GH4141 高溫合金十二角螺栓頂鐓工藝研究＊

關(guān) 悅 賀連棟 張 淼 劉 海 王書祥 方翠平 張亞龍

（①河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 信陽 464000；②中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071；③鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空宇航學(xué)院，河南 鄭州 450046）

GH4141 是沉淀硬化型鎳基變形高溫合金，在650～950 ℃范圍內(nèi)，具有高的拉伸和持久蠕變強(qiáng)度和良好的抗氧化性能，適用于制造在870 ℃以下要求有高強(qiáng)度和980 ℃以下要求抗氧化的高溫零部件[1-4]，如航空航天發(fā)動機(jī)高溫承力零部件、緊固螺栓等。由于GH4141 高溫合金的合金化程度較高、熱變形抗力較大，且鍛造溫度區(qū)間較窄，鍛造過程中存在成形載荷大、模具壽命低等問題[5-8]。如果鍛造工藝制定的不合理，將會導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)開裂、粗晶或混晶等缺陷，不僅會導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，甚至?xí)霈F(xiàn)模具開裂等問題[9-10]。所以需要對GH4141 高溫合金螺栓的成形工藝和模具設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，制定科學(xué)合理的鍛造工藝，確保工藝可靠，降低產(chǎn)品廢品率，對穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高模具壽命和降低產(chǎn)品開發(fā)成本有著十分重要的意義。

本文針對航空航天用GH4141 高溫合金十二角螺栓，提出一種頂鐓成形工藝。首先通過高溫壓縮實(shí)驗(yàn)對經(jīng)過均勻化處理后的GH4141 高溫合金的熱變形行為進(jìn)行了研究，并將高溫壓縮實(shí)驗(yàn)得到的GH4141 高溫合金的性能數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Deform-3D 中，對GH4141 高溫合金十二角螺栓的頂鐓成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了成形過程中的載荷-時(shí)間曲線、等效應(yīng)力場分布、等效應(yīng)變分布及不同頂鐓速度和不同摩擦系數(shù)對成形載荷的影響，最后根據(jù)模擬得到的工藝參數(shù)進(jìn)行了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工及工藝試驗(yàn)。最后工藝試驗(yàn)得到的GH4141 高溫合金十二角螺栓鍛件充填飽滿，無鍛造缺陷，對GH4141高溫合金十二角螺栓的實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 高溫壓縮實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

由于Deform-3D 材料庫中沒有GH4141 高溫合金的流變應(yīng)力數(shù)據(jù)，為了提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，需要將高溫壓縮實(shí)驗(yàn)得到的流變應(yīng)力數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Deform-3D 材料庫中[11-12]。實(shí)驗(yàn)材料為GH4141 高溫合金，合金成分見表1。利用Gleeble-1500D 熱模擬試驗(yàn)機(jī)分布在變形溫度為1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃、1 200 ℃和應(yīng)變速率為0.01 s-1、0.1 s-1的變形條件下壓縮變形到60%，將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到其流變應(yīng)力曲線，圖1 所示為實(shí)驗(yàn)得到的GH4141 高溫合金在不同的變形溫度和應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

表1 GH4141 合金成分（%）

由圖1 可以看出，GH4141 高溫合金的流變應(yīng)力曲線屬于典型的動態(tài)再結(jié)晶流變曲線，在不同的變形溫度和應(yīng)變速率下，在變形初期，GH4141 高溫合金的流變應(yīng)力隨變形量的增大迅速增大，在較小的應(yīng)變下達(dá)到峰值，這主要是因?yàn)樵谧冃纬跗谖诲e(cuò)密度迅速增加和積累，產(chǎn)生明顯的加工硬化，且加工硬化階段較短。在此階段，位錯(cuò)攀移和滑移引起的動態(tài)回復(fù)效應(yīng)較弱，無法抵消加工硬化的影響，因此其流變應(yīng)力迅速增大。之后流變應(yīng)力趨于平穩(wěn)略有下降，主要是因?yàn)樵诖穗A段，材料壓縮變形過程中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)密度逐漸增加，并達(dá)到動態(tài)再結(jié)晶的臨界密度，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用消除了加工硬化作用，所以流變應(yīng)力曲線逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

2 頂鐓成形工藝方案制訂

鍛造工藝的合理性及可靠性將直接影響鍛造設(shè)備的選型、鍛件的質(zhì)量及模具壽命[13-14]，因此需要先對工件進(jìn)行分析。首先根據(jù)零件圖設(shè)計(jì)鍛件圖。圖2 所示為GH4141 高溫合金十二角螺栓鍛件圖，鍛件分為上下兩部分，上部是十二角和法蘭，下部為螺栓桿部，經(jīng)過分析，采用頂鐓工藝成形上部。根據(jù)等體積原則，確定坯料規(guī)格尺寸為?34 mm×178 mm。

