 压缩后获得的圆饼GH4169合金双锥试样沿子午面剖开，于每个试样横截面中心部位 由边缘至中心选取7个典型部位进行组织观察，附图5给出了试样加热温度为990°C时得到 的试样典型部位的微观组织，并按GB/T 6394-2002规定的金属平均晶粒度测定方法，测定 典型部位的晶粒度。
[0025] 第四步，统计GH4169合金双锥试样典型部位的锻造热力参数 由第二步得到的有限元计算结果，获得第三步中典型部位的锻造热力参数主要包括温 度和等效应变数据。
[0026] 第五步，绘制晶粒度与锻造热力参数关系的等值线图 由第三步和第四步得到的晶粒度和锻造热力参数，该锻造热力参数包括温度和等效应 变数据，绘制晶粒度与锻造热力参数之间关系的等值线图，附图6。
[0027] 第六步，对锻压设备上GH4169合金锻件实际生产过程进行有限元数值模拟；应用 DEFORM 2D软件对GH4169合金五级盘SPKA22400螺旋压力机上实际生产过程进行有限元 数值模拟，有限元模型的主要边界条件包括：锻件或模具与空气的换热系数（?Τ·?_2 ):20 ;锻件与模具的换热系数（?Τ·??Γ2 ·^4):2000 ;试样与上下砧板的摩擦系数：0. 2。主 要工艺参数包括：锻件预热温度：990°C ;模具预热温度：30(TC ;锤击次数：3 ;每锤的能级： 0. 5,07,0. 95。模拟得到的锻件内热力参数分布情况参见附图7,图中对称轴左侧为等效应 变分布情况，右侧为温度的分布情况。
[0028] 第七步，根据上述第六步的有限元模拟结果，按照附图8所示位置统计锻件内的 热力参数值，结果列于下表：附表1。
【主权项】
1. 一种GH4169合金锻件晶粒度分析及预测方法，包括以下步骤： 第一步，采用GH4169合金亚尺寸双锥试样置于锻压设备的上下砧板之间，进行近等温 锻压缩实验； 第二步，对GH4169合金亚尺寸双锥试样近等温锻压缩实验过程进行有限元模拟，获得 试样纵截面上的锻造热力参数； 第三步，将压缩实验得到的圆饼试样沿纵截面剖开，于径向中心线上选取7~10个金相 观测点进行组织观察，确定观测点的晶粒度，观测点位置根据所述第二步中得到的试样纵 截面内径向中心线上等效应变数值大小以等梯度原则确定； 第四步，根据第二步所得到的有限元计算结果，确定金相观测点的锻造热力参数值； 第五步，根据上述第三步和第四步得到的晶粒度和锻造热力参数值，绘制晶粒度与锻 造热力参数关系的等值线图； 其特征在于，第六步，对GH4169合金锻件实际生产过程进行有限元数值模拟，获得锻 件内部的锻造热力参数值； 第七步，根据上述第六步的有限元模拟结果，统计锻件内待分析及预测部位的锻造热 力参数； 第八步，根据上述第七步统计的锻造热力参数数值，应用第五步绘制出的晶粒度与锻 造热力参数的等值线图确定锻件内待分析及预测部位的晶粒度。
2. 如权利要求1所述GH4169合金锻件晶粒度分析及预测方法，其特征在于，所述有限 元模拟主要边界条件包括：锻件或模具与空气的换热系数，锻件与模具的换热系数，锻件与 模具的摩擦系数。
3. 如权利要求1所述GH4169合金锻件晶粒度分析及预测方法，其特征在 于，所述有限元模拟主要边界条件设定为：锻件或模具与空气的换热系数为20 ( IT ·?-2 ;锻件与模具的换热系数为2000 (fF·?-2，尤-1);锻件与模具的摩擦系数 为 0· 2〇
【专利摘要】本发明GH4169合金锻件晶粒度分析及预测方法。涉及高温合金锻造领域，具体涉及GH4169合金锻件晶粒度分析及预测方法。包括以下步骤：采用GH4169合金亚尺寸双锥试样进行近等温锻压缩实验；对近等温锻压缩实验过程进行有限元模拟，获得试样的锻造热力参数；确定晶粒度，根据有限元计算结果，确定锻造热力参数值；根据得到的晶粒度和锻造热力参数值，绘制晶粒度与锻造热力参数关系的等值线图，对GH4169合金锻件实际生产过程进行有限元数值模拟，统计锻造热力参数；应用绘制出的晶粒度与锻造热力参数的等值线图确定锻件内待分析及预测部位的晶粒度。本发明应用建立的GH4169合金锻造热力参数与晶粒度的关系等值线图对GH4169合金锻件内的晶粒度进行分析和预测，使用方便、预测准确度高。
【IPC分类】G01N15-02
【公开号】CN104729962
【申请号】CN201510075808
【发明人】杨艳慧, 刘 东, 王建国
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年2月13日