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热等静压近净成形Inconel 625涡轮盘数值模拟与试验研究

作　者: 陆恒
导　师: 魏青松
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 热等静压近净成形数值模拟 Inconel625 涡轮盘力学性能
分类号: TF124
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

热等静压近净成形(NNS-HIP)技术能一次整体成形出复杂结构的镍基高温合金涡轮盘，具有制件致密、力学性能优良、节约材料等优点。在NNS-HIP过程中，粉末受压收缩比例大，并伴随不规则大变形。利用数值模拟预测粉末致密化和包套形变规律，从而优化包套结构是必不可少的环节。但是，HIP过程中粉末可压缩、变形大、边界可变，实现复杂结构的精确模拟在本构模型、材料参数、有限元求解等方面有待深入和系统研究。本文以Inconel625粉末为成形材料，应用HIP整体近净成形复杂涡轮盘零件，利用数值模拟优化包套结构，并进行了试验验证，详细表征和分析了HIP成形制件的组织与力学性能。具体内容和结论如下：在连续介质塑性理论基础上，探讨了多孔体的可压缩性对其本构模型的影响，发现经Abouaf修正后的Shima模型能准确描述HIP中粉末体的流变行为，该模型引入了应力偏张量修正因子和静水压力修正因子两个密度相关的参数来描述孔隙率对本构方程的影响。此外，为了考虑蠕变对本构方程的影响，本文选取了修正后的Raboin的双曲正弦幂律蠕变模型来描述粉末在高温下的粘塑性流变行为。为了确定Inconel625的本构方程，本文通过HIP中断试验，获得了不同致密度试样。通过致密体的高温压缩实验，用最小二乘法拟合得到合金的Zener-Hollomon参数的表达式，该参数反应了温度补偿的应变率，在此基础上建立了Inconel625高温下的等效应变率与等效应力关系；通过HIP实验得到了粉末致密度、致密化速率和静水压力随时间的变化曲线，推导出了的表达式，该参数决定了本构方程中静水压力部分的表达形式；通过多孔体的压缩实验得到了的表达式，该参数决定了粉末本构方程中应力偏张量部分的表达形式。利用有限元程序MSC.Marc，模拟了“随形”和“上下对称”两种包套方案下的HIP近净成形涡轮盘过程，发现“随形”方案型芯变形大，粉末致密度低，“上下对称”方案控形好，粉末致密度高。模拟结果表明：薄壁软钢包套受压变形大，驱动粉末致密化，“上下对称”方案中大体积型芯基本不变形，达到了涡轮盘内部复杂流道控形的目的；包套变形经历了弹性变形、塑性屈服、时效强化、高温屈服和残余应力几个阶段；粉末先膨胀后分段致密化，呈现非定向复杂流动规律。选取“上下对称”方案进行HIP实验，发现模拟与实验吻合较好，表明数值模拟能准确地预测包套变形和粉末致密化规律，指导HIP近净成形的包套设计。分析了HIP成形Inconel625制件的室温力学性能，结果显示：退火态试样拉伸强度比ASTM同质锻件标准高264MPa，但塑性较差，断后延伸率仅为16%。其微观组织SEM图表明：HIP成形的Inconel625合金晶粒细小（30μm左右），主要是由基体相、强化相’’和MC型碳化物组成。为了改善HIP制件的塑性，对试样进行了固溶和时效处理，结果表明：固溶处理后合金的塑性提升了52.5%，拉升强度降低了161MPa，其断口及微观组织SEM图表明，固溶状态下针状强化相全部溶解于基体中，碳化物硬脆相由链状分布变为弥散分布，合金组织均匀，塑性良好；时效处理后合金的塑性提升12.5%，拉升强度降低了35MPa，其断口及微观组织SEM图表明，时效过程中，Nb和Mo会在Ni基体中析出，形成针状相，同时硬脆的碳化物在晶界处大量析出，导致合金的塑性提升有限。综上所述，本文通过选取合适的粉末本构模型，实验获得了Inconel625合金粉末HIP的本构方程，利用有限元程序MSC.Marc实现了HIP近净成形复杂涡轮盘零件的数值模拟，通过模拟预测选取了合适的包套方案，分析了HIP过程中包套变形和粉末致密化规律，并研究了固溶和时效对Inconel625合金HIP制件性能的影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
1 绪论  10-30
  1.1 引言  10-14
  1.2 粉末热等静压近净成形技术  14-15
  1.3 金属粉末热等静压致密化数值模拟国内外研究进展  15-19
  1.4 HIP 数值模型及有限元实现  19-28
  1.5 课题来源及主要研究内容  28-30
2 INCONEL 625 合金粉末的本构方程确定  30-46
  2.1 引言  30
  2.2 INCONEL625 合金粉末材料  30-31
  2.3 热等静压中断试验  31-34
  2.4 INCONEL 625 材料相关参数确定  34-39
  2.5 INCONEL 625 密度相关参数确定  39-45
  2.6 本章小结  45-46
3 HIP 近净成形 INCONEL 625 涡轮盘数值模拟与试验  46-58
  3.1 引言  46
  3.2 数值模拟与工艺优化  46-52
  3.3 热等静压试验  52-57
  3.4 本章小结  57-58
4 INCONEL625 合金热等静压件组织与性能表征  58-66
  4.1 引言  58
  4.2 INCONEL625 合金 HIP 态微观组织分析  58-60
  4.3 力学性能改善研究  60-65
  4.4 本章小结  65-66
5 总结与展望  66-69
  5.1 主要结论  66-67
  5.2 研究展望  67-69
致谢  69-70
参考文献  70-76
附录1 攻读硕士期间撰写的论文与专利  76

热等静压近净成形Inconel 625涡轮盘数值模拟与试验研究

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