圖2 GH4141 高溫合金十二角螺栓鍛件圖

3 成形工藝方案數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 有限元模型的建立

首先利用三維造型軟件SolidWorks 建立坯料、模具三維模型并進(jìn)行裝配，保存為STL 格式，然后導(dǎo)入到Deform-3D 中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[15]。材料選用導(dǎo)入的GH4141 高溫合金，在頂鐓成形過程中不考慮模具的變形，設(shè)置為剛性體。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為50 000 個(gè)，頂鐓速度設(shè)置為40 mm/s，為了研究不同摩擦系數(shù)對成形載荷的影響，分布設(shè)置μ=0.15、μ=0.3 和μ=0.5 進(jìn)行計(jì)算。為了使得模擬結(jié)果更加接近實(shí)際生產(chǎn)，采用局部加熱的方式進(jìn)行模擬，只設(shè)置需要加熱的長度，并設(shè)置相應(yīng)的溫度梯度。圖3 所示為GH4141 高溫合金十二角螺栓頂鐓工藝有限元模擬模型，主要有頂鐓模、坯料和凹模組成。圖4 所示為坯料局部溫度設(shè)置結(jié)果示意圖。

圖3 有限元模型

3.2 成形過程分析

成形過程主要有3 個(gè)階段：第一階段為自由鐓粗階段，頂鐓模向下運(yùn)動到金屬材料與頂鐓模模腔接觸；第二階段為法蘭面成形過程，此時(shí)金屬材料向四周流動；第三階段為十二角充滿階段，最后頂鐓模和凹模接觸，形成封閉模腔，成形結(jié)束。圖5所示為GH4141 高溫合金十二角螺栓數(shù)值模擬成形過程示意圖。

圖5 成形過程示意圖

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 鍛件成形結(jié)果觀察

圖6 所示為鍛件成形結(jié)果示意圖，從圖中可以看出，在成形最終狀態(tài)，GH4141 高溫合金十二角螺栓鍛件與模具全部接觸，鍛件充填飽滿。

圖6 鍛件成形結(jié)果示意圖

3.3.2 不同摩擦系數(shù)下的載荷-時(shí)間曲線

圖7 所示為不同摩擦系數(shù)下頂鐓模的載荷-時(shí)間曲線，從圖中可以看出，在變形初期，頂鐓模的載荷較小，且不同摩擦系數(shù)下頂鐓模的載荷-時(shí)間曲線基本重合，這主要是因?yàn)樵谧冃纬跗谥饕亲杂社叴诌^程，坯料尚未與模具型腔接觸，金屬流動阻力較小。隨著變形的繼續(xù)，金屬逐漸與模具模腔接觸，此時(shí)摩擦系數(shù)越大，金屬流動阻力越大，成形力也越大，在最后階段，頂鐓模下端和凹模下端接觸，形成封閉模腔，成形力也急劇增加，μ=0.12時(shí)，頂鐓模最大載荷為3.56×106N；μ=0.3 時(shí)，頂鐓模最大載荷為3.89×106N；μ=0.5 時(shí)，頂鐓模最大載荷為4.18×106N。說明鍛造過程中潤滑的重要性，良好的潤滑不僅有助于降低成形力，改善金屬流動狀態(tài)，在實(shí)際生產(chǎn)中還能有效提高模具壽命，降低生產(chǎn)成本。

圖7 不同摩擦系數(shù)下頂鐓模的載荷-時(shí)間曲線

3.3.3 金屬流動規(guī)律分析

金屬流動規(guī)律是指金屬在受力作用下的變形規(guī)律。金屬在受到外力作用時(shí)，會發(fā)生變形，這種變形是由于金屬內(nèi)部原子的移動和重新排列所引起的。金屬流動規(guī)律是研究金屬變形的基礎(chǔ)，對于金屬加工和制造具有重要的意義。

在Deform-3D 有限元模擬過程中，用速度場來表示金屬流動規(guī)律，用箭頭方向表示金屬流動的方向。圖8 所示為GH4141 高溫合金十二角螺栓頂鐓成形過程中工件的速度場分布圖，從圖中可以看出，在變形初始階段，金屬材料受頂鐓模壓力向下流動，此時(shí)金屬材料的變形為自由鐓粗，金屬流動阻力較小，金屬流動情況比較簡單，如圖8a 所示。隨著頂鐓模壓下量的增加，金屬材料逐漸與頂鐓模模腔接觸，模腔內(nèi)的金屬材料向下流動，模腔外的金屬材料自由鐓粗，逐漸向周邊流動，金屬材料流動情況也比初始階段更為復(fù)雜，如圖8b 所示。在成形的最后階段，頂鐓模和凹模形成封閉模腔，金屬流動阻力急劇增加，金屬流動劇烈程度達(dá)到最大，如圖8c 所示。

