gh4169的应用

GH4169简介：

GH4169合金在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的，并具有良好的耐辐射、耐氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能良好。能够制造形状复杂的零部件

该合金的另一特点是合金组织对热加工工艺特别敏感，掌握合金中相析出和溶解规律及组织与工艺、性能的相互关系，可针对不同的使用要求制定合理、可行的工艺规程，就能获得可满足不同强度级别和使用要求的零件。机匣等零部件长期使用。

GH4169 的化学成分:

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GH4169物理性能：

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GH4169特性：

GH4169是Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型变形高温合金，长时使用温度范围-235°C～650°C,短时使用温度可达800°C。合金在650°C以下强度较高

，具有良好的抗疲劳﹑抗辐射﹑抗氧化和耐腐蚀性能，以及良好的加工性能﹑焊接性能和长期组织稳定性。

GH4169 应用：

合金已用于制作航空发动机、环件、机匣、轴、叶片、紧固件、弹性元件、燃气导管、密封元件和焊接结构件等；制作液氢、制作核能工业应

用的各种弹性元件和格架；制作石油和化工领域应用的多种零件。

GH4169 叶片冷辊轧成形过程数值模拟分析

摘 要：以航空发动机用 GH4169 五级叶片冷辊轧工艺为研究对象，应用 DEFORM 二次开发子程序，向有限元软件中添加适合分析高温合金塑性变形的 CHABOCHE 本构模型，然后根据实际工况进行辊轧过程数值模拟，所得最大辊轧力和延伸量与实际经验值符合，验证了仿真模型准确性。进一步分析了叶片辊轧过程中材料流动，并探讨了摩擦系数与轧辊转速对叶片辊轧力的影响。

结果表明：开始阶段辊轧力较平稳，当轧至叶身 2/3 附近，由于后滑原因，辊轧力迅速增加约 40%；摩擦系数对辊轧力、辊轧力矩有较大的影响，摩擦系数为 0.12 和 0.4 时，两者最大辊轧力相差 20.2%，而轧辊转速对辊轧力影响较小。

引言

辊轧工艺在高温合金叶片加工中应用广泛，它克服了传统加工方法周期长、材料利用率较低等缺点[1]。

而航空发动机叶片具有变截面，变弦宽，有扭角等特点，其冷辊轧加工过程属于非稳态大变形过程，工艺过程较难控制，使得叶片工艺设计中的前滑、压下量、展宽等参数难以精确计算，另外实际生产中叶片易形成弓背、模具寿命低、叶片轧制状态不稳定、生产效率低等问题，也严重影响产品设计和生产周期[2]。

目前叶片辊轧工艺优化研究主要依赖于经验公式或者实验分析，但是经验公式误差较大，某些环节并不可靠，而实验需要耗费大量人力物力，工作量大成本非常高，因此计算机辅助分析方法就成为比较有效的解决途径。进行辊轧仿真模拟，并运用相关实验或计算公式进行验证，能够在较小误差下，高效深入的研究辊轧成形和关键工艺参数影响，进而优化工艺提高叶片加工质量。

金属成形有限元法分为弹塑性有限元法和刚塑性有限元法，冷辊轧中弹性变形占总变形比例非常小，应用刚塑性有限元法能够更高效的进行分析计算。DEFORM-3D 是基于刚塑性本构关系的有限元分析软件，它在大塑性变形的分析中应用广泛，适合分析叶片辊轧过程。

2 CHABOCHE 模型二次开发

GH4169 是沉淀硬化性镍基高温合金，国际牌号Inconel718，广泛应用于航空航天、核工业等高科技行业的深冷和高温场合。CHABOCHE 属于粘弹塑性统一本构模型，经过不断理论优化与实际验证，已经能够较可靠的分析高温及各种循环载荷下的塑性变形问题[3]，比较适合描述高温合金叶片塑性大变形问题中的力学和机械性能[4-5]，目前 CHABOCHE 本构方程有多种数学表达形式[]，本研究所涉及到的本构方程主要为以下几项

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对叶片材料 GH4169 循环硬化相关方面建模，并进行简化涉及到 CHABOCHE 模型包含 11 个参数，其中，K，n 为材料率敏感特性常数；a，c 为相关背应力演化参数；Q，b，k 为材料初始屈服强度和各向同性硬化参数。如表 1 所示，相关参数值来源于文献[4]，该作者通过拉伸试验、对称和非对称加载试验，并利用 L-M 非线性优化算法求得。

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将上文列出的式（1）~式（3）以用户子程序的方式嵌入软件，并定义相关自变量，方便查看这些变量在辊轧过程中的变化情况，使之成为整个有限元程序运行时的一部分。项目共 4 个子程序（USRMTR、USRUPD、USR、USRMSH），包括变量赋值，计算自定义单元及节点变量，存储数据等功能。

3 仿真参数设置

选取航空发动机在产 GH4169 五级叶片，辊轧状态，如图 1 所示。叶片宽度为 30mm，叶身厚度不均，其中，最薄处约为 0.4mm。

由于研究对象为叶片，将模具设定为刚体[8]，辊轧过程网格变化剧烈，需要不断进行网格重划分，综合考虑运算精度和效率，选用四面体进行体网格划分，并采用软件局部网格细化功能，将网格密度设置为 0.6，并设置细化比例 0.01，最终单元数为 18536 个，最小单元约 0.3mm。

