模具結(jié)構(gòu)對FGH4096合金擠壓變形影響的數(shù)值模擬研究

李 昌 ，陳蕾蕾 ，瞿宗宏 ，劉奎生 ，賴運(yùn)金 ，梁書錦

1) 中國航發(fā)貴州黎陽航空動力有限公司, 貴陽 550014 2) 西安歐中材料科技有限公司西安市3D打印用金屬粉末材料工程技術(shù)研究中心, 西安 710018

FGH4096是第二代損傷容限型粉末高溫合金，與第一代高強(qiáng)型粉末高溫合金FGH4095相比，使用溫度從650 ℃提高到了750 ℃，雖然該合金的抗拉強(qiáng)度降低了10%，但疲勞裂紋擴(kuò)展速率比第一代粉末高溫合金降低50%，因此，市場需求越來越大。粉末高溫合金由于生產(chǎn)工藝的特殊性，在最終成形件中常存在熱誘導(dǎo)孔洞、夾雜物和原始顆粒邊界這三類缺陷。在粉末高溫合金等溫鍛造成形工序前增加擠壓開坯工序，利用擠壓產(chǎn)生的大塑性變形，可以有效破碎粉末壓坯殘留的原始顆粒邊界[1]，改善夾雜物的分布，閉合熱誘導(dǎo)孔洞，為等溫鍛造提供均勻的細(xì)晶組織。因此，對FGH4096合金而言，對其熱擠壓工藝開展研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

針對熱擠壓工藝過程，模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)（模角、入口圓角半徑、工作帶長度）、成形工藝（擠壓比、擠壓溫度、擠壓桿速度）和其他特定的參數(shù)選取都會對擠壓過程和成形質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。受熱擠壓模具成本和FGH4096粉末成本的影響，目前只開展了少量針對模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱擠壓影響的研究，相關(guān)文獻(xiàn)也較少，而這些特定的參數(shù)直接影響到擠壓載荷和擠壓件的質(zhì)量與性能。本文采用有限元數(shù)值模擬的方法，對模具結(jié)構(gòu)對熱擠壓的影響進(jìn)行正交分析，并將此次研究取得的成果應(yīng)用到實(shí)際工藝中去。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 模具結(jié)構(gòu)

合理設(shè)計(jì)擠壓模具不僅可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品利用率，還可延長模具壽命。擠壓設(shè)備一般包含擠壓桿、擠壓筒、擠壓墊片、擠壓模具及其他配件，如圖1所示，其中α為模角，r為入口圓角半徑，h為工作帶長度，d0為擠壓筒直徑，d1為擠壓制品直徑。

圖1 擠壓設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of the extrusion equipment

在擠壓筒直徑、擠壓比、擠壓溫度、擠壓速度一定的情況下，通過有限元數(shù)值模擬研究模角、工作帶長度、入口圓角半徑對擠壓制品中的有效應(yīng)變分布、溫度分布和擠壓載荷的影響，優(yōu)化擠壓模具結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[2]。最終獲得組織均勻、晶粒度大于8級的擠壓制品。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

依據(jù)擠壓生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，擠壓模角、工作帶長度和入口圓角半徑是影響熱擠壓坯料變形的主要模具結(jié)構(gòu)因素，因此，通過這三因素的正交實(shí)驗(yàn)計(jì)算并分析各因素對變形的影響。參考相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了表1所示三因素三水平表。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的基本思想，要使設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛉娣从掣鱾€因素對熱擠壓變形的影響，三水平三因素至少需要9組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案見表2[3-5]。

表1 因素水平表Table 1 Factors level table

表2 正交實(shí)驗(yàn)表Table 2 Orthogonal table

1.3 模擬參數(shù)設(shè)定

熱擠壓開坯過程中，坯料和制品、模具均為軸對稱件，因此僅對一個面進(jìn)行模擬。坯料為φ296 mm×300 mm的FGH4096熱等靜壓錠，包套材料為304奧氏體不銹鋼，模具材料為H13。對于FG4096合金，采用熱力學(xué)軟件計(jì)算的本構(gòu)關(guān)系，304不銹鋼包套和H13模具采用有限元數(shù)值模擬軟件自帶的材料數(shù)據(jù)。

