具有強(qiáng)度高，抗氧化、抗輻照、熱加工性能和焊接性能好的特點(diǎn)。其合金元素較多，現(xiàn)在為航空、航天以及核電、石油領(lǐng)域大量應(yīng)用的關(guān)鍵材料，尤為在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用較多。隨著發(fā)動機(jī)領(lǐng)域不斷向前發(fā)展，使得GH4169 合金的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，用量也日益增加，目前已成為使用面最廣、產(chǎn)量最大的一種鎳基高溫合金。
GH4169 合金是以體心四方γ＂相和面心立方γ＇相沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，合金在-253℃～ 700℃之間具有較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和塑性。在現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)制造工業(yè)中，GH4169 被稱為高溫合金性能之王。本次主要討論GH4169 鋼管反擠壓管坯成形技術(shù)，并通過Deform 數(shù)值模擬對管坯反擠壓成形工藝進(jìn)行對比研究。
反擠壓法
坯料從�？字辛鞒霾糠值倪\(yùn)動方向與凸模運(yùn)動方向相反的擠壓方法為反擠壓，管材、棒材與型材生產(chǎn)都可以采用反擠壓，金屬反向擠壓成形具有一百多年的歷史，但是實(shí)際應(yīng)用近些年才開展
在實(shí)際應(yīng)用過程中，反向擠壓具有以下特點(diǎn)：⑴擠壓速度可以提高。可以降低坯料在轉(zhuǎn)移過程中的溫度損耗，維持坯料外表面高溫下流變應(yīng)力，減小擠壓過程產(chǎn)生的擠壓力。⑵減小摩擦力。反擠壓過程中，凹模與坯料之間有很少的相對運(yùn)動，摩擦力主要集中于凸模與坯料之間，所以反擠壓可以大幅度減小摩擦造成的擠壓力。⑶組織性能均勻，提高產(chǎn)品成品率。坯料外表面尺寸精度良好，可生產(chǎn)高精度產(chǎn)品。
數(shù)值模擬
本次模擬采用Deform 對GH4169 反向擠壓管坯進(jìn)行有限元模擬分析，模擬過程中簡化模具，采用旋轉(zhuǎn)對稱繪制模具與坯料，達(dá)到有限元分析目的
邊界條件設(shè)置
本次熱擠壓材料溫度與摩擦系數(shù)等邊界條件參數(shù)見表1。
表1 邊界條件參數(shù)設(shè)置
序號 | 邊界條件 | 參數(shù) |
1 | 凸模溫度 | 20℃ |
2 | 凹模溫度 | 20℃ |
3 | 坯料溫度 | 1150℃ |
4 | 環(huán)境溫度 | 20℃ |
5 | 摩擦系數(shù) | 0.03 |
6 | 換熱系數(shù) | 11N/s/mm/℃ |
8 | 環(huán)境對流熱換系數(shù) | 0.02 |
9 | 擠壓速度 | 30mm/s |
材料數(shù)據(jù)
模擬坯料材料使用的是GH4169，材料合金高溫壓縮變形行為研究采用Arrhenius 方程。本構(gòu)方程導(dǎo)入Deform 中，依據(jù)本構(gòu)方程得到的材料流動應(yīng)力曲線
模擬數(shù)據(jù)結(jié)果
溫度場數(shù)據(jù)顯示，凸模與坯料接觸位置溫度，凹模與坯料接觸溫度均明顯提高，因此與坯料接觸模具應(yīng)該選擇熱作模具鋼作為接觸模具材料。
在這種參數(shù)條件下，擠壓完畢后，坯料溫度與應(yīng)變分布 由于擠壓過程中較慢，邊緣溫度下降比較明顯。擠壓后的材料應(yīng)變
擠壓力曲線
模擬擠壓過程中壓力與位移曲線，當(dāng)凸模相對坯料擠壓運(yùn)動20mm 時，壓力達(dá)到擠壓突破值360t，隨后壓力下降，后續(xù)過程中壓力小幅度上升。擠壓力曲線呈現(xiàn)明顯兩個階段，第一階段擠壓力呈臺階式上升最終達(dá)到擠壓突破力。第二階段擠壓力突破后下降回落再平穩(wěn)上升。
實(shí)際擠壓
本次試驗(yàn)采用擠壓設(shè)備為500t 壓機(jī)，擠壓模具安裝后壓機(jī)與擠壓模具 。試驗(yàn)溫度與模擬設(shè)置一致，坯料溫度為1150℃，最終得到擠壓過程中壓力與位移的曲線，最大突破擠壓力約490t，隨后壓力下降，后續(xù)過程中壓力小幅度上升。與模擬結(jié)果一樣，擠壓力曲線呈現(xiàn)明顯兩個階段，第一階段擠壓力呈臺階式上升最終達(dá)到擠壓突破力。第二階段擠壓力突破后下降回落再平穩(wěn)上升。最終擠壓成品。
結(jié)果分析
對比GH4169 反擠壓管坯數(shù)值模擬分析結(jié)果與實(shí)際擠壓結(jié)果，擠壓力偏差在8% 范圍內(nèi)，考慮到模擬邊界條件參數(shù)設(shè)置與實(shí)際參數(shù)的偏差、溫度的耗散與實(shí)際偏差等因素，模擬分析可以代表實(shí)際結(jié)果進(jìn)行討論。
實(shí)際擠壓與模擬擠壓過程都是最大突破力完成后，隨后壓力下降，后續(xù)過程中壓力小幅度上升。擠壓力曲線呈現(xiàn)明顯兩個階段，第一階段擠壓力呈臺階式上升最終達(dá)到擠壓突破力；第二階段擠壓力突破后下降回落再平穩(wěn)上升。實(shí)際擠壓與模擬擠壓壓力趨勢基本一致。
結(jié)論
本文討論GH4169 反向擠壓管坯與數(shù)值模擬分析對比研究，先用模擬進(jìn)行分析，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行對比，得到結(jié)果如下：
⑴經(jīng)過模擬與實(shí)際擠壓力對比，擠壓力偏差在8% 范圍內(nèi)，后續(xù)相同材料擠壓前可利用數(shù)值模擬對擠壓過程進(jìn)行模擬分析；
⑵通過模擬壓力與實(shí)際擠壓趨勢對比，GH4169合金反擠壓成形實(shí)際擠壓與模擬擠壓壓力趨勢基本一致；
⑶實(shí)際擠壓所得成品，金屬材料內(nèi)外表面光滑，無明顯劃痕與缺陷，為產(chǎn)品下階段機(jī)加過程帶來便利。