圖8 成形過程中速度場分布圖

3.3.4 等效應(yīng)力場分布

圖9 所示為GH4141 高溫合金十二角螺栓頂鐓成形過程不同階段工件的等效應(yīng)力場分布圖，從圖中可以看出，成形的不同階段等效應(yīng)力的大小和分布是不均勻的。在變形的初始階段，主要是完全自由鐓粗階段，坯料與頂鐓模模腔也沒有接觸，此時(shí)應(yīng)力分布比較均勻，數(shù)值較小，如圖9a 所示。隨著變形的進(jìn)行，金屬材料逐漸與頂鐓模模腔接觸，位于頂鐓模下方的材料開始逐漸向四周流動，此時(shí)應(yīng)力值主要集中在該變形區(qū)域，由于此區(qū)域的金屬材料也是處于自由鐓粗狀態(tài)，金屬流動阻力較小，因此應(yīng)力值也不大，如圖9b 所示。隨著頂鐓模與凹模接觸，形成完全封閉的模腔，根據(jù)最小阻力定律，金屬難以向最遠(yuǎn)的邊角處移動，此時(shí)邊角處的應(yīng)力值達(dá)到最大，應(yīng)力最大值為350 MPa，如圖9c所示。經(jīng)過計(jì)算，模具單位面積壓力在熱作模具鋼H13 的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，并具有一定的安全系數(shù)，不會導(dǎo)致模具開裂。

圖9 成形過程中等效應(yīng)力場分布圖

3.3.5 等效應(yīng)變場分布

圖10 所示為GH4141 高溫合金十二角螺栓頂鐓成形過程不同階段工件的等效應(yīng)力場分布圖，從圖中可以看出，在成形的各個(gè)階段，等效應(yīng)變值的大小和分布也是不均勻的，但是整體來看，等效應(yīng)變值均不大，說明整個(gè)頂鐓成形過程中，金屬流動平緩，且其等效應(yīng)變場分布規(guī)律一致，在參與變形的區(qū)域，等效應(yīng)變值較大。在初始階段，等效應(yīng)變值主要集中在頭部區(qū)域，此時(shí)該區(qū)域金屬材料處于完全自由鐓粗狀態(tài)，材料流動阻力較小，因此等效應(yīng)變值也較小，如圖10a 所示。在第二階段，參與變形的區(qū)域主要是頂鐓模外面的金屬材料，在此階段，最大等效應(yīng)變值出現(xiàn)在該變形區(qū)域，如圖10b 所示。最后階段，是十二角和法蘭面充填飽滿的階段，此時(shí)等效應(yīng)變主要集中在變形劇烈的邊角區(qū)域，如圖10c 所示。

圖10 成形過程中等效應(yīng)變場分布圖

4 頂鐓工藝試驗(yàn)

利用Deform-3D 數(shù)值模擬并優(yōu)化得到的GH4141高溫合金十二角螺栓頂鐓成形工藝參數(shù)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)并加工一套頂鐓套成形模具。圖11 所示為頂鐓模具結(jié)構(gòu)簡圖，將模具安裝于JM31-400 壓力機(jī)上，經(jīng)過調(diào)試后進(jìn)行頂鐓工藝試驗(yàn)，圖12 所示為工藝試驗(yàn)所用的壓力機(jī)實(shí)物圖。由于Deform 模擬時(shí)考慮到網(wǎng)格重新劃分導(dǎo)致網(wǎng)格畸變從而使得體積減小，在模擬時(shí)坯料比實(shí)際的要長一些，實(shí)際工藝試驗(yàn)時(shí)需要稍微把坯料縮短，經(jīng)過計(jì)算，下料規(guī)格為?34 mm×176.4 mm。工藝試驗(yàn)得到的GH4141 高溫合金十二角螺栓鍛件充填飽滿，經(jīng)過檢測，鍛件尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，沒有出現(xiàn)鍛件缺陷，圖13 所示為模擬得到的鍛件和經(jīng)過表面處理后的GH4141 高溫合金十二角螺栓鍛件對比圖，試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模具和工藝過程的可行性。

圖11 頂鐓模具結(jié)構(gòu)簡圖

圖12 試驗(yàn)用壓力機(jī)實(shí)物圖

圖13 模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比

5 結(jié)語

（1）通過高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了不同變形溫度和應(yīng)變速率下GH4141 高溫合金的流變應(yīng)力曲線。

（2）通過數(shù)值模擬分析，得到了GH4141 高溫合金十二角螺栓頂鐓成形過程中的金屬流動規(guī)律、不同摩擦條件下的載荷-時(shí)間曲線、等效應(yīng)力場分布及等效應(yīng)變場分布。

（3）工藝試驗(yàn)得到的鍛件充填飽滿，無鍛造缺陷，說明本文提出的GH4141 高溫合金十二角螺栓頂鐓成形工藝是可行的，對GH4141 高溫合金十二角螺栓的實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。