模擬過程中設(shè)置坯料擠壓溫度為1100 ℃，上下模具溫度為350 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，模具與坯料之間的摩擦系數(shù)0.3，坯料與模具的熱交換系數(shù)為11 N·s-1·mm-1·℃-1，坯料、模具與環(huán)境的熱交換系數(shù)為0.02 N·s-1·mm-1·℃-1[6-7]。擠壓筒直徑為φ300 mm，擠壓比為4:1，擠壓制品直徑為150 mm，擠壓速度為30 mm·s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠壓制品有效應(yīng)變分布

變形均勻可以使擠壓棒材獲得均勻的晶粒組織和殘余應(yīng)力分布。有效應(yīng)變與材料變形量有著密切的關(guān)系，通過擠壓棒材有效應(yīng)變的分布可以直接繪出擠壓制品變形量分布圖。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，F(xiàn)GH4096高溫合金經(jīng)過實(shí)驗(yàn)1#～9#不同的模具結(jié)構(gòu)熱擠壓變形后，擠壓制品內(nèi)有效應(yīng)變分布云圖如圖2所示。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)過程中制品內(nèi)有效應(yīng)變分布云圖：（a）1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#；（e）5#；（f）6#；（g）7#；（h）8#；（i）9#Fig.2 Effective strain distribution of the extrusion billets: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g) 7#; (h) 8#; (i) 9#

從圖2可以看出，F(xiàn)GH4096合金熱等靜壓錠在擠壓模具錐形區(qū)域才開始發(fā)生變形，坯料上部則在擠壓桿的作用下作剛性運(yùn)動，其分界面近似于扇形。擠壓制品內(nèi)有效應(yīng)變分布沿著擠壓制品徑向方向逐漸增大，擠壓制品的表面有效應(yīng)變大于心部，表面的有效應(yīng)變在2.250～3.000，心部的有效應(yīng)變在1.500～1.880。從圖2可知，無論模具結(jié)構(gòu)如何改變，擠壓制品頭部均存在有效應(yīng)變小于0.375的區(qū)域，即變形死區(qū)，這是由于擠壓制品的頭部區(qū)域是直接從擠壓筒流出而未經(jīng)過擠壓模具變形。由于擠壓制品頭部有效應(yīng)變較小，屬于變形死區(qū)，生產(chǎn)過程需要機(jī)加去除，如圖2中的機(jī)加部分。

模角對有效應(yīng)變的分布影響較大，模角越大，有效應(yīng)變分布均勻的區(qū)域減少，這是因?yàn)閿D壓出口處超過2.250（即變形量大于90%）的有效應(yīng)變區(qū)域變大；模角越小，心部出現(xiàn)有效應(yīng)變小于1.500 （即變形量小于78%）的區(qū)域，而且隨著模角減小，此類區(qū)域增大；當(dāng)模角為45°時，有效應(yīng)變分布均勻的區(qū)域最大，心部有效應(yīng)變小于1.500的區(qū)域較小，且出口處有效應(yīng)變大于2.250區(qū)域較少，有效應(yīng)變分布更為均勻[8-9]。從圖2可知，入口圓角半徑和工作帶長度對擠壓制品有效應(yīng)變分布影響不大[10]。

2.2 擠壓載荷

擠壓載荷的大小不僅決定進(jìn)行擠壓生產(chǎn)時的設(shè)備，同時也影響模具壽命。減小擠壓載荷是降低生產(chǎn)成本，延長模具壽命的有效手段。1#～9#實(shí)驗(yàn)不同模具結(jié)構(gòu)擠壓載荷的行程曲線見圖3。從圖3可以看岀，不同擠壓模具結(jié)構(gòu)相應(yīng)的最大擠壓載荷分別為44.1、43.6、43.7、41.7、41.2、41.6、40.0、40.2、40.1 MN，即隨著模角增加，擠壓載荷明顯增大。這是由于擠壓模具對熱等靜壓錠的軸向作用力和包覆層與擠壓模具之間摩擦力的軸向作用力都隨模角的增大而增大，因而使擠壓載荷增大。

