蔡军(西北工业大学)
　　摘 要　　FGH96合金是我国新研制的镍基粉末高温合金，由于其变形抗力大，热力参数容差小，锻后组织对热力参数敏感且难以控制，给其盘件的等温成形工艺和模具提出了更高的要求。
　　采用MSC.Superforge有限体积模拟软件对FGH96合金盘件的等温成形过程进行了模拟，结果表明：FGH96合金盘件在最终成形时，所需载荷急剧上升，远远超出现有设备所能提供的吨位。为保证锻件的最终成形，应采取预锻和锻间热处理工步。工厂原有的两套成形方案均存在一定的缺陷，通过模拟分析并经工艺修改后给出的工艺方案，能使坯料在设备允许的范围内很好地完成盘件的成形。
　　对FGH96合金盘坯的两次镦粗成形工艺进行了模拟。通过对不同圆弧半径模具镦粗成形过程的模拟，分析了模具圆弧半径对预制坯相对直径比、镦粗后变形均匀程度以及镦粗后等效应变速率的变化规律等进行了讨论。得到了合理的模具半径范围，为FGH96合金盘件预制坯的工艺制定提供了～种新的选择。根据锻模型腔热负荷来源，通过非稳态传热理论，分析讨论了模具工作表层温度分布与热传递规律，推导出了型腔表面温度分布梯度与热流密度的计算公式以及锻模型腔表面温度峰值的表达式，并分析讨论了温度波在模具中的传递规律，热影响区范围以及影响机理。同时对模具的冷却与重复加热过程进行了有限元模拟，得到了模具在冷却与再升温过程中的温度变化规律与应力分布情况。
　　采用ANSYS有限元模拟软件对等温锻造整体模具及组合模具的受热及承载情况进行了模拟。通过模拟发现，模具型腔尺寸的变化主要来自于模具受热膨胀所带来的热位移，而采用组合模具结构可以有效地减小模具的应力集中现象，本文中所讨论的模具结构基本合理，在实际生产中可行：通过对模具冷却和再加热分析表明：模具在冷却与重复加热过程中，承受着长时间较大的热应力作用，这是造成模具高温低周疲劳破坏的主要原因。
　　关键词　　粉末高温合金：等温锻造;模具热负荷;数值模拟;组合模具

　　1.1   引言　　第1章绪 论
　　等温锻造是近年来国内外发展起来的一种新工艺，它是在坯料温度与模具温度基本保持一致的情况下，以较高的温度，较低的应变速率(一般为10-3—10-2/s)下完成锻造。上世纪60年代末，Tpasad.JS等人在1500t压力机下使用IN7l3C与IN100作为模具材料试验等温锻造Ti工件;上世纪70年代初期，Kulkami.KM等人研究Ni基高温合金作为模具材料等温锻造Ti合金工艺;上世纪70年代中期，GessingerG.通过设备、锻件机加工费用和成本有效性等几方面对比后认为，等温锻造是一种低成本的精密锻造方法，特别适合机械加工费用高、材料昂贵的高度复杂锻件的成形。等温锻造一般在液压机上进行，并且需要特殊的模具加热装置或惰性气体保护。采用等温锻造出来的锻件，具有组织均匀，呈各向同性，机械性能好等优点。同时锻件回弹小，尺寸稳定，材料利用率高，表面质量好，有些材料的锻件甚至不需要进行后续的热处理工艺。采用等温成形制造的薄壁锻件具有良好的拉伸强度和综合机械性能，是用于宇航产品加工中最经济实用的成形方法，目前常用于产品的一次加工，这类产品微结构均匀一致，机械性能良好。与常规锻造相比，等温锻造具有以下优点：
　　(1)变形速率低，变形温度恒定，在锻造过程中，无模冷、表面氧化和局部过熟现象，且动态再结晶充分，能够显著地提高金属的塑性。如镁合金与铝合金的热传导系数是模具钢的2～2.5倍，当采用普通锻造方法时，由于模具的激冷现象，会造成坯料温度的急剧下降，变形阻力迅速上丹，塑性下降。图1-l为Ti.6A1，6v.2Sn合金等温锻造条件下变形速度与温度对合金流动应力的影响曲线，从图中可以看到温度越高，合金的流动应力越小，变形速度越低合金流动应力也越小。等温锻造温度高，变形速度底，因此可以有效地减小难变形金属材料的流动应力，提高其变形能力。
