［摘要］ 采用大变形刚粘塑性有限元法模拟FGH95粉末高温合金盘件等温锻造过程，分析了加压方式及坯料高径比对变形的影响。
［关键词］ FGH95粉末高温合金；刚粘塑性有限元法；加压方式；坯料高径比
［中图分类号］TG153 ［文献标识码］A ［文章编号］1001-4381(1999)06-0007-03
Simulation of the Effects of Press Modes and Ratio of
Height to Diameter of the Ingot on the Isothermal
Forging Processes for P/M FGH95 Disk
LI Yuan-chun,CUI Jian,YAN Ming-gao
(Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)
Abstract： In the present paper, the isothermal forging processes for P/M FGH95 disk were simulated by using large rigid-viscoplastic finite element method(FEM). The effects of press modes and ratio of height to diameter of the ingot on the forging process were analyzed.
Key words： P/M FGH95 alloy; rigid-viscoplastic FEM; press modes; ratio of height to diameter of the ingot
近年来，粉末高温合金在飞机发动机涡轮盘生产中获得了广泛的应用。其中，高合金化的γ′相沉淀强化型粉末Ni基高温盘件合金FGH95受到了极大的重视［1］。由于高温合金盘件等温锻造过程涉及昂贵的坯料、模具材料和锻造费用，以及较长的制造周期，完全依赖于传统的经验式设计方法可能会造成人力和物力的大量损失。而采用计算机模拟可以仿真整个锻造过程，掌握材料的流变规律，方便地分析各种工艺参数的影响，从而预先实现工艺及模具设计的优化。本文对FGH95粉末高温合金盘件的等温锻造过程进行模拟，研究加压方式及坯料高径比对变形的影响，为今后的工艺设计提供理论参考。
1 几个问题的处理
1.1 两种不同的压机加载方式及模拟中的实现
等温锻造在液压机上进行，在实际生产中经常可采用两种压机活动横梁运动方式（即两种不同的模具运动方式），即恒速和恒应变速率压制。
1.1.1 恒速时活动横梁速度与应变速率关系
式中，vm为活动横梁速度,在变形过程中维持不变；H0为初始坯料高度。在这种模式下，随着毛坯的变形，应变速率逐渐增大。
1.1.2 恒应变速率时活动横梁速度与应变速率关系
采用这种模式时，应变速率维持不变，随着毛坯变形高度的降低，活动横梁速度即模具速度呈指数规律下降。
模拟恒速模式时，只需将模具速度取作选定的速度值并维持不变；模拟恒应变速率模式时，则需在每一增量步后在选定的应变速率下按式(2)重新计算模具速度，且初始模具速度也要按式(2)确定。
1.2 材料流动方程
本工作选用的材料为FGH95高温合金粉末，经脱气、装套，1050℃/3h/AC预处理后，再经1120℃/112.5MPa/3h热等静压后获得致密锭坯。对1050℃下不同应变速率下的真应力-真应变曲线拟合，流动应力可表示为
其中，
2 有限元模型
刚粘塑性泛函一阶变分表示为
其中，K为罚数，是一个很大的正数，本文取作106，V为体积应变速率。
对上式采用摄动法进行线性化，采用Newton-Rapshon法迭代求解，接触摩擦处理用反正切摩擦模型［2］。
采用四边形四节点等参元，等温锻造温度为1050℃，摩擦因子取为0.1。
3 模拟分析与讨论
3. 1 加压方式对变形的影响
初始坯料选取为φ190mm×190mm。
文献［3］的研究表明，在等温锻造速度范围内，压机速度对应变分布及其量值影响不大。从变形形式上讲，与恒速压制相比，采用恒应变速率压制只是压机横梁下压速度随着变形的发展呈公式（2）所示的指数规律衰减而非恒定速度。因此可推知在一定速度范围内加压方式对应变分布也不会有显著的影响，计算结果证实了这一点。
图1和图2分别为恒速（vm=0.65mm/s）和恒应变速率两种压制方式下锻造终了时刻的等效应变速率和等效应力分布。对比可见，两种加压方式下等效应变速率和等效应力的分布态势差别不大，但采用恒应变速率压制时在变形后期随着压机速度的衰减，等效应变速率和等效应力量值及其梯度得以减小，这与压机速度的影响是类似的。
图1 恒速压制时的等效应变速率和等效应力分布（vm=0.65mm/s）
Fig.1 Effective strain rate and effective stress distribution for constant speed pressing
图2 恒应变速率压制时的等效应变速率和等效应力分布
Fig.2 Effective strain rate and effective stress distribution for constant strain rate pressing
由于在恒应变速率压制过程中，压机速度呈指数规律衰减，故难以与某一恒速度压制的结果进行定量对比。但由恒速度压制下的载荷-行程曲线［3］可知，变形后期载荷吨位剧增，并且模具所受应力很大，造成能量的浪费或产生吨位不足的情况，容易造成模具损坏或降低模具寿命，除非采用很低的压机速度或先快后慢的速度组合。而在恒应变速率压制过程中，压机速度呈指数规律衰减，自然实现先快后慢的原则，有利于降低所需设备吨位及模具受力，但是采用较小的应变速率会使生产效率大大降低。图3和图4分别为opt=1×10－2s－1和opt=5×10－3s－1时的载荷-行程曲线。
图3 载荷-行程曲线（opt=1×10－2s－1）
Fig.3 Load-displacement curve
(opt=1×10－2s－1)
3.2 坯料高径比对变形的影响
为比较坯料高径比对变形的影响，选取三种同体积（保证充满模具）但不同高径比的坯料φ190mm×190mm，φ220mm×141.7mm和φ240mm×119.1mm进行计算，模具速度vm=0.65mm/s。
图5给出了三种不同高径比坯料变形结束后的应变分布。 可见，随着坯料高径比的减小，变形体各部位的应变都显著减小。这对要求较大的变形量来改善内部组织和产品性能的场合如粉末涡轮盘的锻造成形而言是不利的。因此，如果采用饼坯进行粉末涡轮盘锻造，应该采用圆柱坯镦粗后的饼坯而不宜采用直接热等静压制成的饼坯，以满足应变量的要求。但在一定范围内随着高径比的减小变形分布会更均匀些（应变梯度减小）。
图4 载荷-行程曲线（opt=5×10－3s－1）
Fig.4 Load-displacement curve
(opt=5×10－3s－1)
图5 三种不同高径比坯料变形结束后的应变分布（vm＝0.65mm/s）
Fig.5 Strain distribution after deformations of ingots with different height ratio to diameter（Vm＝0.65mm/s）
(a)φ190mm×190mm,1-0.8300，2-1.2517，3-1.6015，4-1.9872，5-2.3729
(b)φ220mm×141.7mm,1-0.5722，2-0.8873，3-1.2024，4-1.5174，5-1.8325
(c)φ240mm×119.1mm,1-0.6185，2-0.8666，3-1.1147，4-1.3629，5-1.6110
4 结论
(1)与恒速加压方式相比，采用较小的恒应变速率方式压制由于其模具速度随变形的进行呈指数规律下降，有利于载荷吨位和模具受力的降低。
(2)坯料高径比的降低使各部位的变形量均降低，为满足变形量改善组织的要求，采用饼坯锻造时应采用热等静压圆柱坯经镦粗后的饼坯而不宜直接采用热等静压的饼坯。
(3)计算机模拟可方便地分析各种因素的影响。