熱等靜壓錠尾部擠出模具時，載荷會再次出現(xiàn)峰值，不同的擠壓模具結(jié)構(gòu)（1#～9#）相應(yīng)的最大載荷分別為42.7、43.0、42.3、40.3、40.6、40.1、33.6、34.1、33.7 MN，這個峰值也隨著模角的增大而增大。包覆層材料在擠壓過程前段、后段流動不均勻，由于包覆層材料和模具之間的摩擦作用，導(dǎo)致包覆層材料具有相對向上的流動趨勢，模角越大，摩擦阻礙力越大，使材料在隨后擠出時形成“堆積”越多，堆積情況越嚴(yán)重，尾部擠出模具時擠出載荷峰值越大。從圖3可知，入口圓角半徑和工作帶長度對擠壓載荷影響不大。

圖3 擠壓過程中擠壓載荷行程曲線：（a）1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#；（e）5#；（f）6#；（g）7#；（h）8#；（i）9#Fig.3 Load curve of the extrusion process: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g) 7#; (h) 8#; (i) 9#

2.3 擠壓制品內(nèi)溫度分布

在擠壓過程中，擠壓制品內(nèi)部溫度分布對擠壓制品的晶粒尺寸分布有重要的影響，因此對產(chǎn)品的性能也產(chǎn)生影響。熱等靜壓錠從加熱爐轉(zhuǎn)至擠壓工作臺的過程中，熱量的損失導(dǎo)致表面出現(xiàn)溫降。而擠壓制品的心部由于變形熱量和內(nèi)部熱量散失緩慢，會出現(xiàn)心部溫度高于擠壓溫度的情況。因此，擠壓過程中的控制重點(diǎn)是減少熱等靜壓錠轉(zhuǎn)移過程中表面的熱量損失，控制心部的溫升，避免產(chǎn)品出現(xiàn)過熱組織以及異常晶粒長大。1#～9#實(shí)驗(yàn)不同模具結(jié)構(gòu)擠壓制品內(nèi)溫度分布如圖4所示。

從圖4可以看岀，擠壓制品表面溫度低于心部溫度，這是由于表面熱量損失快引起的溫降導(dǎo)致的，擠壓制品心部溫度高于擠壓溫度70～100 ℃。不同的擠壓模具結(jié)構(gòu)從1#至9#實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的最大擠壓溫度分別為1200、1200、1200、1180、1180、1180、1170、1170、1170 ℃。擠壓筒出口處溫升現(xiàn)象比其余部分嚴(yán)重，擠壓模角對擠壓筒出口處溫度影響較大。模角增大使擠壓制品出口處產(chǎn)生更高的溫升，擠壓制品內(nèi)局部區(qū)域也會出現(xiàn)明顯的溫升，導(dǎo)致產(chǎn)品組織過熱或加速晶粒長大。從圖4可知，入口圓角半徑和工作帶長度對熱擠壓制品溫度分布影響不大。

圖4 擠壓制品內(nèi)溫度分布：（a）1#；（b）2#；（c）3#；（d）4#；（e）5#；（f）6#；（g）7#；（h）8#；（i）9#Fig.4 Temperature distribution of the extrusion billets: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g) 7#; (h) 8#; (i) 9#

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉方法獲得鎳基粉末高溫合金FGH4096粉末，對粉末進(jìn)行篩分、靜電去夾雜并封裝于304不銹鋼包套中，然后進(jìn)行真空裝粉、脫氣與封焊處理；對裝滿粉的不銹鋼包套進(jìn)行熱等靜壓處理，得到熱等靜壓錠。制作材料為H13的擠壓模具，模具的模角為45°，入口圓角半徑為15 mm，工作帶長度為30 mm，擠壓制品直徑為150 mm，擠壓筒直徑為300 mm。在擠壓溫度為1100 ℃，模具預(yù)熱溫度為350 ℃，擠壓比為4:1，擠壓速度為30 mm·s-1的工藝條件下進(jìn)行擠壓，擠壓設(shè)備選擇65 MN的臥室擠壓機(jī)，獲得了直徑為150 mm的擠壓制品。

對擠壓棒材進(jìn)行組織分析，分別在擠壓棒材心部、1/2半徑（R）處和邊緣位置進(jìn)行取樣，取樣位置如圖5所示，棒材高倍組織如圖6所示。從圖6可知，擠壓棒材心部和1/2R處組織均勻，晶粒度可達(dá)到9～10級，晶粒尺寸為10.9～13.1 μm；擠壓棒材邊緣處晶粒細(xì)小，晶粒為6.5～8.3 μm。組織演變受到溫度、應(yīng)變量和應(yīng)變速率等因素的綜合影響。溫度和變形量是變形工藝中對產(chǎn)品晶粒度影響最深的兩方面原因。