　　(2)成形时成形零件的尺寸精度高，可以完成净成形(near-net shape)加工，极大提高材料的利用率。如钛合金和高温合金变形抗力大，变形温度高，变形温度范围狭窄，通常只能锻成粗锻件。在发动机中锻件金属利用率只有10～20%，飞机结构件中甚至低于10%，造成大量金属的浪费，而采用等温锻造工艺可以使得材料的利用率达到80%以上，从而大大节省了原材料。俄罗斯雷平斯克等航空发动机厂采用等温锻造钛合金叶片，每片可节约原材料消耗数十克至十几公斤。此外，等温锻造叶片的加工余量与普通锻造叶片相比减少4～6倍。
　　图11 Ti-6Al_6v_2sn合金等温锻造条件下变形速度和温度对流动应力的影响
　　(3)锻造过程中有时坯料处于超塑性状态，从而减少了模具激冷和材料应交硬化的影响，因此锻造载荷小，可以锻造出形状复杂的大型结构件和精密锻件，如Ti一6A1-4V合金的锻造温度从920度下降到820度时，变形阻力几乎加倍，而采用等温锻造加工时其压力仅为热模锻的1/5～l/10。
　　(4)锻件纤维连续，力学性能好，无残余应力，具有均匀一致的微观组织和优良的机械性能。
　　(5)与其住锻造方式相比，等温锻造更易于实现xx控制。实现从模具及坯料的设计到成形过程温度速率控制的全面自动化，因此是提高效率和质量的基本保障。
　　作为加工手段，等温锻造还有以下两大应用方向：{dy}，在常规锻造中，可根据产品的微观组织、机械性能和成本要求，将等温锻造作为锻件局部的加工手段，以获得{zj0}的加工线路;第二，某些产品希望微观组织不全相同和具有多种机械性能要求时，可利用等温锻造方法控制成形温度、应变速率、变形程度等来控制微观组织，以实现组织优化的目标。
　　目前随着宇航工业的迅速发展，多种特殊材料如钛、钨、铌、钽、铝、锆等超合金、粉末合金以及非金属材料的应用越来越广泛。由于等温锻造有以上许多优点，所以已被广泛应用于航空航天制造领域。为了实现航空难变形材料复杂构件的近无余量整体成形技术，等温锻造或者等温超塑性锻造技术的研究和应用越来越迫切，应用也越来越广泛，等温锻造已经成为先进难变形材料的主要成形工艺州，仅型号项目就涉及到钛合金、高温合金、粉末高温合金及金属问化合物等航空难变形材料的等温锻造技术，同时也广泛用于Mg合金等轻金属的锻造加工。美国铝业公司使用等温超塑性模锻F-14战斗机钛合金加强板和支撑底座机件，框架加强板的投影面积达到10320mm2，锻件的重量为仅为0.32kg，加强肋的最小壁厚为3.71mm，支撑底座投影面积为13545mm2，最小厚度为2.66mm。美国普·惠公司采用等温锻造F100发动机涡轮盘，坯料重56.8 kg，而普通锻件的坯料重达112.5kg。美国某空军基地使用Ti-6A1-4V钛合金隔框等温精锻件，重量仅为29堙，而普通锻造锻件的重量达158kg，每件减少125 kg的机加工量。俄罗斯伊尔76民航机上的中小型钛合金锻件中已有200种件号采用了等温锻造，其材料利用率达7096～80%，总成本降低了2～3倍。俄罗斯伊尔76民航机上的中小型钛合金锻件中已有200种件号采用了等温锻造，其材料利用率达70%～80%，总成本降低了2～3倍。等温锻造的主要缺点是使用昂贵的模具材料和可控的模具加热系统。模具材料加工工艺性能差，材料昂贵，不适合批量生产。锻造在xx封闭的模具型腔内进行，金属材料的流动比较复杂，难以预测。

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