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运动过程分为 2 部分，首先轧辊强制咬入胚料，两轧辊做相互靠近的平动，盆模速度 10mm/s，背模静止，将步长设置为 0.1mm，总步数 100 步；接下来轧辊转动，使坯料经过型槽，形成叶片形状，这部分设置是在第 1 部运行结束后，重新打开 DB 文件，在其运算末步的基础上，运动设置的旋转选项中，输入轧辊转速为0.8rad/s，并设置两辊速转向相反，总时间为 1s。

边界约束条件是对榫头部分进行约束，限制部分自由度，平动过程中，对榫头四个面的胚料延伸方向、宽展方向的平移自由度进行约束；辊轧转动过程中，对榫头四个面的胚料宽展方向、压下方向的平移自由度进行约束。同时利用软件自带的“Active inmeshing”设置进行体积补偿[9]，摩擦系数选用剪切摩擦模型[10]

4 结果分析

取坯料上的 4 个特征点，如图 2 所示，其中 P1 点位于开始咬入位置，P2 点位于稳定辊轧区，P3、P4 位于叶身末端。4 点坐标依次为，P（1 0，0，0）；P（2 0，0，9）；P（3 0，0，17.5）；P（4 0，0，25）。

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辊轧过程中，模具挤压叶片胚料，使叶片材料沿纵向及横向流动，其出口速度圆周速度进口速度，由模拟结果可知，整个叶片辊轧过程，前滑、后滑严重影响着塑性变形过程，产生的纵向总延伸量约为 5.3mm，约占叶身长度的 20%，与实际情况相符。

同时由于后滑造成材料堆积在叶片 2/3 处，形成生产中极易出现的“弓背”现象，因此在叶片工艺设计时必须充分考虑前后滑的影响，而研究叶片辊轧过程中的材料流动可以为预防缺陷提供一种思路。

转速 0.8rad/s、摩擦系数 0.12 工况下的辊轧力辊轧力矩，如图3、图 4 所示。整理得到最大辊轧力与最大辊轧力矩数值。根据较成熟的工程经验公式计算对应数值，两者相比如表 2 所示，可以看出：

最大辊轧力与最大辊轧力矩的仿真计算值与工程经验计算值相差不大，由于实际工况下多个参数不可控，可以认为两者计算结果基本一致，通过 CHABOCHE 本构模型进行仿真的计算结果较可信。

辊轧开始阶段，辊轧力在 100000N 附近平稳波动，而随着辊轧进行到了后段，辊轧力及辊轧力矩迅速增加，通过分析可知，相关现象是后滑材料累积造成的结果，随着轧制进行，材料逐渐积累到叶片后滑区，造成待轧制区域厚度增加，压下量逐步增大，辊轧力随之增大。

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4.1 摩擦系数影响分析

冷辊轧过程中，盆模和背模挤压叶片胚料，摩擦系数势必会对叶片成形产生影响，实际生产中由于模具表面状态原因易造成设备故障及产品缺陷，因此分析摩擦系数对叶片成形有重要作用。摩擦系数0.12和0.4工况下的辊轧力对比，如图5所示。如图所示在辊轧力最大位置，两种摩擦系数辊轧力相差 171963-143006=28957N，达到 20.2%，辊轧过程平均辊轧力对比 112064-105237=6827N，摩擦系数由 0.12 到 0.4，辊轧力增加了 6.5%，因此摩擦系数对辊轧力影响较大。降低摩擦系数有利于减小辊轧力，采用各种加工手段提高模具表面粗糙度，改进润滑，可以减小叶片辊轧所需设备吨位，并延长轧制过程中盆模背模使用寿命，降低生产成本。

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实际生产中重要问题。取摩擦系数 0.12，轧辊转速 2rad/s 进行分析，所得辊轧力变化，如图 6 所示。其最大辊轧力为 144112N，与转速0.8rad/s 工况下的最大辊轧力进行对比，相差 144112-143006=1106N，而平均辊轧力相差 106397-105237=1160N，增大约 1%。在轧辊转速增加 67%的情况下，辊轧力仅增加 1%，因此在保证叶片成形质量情况下，可以选择较大的轧辊转速来提高工作效率，不需要过多考虑辊轧力。

4 结论

通过二次开发将 CHABOCHE 材料模型嵌入 DEFORM-3D软件中，对航空发动机叶片辊轧过程进行仿真分析，对比了最大辊轧力和延伸量仿真值与工程经验值，仿真结果较可信。

（1）叶片辊轧过程，前滑、后滑严重影响着塑性变形过程，整个仿真过程延伸量达到 20%左右，与实际情况相符。

（2）叶片辊轧开始阶段辊轧力和力矩较平稳，当轧至叶身 2/3 处辊轧力和辊轧力矩明显增大，其中辊轧力增加约 40%。

（3）摩擦系数对辊轧力、辊轧力矩有较大的影响，摩擦系数 0.12 和 0.4 两者最大辊轧力相差 20.2%，降低摩擦系数有较大实际意义。

（4）轧辊转速对辊轧力、辊轧力矩影响较小，在一定范围内，轧辊转速增加 67%，辊轧力仅增加 1%，因此为了生产效率，可以选择合适的轧辊转速。

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