圖5 取樣位置示意圖Fig.5 Sketch of the sampling position

圖6 擠壓制品顯微組織形貌：（a）心部；（b）1/2R；（c）邊緣Fig.6 Microstructure of the extrusion billets: (a) core; (b) 1/2R; (c) edge

從模擬結(jié)果可知，擠壓棒材的心部溫度高于邊緣溫度，這和我們的實(shí)際分析是吻合的。心部溫度高是由于變形熱和散熱慢導(dǎo)致的，邊緣溫度低是由于在擠壓坯料出爐轉(zhuǎn)移過程中，和空氣直接接觸或擠壓過程中和擠壓筒直接接觸，而空氣和擠壓筒的溫度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于坯料溫度，導(dǎo)致邊緣溫度低。溫度越高，在產(chǎn)品形核和晶粒長大過程中給與的能量越高，晶粒尺寸越大。因此，擠壓制品心部晶粒尺寸大于擠壓制品邊緣位置。

從模擬結(jié)果可知，擠壓棒材邊緣的有效應(yīng)變大于心部，這是由金屬流動規(guī)律決定的。擠壓坯料心部金屬可通過平模出口直接流出，而坯料邊緣的金屬需沿著擠壓筒邊緣和平模出口端面流出，造成邊緣有效應(yīng)變大于心部，有效應(yīng)變越大，晶粒越細(xì)小，因此，擠壓制品邊緣的晶粒比心部細(xì)小。

通過溫度和有效應(yīng)變的模擬結(jié)果可知，心部溫度高于邊緣，導(dǎo)致心部晶粒組織比邊緣晶粒組織粗大。心部有效應(yīng)變小于邊緣，同樣導(dǎo)致心部晶粒組織比邊緣晶粒組織粗大。兩者作用累計(jì)，導(dǎo)致心部晶粒組織比邊緣晶粒組織粗大[11-15]。

對比圖6中擠壓制品高倍組織形貌和圖7中擠壓前顯微組織相貌可知，擠壓前的組織中存在原始顆粒邊界，經(jīng)過擠壓后的顯微組織中無原始顆粒邊界，并且組織得到了細(xì)化，由此可知，經(jīng)過擠壓變形可消除組織中的原始顆粒邊界這類粉末冶金件中存在的典型缺陷。

圖7 擠壓制品擠壓前（熱等靜壓態(tài)）組織示意圖Fig.7 Microstructure of the extrusion billet before extrusion

圖8為擠壓載荷隨擠壓時間變化曲線模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖8可知，數(shù)值模擬得到的擠壓載荷隨擠壓時間變化與實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果一致，最大擠壓載荷基本一致。數(shù)值模擬最大擠壓載荷為41.7 MN，而實(shí)際擠壓過程中最大載荷為42.6 MN；在擠壓過程的最后階段，即熱等靜壓錠尾端擠出模具時，均出現(xiàn)了第二個峰值，數(shù)值模擬結(jié)果為39.3 MN，實(shí)測結(jié)果約為40.2 MN。

圖8 擠壓載荷隨擠壓時間變化曲線：（a）模擬結(jié)果；（b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Extrusion load curves with the extrusion time: (a) simulation result; (b) experiment result

綜上所述，采用有限元數(shù)值模擬方法對FGH4096合金包覆擠壓過程進(jìn)行模擬，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測擠壓過程中坯料內(nèi)有效應(yīng)變分布、溫度分布、擠壓載荷隨擠壓時間變化，并能預(yù)測坯料的幾何尺寸。這些對于制定FGH4096鎳基粉末高溫合金包覆熱擠壓工藝具有重要意義。

4 結(jié)論

（1）在鎳基粉末高溫合金FGH4096擠壓過程中，模具模角控制在45°比較合適。

（2）熱擠壓入口圓角半徑和工作帶長度對擠壓制品內(nèi)有效應(yīng)變分布、溫度分布、擠壓載荷影響不大。

（3）通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，在擠壓模具模角為45°時，擠壓棒材心部和1/2R處組織均勻，晶粒度在9～10級之間，邊緣位置出現(xiàn)細(xì)晶組織，模擬的擠壓載荷和實(shí)際生產(chǎn)的擠壓載荷處于一個水平，可證明模擬參數(shù)設(shè)置合理，對實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。