涡轮盘闭模锻造过程的热力耦合分析

1、涡轮盘闭模锻造过程的热力耦合分析摘要涡轮盘是航空发动机的关键转动零部件之一，其性能好坏将影响整个发动机的性能。因此，涡轮盘锻件必须具有良好的高温强度和低周疲劳性能。利用MSC.MARC软件对高温合金IN718合金涡轮盘闭模锻造过程建立有限元模型，并对仿真结果进行分析。关键词：涡轮盘，闭模锻造，MSC.MARC，IN718 AbstractTurbine disk is one of the key rotating components of aircraft engines, and its performance will affect the entire engines perform

2、ance. Therefore, the forge piece of turbine disk must have good high-temperature strength and low-cycle fatigue properties. Using MSC.MARC software to build the finite element model about closed-die forging process of superalloy IN718 alloy turbine disk, and to analyze simulation results.Keywords: t

3、urbine disk, closed-die forging, MSC.MARC Software，IN7181.概述高温合金IN718合金由于在-253650之间具有高的抗拉强度、屈服强度、持久强度和塑性，同时具有良好的抗腐蚀、抗辐照及焊接性能，因此，被广泛应用于航空、航天、机械、化工及能源等各个领域，是生产涡轮盘的关键用材。本文通过有限元计算可以建立锻造变形中的热力变化过程，可以利用有限元预测锻造过程中的微观组织演变，从而通过控制热工艺参数得到所要求的微观组织，为优化锻件的成形工艺提供了有效的途径。2.有限元模型的建立为了保证成形后锻件中的流线连续性，通常采用闭模锻造工艺。由于高温合金为

4、难变形合金，变形抗力大，热成形温度区域较窄，通常无法采用传统的成形工艺成形，需采用热模锻造工艺成形。虽然采用热模锻造，但是坯料与模具之间仍然存在热交换作用，将影响成形过程中合金的微观组织演变，因此，采用轴对称热力耦合有限元法对该涡轮盘模锻件在闭模锻造过程中进行有限元分析。2.1 几何模型及单元网格划分上、下模具的几何模型可以简化为两条曲线。在有限元软件MSC.MARC中，X轴为默认的对称轴，因此，在建立模型时，只需要建立轴对称的一半即可。由于坯料的形状比较简单，并且采用了轴对称建模，本文运用AUTOMESH对坯料进行网格划分。图1为上、下模和坯料的几何曲线，图2为有限元模型。图1 上、下模和坯

5、料的几何曲线图2 有限元模型2.2 材料参数该涡轮盘模锻件的材料为IN718合金，在MSC.MARC的材料库中有IN718合金的流动应力曲线数据（marc/AF_flowmat/asm_67.mat）,但是没有该合金的热物性参数的数据，因此必须通过TABLE添加该合金的热物性参数。图3为加载材料的流动应力数据，图4为热膨胀系数表，图5为导热系数表，图6为比热容系数表,图7为材料性能的定义。图3 加载材料的流动应力数据图4 热膨胀系数表图5 导热系数表图6 比热容系数表图7 材料性能的定义2.3 接触条件该变形过程中需要定义一个变形体、两个刚体和一个对称轴。其中坯料为变形体，在变形过程中与模具、

6、环境之间有热交换作用，并且发生变形；而上模和下模定义为刚体，在变形过程中不发生变形，并且温度恒定不变。图8为定义的各接触体（在定义过程中下模和对称轴方向为内，应改成向外），图9为定义接触表。图8 定义的各接触体图9 定义接触表2.4 初始条件定义初始条件，只需要定义坯料初始变形时的变形温度为1020。图10为定义坯料的初始变形温度表。图10定义坯料的初始变形温度表2.5网格重划分由于在该涡轮盘的成形过程中，坯料某些部位的变形量较大，因此，在变形大的部位其网格易发生畸变，为了保证计算的顺利进行，必须在计算过程中设置网格重划分。本文运用ADVANCING FRONT QUAD重划分技术，以网格的应

7、变变化量和变形体穿透刚体的容差作为准则进行网格重划分，并且在重划分时选择保持原有的网格数目不变。2.6 定义工况以及作业参数因为在涡轮盘的成形过程中既有变形又有温度的变化，因此，再定用你工况时应定义为STRUCTUAL/THERMAL，即热力耦合。图11为工况时间步长数，图12为选择计算的场量。图11 工况时间步长数图12 选择计算的场量3仿真结果与分析3.1 温度场图13为终锻时涡轮盘内的温度分布场。由图知，涡轮盘表面由于与模具之间的热交换作用，温度较低，几乎等同于模具温度（910）；而轮毂由于高度较高，成形后其心部的温度较高（约为950）。终锻时，温度分布还是比较均匀的。图13 温度分布场

8、3.2等效应变场图14为终锻时涡轮盘内的等效应变分布场。由图知，成形后的涡轮盘内等效应变分布不均匀，梯度约为2.88。其中涡轮盘辐板、轮毂与轮缘的过渡圆角以及飞边等部位的等效应变较大；而轮毂上顶部、轮毂与辐板的底部过渡处的变形量较小，等效应变约为0.230.51。图14 等效应变分布场3.3 流线场图15为终锻时涡轮盘内的流线分布场。由图15（a）知，涡轮盘轮芯、辐板和飞边等部分的金属流动较剧烈，相应的等效应变较大；而轮毂上顶部的金属，由于与模具之间的摩擦和热交换作用,在成形中不易流动，为变形不易区域，相应的等效应变较小。图15（a） 流线分布场由图15（b）知，涡轮盘下轮毂与轮缘的过渡圆角处

9、，流线发生了紊流，会损伤涡轮盘的使用性能。这说明在设定的锻造工艺下成形，涡轮盘的流线分布不合理，其锻造成形工艺需要进行优化。图15（b） 流线分布场4小结（1）本文通过非线性分析软件MSC.MARC，模拟现场工艺条件，运用对称轴有限元法对涡轮盘闭模锻造过程进行了热力耦合分析。 （2）对高温合金IN718合金锻造过程进行了热力耦合有限元仿真，并分析了温度分布场、等效应变分布场以及流线分布场。 （3）仿真结果与现实数据基本一致，说明此次仿真模型建立以及仿真结果的准确性。但是，通过分析涡轮盘流线分布的不合理，发现其锻造成形工艺需要进行优化 。 参考文献1刘劲松，张士宏，肖寒，李毅波,等. MSC.MARC在材料加工工程中的应用.北京：中国水利水电出版社，2010.2陈火红. MARC有限元实例教程.北京：机械工业出版社