热等静压近净成形Inconel625涡轮盘数值模拟与试验研究

摘要

热等静压近净成形(NNS-HIP)技术能一次整体成形出复杂结构的镍基高温合金涡轮盘,具有制件致密、力学性能优良、节约材料等优点。在NNS-HIP过程中,粉末受压收缩比例大,并伴随不规则大变形。利用数值模拟预测粉末致密化和包套形变规律,从而优化包套结构是必不可少的环节。但是,HIP过程中粉末可压缩、变形大、边界可变,实现复杂结构的精确模拟在本构模型、材料参数、有限元求解等方面有待深入和系统研究。本文以Inconel625粉末为成形材料,应用HIP整体近净成形复杂涡轮盘零件,利用数值模拟优化包套结构,并进行了试验验证,详细表征和分析了HIP成形制件的组织与力学性能。具体内容和结论如下:
　　在连续介质塑性理论基础上,探讨了多孔体的可压缩性对其本构模型的影响,发现经Abouaf修正后的Shima模型能准确描述HIP中粉末体的流变行为,该模型引入了应力偏张量修正因子β和静水压力修正因子γ两个密度相关的参数来描述孔隙率对本构方程的影响。此外,为了考虑蠕变对本构方程的影响,本文选取了修正后的Raboin的双曲正弦幂律蠕变模型来描述粉末在高温下的粘塑性流变行为。
　　为了确定Inconel625的本构方程,本文通过HIP中断试验,获得了不同致密度试样。通过致密体的高温压缩实验,用最小二乘法拟合得到合金的Zener-Hollomon参数的表达式,该参数反应了温度补偿的应变率,在此基础上建立了Inconel625高温下的等效应变率与等效应力关系;通过HIP实验得到了粉末致密度、致密化速率和静水压力随时间的变化曲线,推导出了γ的表达式,该参数决定了本构方程中静水压力部分的表达形式;通过多孔体的压缩实验得到了β的表达式,该参数决定了粉末本构方程中应力偏张量部分的表达形式。
　　利用有限元程序MSC.Marc,模拟了“随形”和“上下对称”两种包套方案下的HIP近净成形涡轮盘过程,发现“随形”方案型芯变形大,粉末致密度低,“上下对称”方案控形好,粉末致密度高。模拟结果表明:薄壁软钢包套受压变形大,驱动粉末致密化,“上下对称”方案中大体积型芯基本不变形,达到了涡轮盘内部复杂流道控形的目的;包套变形经历了弹性变形、塑性屈服、时效强化、高温屈服和残余应力几个阶段;粉末先膨胀后分段致密化,呈现非定向复杂流动规律。选取“上下对称”方案进行HIP实验,发现模拟与实验吻合较好,表明数值模拟能准确地预测包套变形和粉末致密化规律,指导HIP近净成形的包套设计。
　　分析了HIP成形Inconel625制件的室温力学性能,结果显示:退火态试样拉伸强度比ASTM同质锻件标准高264MPa,但塑性较差,断后延伸率仅为16％。其微观组织SEM图表明:HIP成形的Inconel625合金晶粒细小(30μm左右),主要是由基体相γ、强化相?'和MC型碳化物组成。为了改善HIP制件的塑性,对试样进行了固溶和时效处理,结果表明:固溶处理后合金的塑性提升了52.5%,拉升强度降低了161MPa,其断口及微观组织SEM图表明,固溶状态下针状强化相'全部溶解于基体中,碳化物硬脆相由链状分布变为弥散分布,合金组织均匀,塑性良好;时效处理后合金的塑性提升12.5%,拉升强度降低了35MPa,其断口及微观组织SEM图表明,时效过程中,Nb和Mo会在Ni基体中析出,形成针状?'相,同时硬脆的碳化物在晶界处大量析出,导致合金的塑性提升有限。
　　综上所述,本文通过选取合适的粉末本构模型,实验获得了Inconel625合金粉末HIP的本构方程,利用有限元程序MSC.Marc实现了HIP近净成形复杂涡轮盘零件的数值模拟,通过模拟预测选取了合适的包套方案,分析了HIP过程中包套变形和粉末致密化规律,并研究了固溶和时效对Inconel625合金HIP制件性能的影响。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 粉末热等静压近净成形技术

1.3 金属粉末热等静压致密化数值模拟国内外研究进展

1.4 HIP数值模型及有限元实现

1.5 课题来源及主要研究内容

2 Inconel 625合金粉末的本构方程确定

2.1 引言

2.2 Inconel625合金粉末材料

2.3 热等静压中断试验

2.4 Inconel 625材料相关参数确定

2.5 Inconel 625密度相关参数确定

2.6 本章小结

3 HIP近净成形Inconel 625涡轮盘数值模拟与试验

3.1 引言

3.2 数值模拟与工艺优化

3.3 热等静压试验

3.4 本章小结

4 Inconel625合金热等静压件组织与性能表征

4.1 引言

4.2 Inconel625合金HIP态微观组织分析

4.3 力学性能改善研究

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士期间撰写的论文与专利