gh4169合金惯性摩擦焊接过程组织计算与预测

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1、GH4169合金惯性摩擦焊接过程组织计算与预测摘要：以高性能航空发动机涡轮盘和压气机盘为背景，采用有限元数值模拟方法，对GH4169合金模拟件的惯性摩擦焊接过程进行了分析与计算；基于金属塑性变形的物理基础，建立了GH4169合金惯性摩擦焊接过程显微组织的演化模型；通过高温合金在热成形过程中的再结晶发生条件、再结晶体积分数、晶粒尺寸与热力参数（应变速率、应变程度、成形温度）之间的映像关系，对惯性摩擦焊接热力影响区的再结晶组织进行了模拟计算。从而为合理地制定焊接热力规范，提高GH4169合金的焊接性能和接头质量提供了参考。0序言　　摩擦焊接技术是一种高效的固态连接方法，其接头质量好，自动化

2、程度高，在国防工业领域具有非常广阔的应用前景。摩擦焊接过程实际上是一种靠摩擦加热、靠顶锻成形的塑性加工过程，其焊接热力规范的选定，直接影响到焊接接头的质量。　　传统的工艺设计方法是在实践的基础上，通过多次试验和分析，来获得合适的工艺规范。这种工作方式劳动量大、成本高、生产效率低、通用性差。考虑到高温合金等难变形材料的成分复杂，合金化程度高，焊合区的组织和性能对焊接热力参数敏感且难以控制等特点，采用有限元数值模拟方法来研究GH4169合金的惯性摩擦焊接过程，可以大幅度地降低产品的研制风险和盲目性，并能为后续生产过程的质量控制提供技术基础。　　GH4169合金是一种铌强化的沉淀硬化型铁镍

3、基高温合金［1］。其基体是Ni-Fe基奥氏体（γ相），主要强化相是体心四方的Ni3Nb（γ″）相，此外还有γ′相、δ相和碳化物等。一般认为在层错能较低的面心立方奥氏体合金中，动态再结晶是热成形过程中常见的一种软化机制，也是细化晶粒的主要途径之一，在描述GH4169合金显微组织的各项参数中，晶粒尺寸是决定焊接接头热影响区性能优劣的关键因素［2,3］。　　本文以高性能航空发动机涡轮盘和压气机盘为背景，利用有限元数值模拟方法，对GH4169合金模拟件的惯性摩擦焊接过程进行了分析与计算，获得了焊接件热力影响区的瞬态温度场、应力场、应变场和位移及能量场的分布与变化规律。利用建立的再结晶组织演化模

4、型，分析研究了焊接区域再结晶组织的分布规律。从而为合理地制定惯性摩擦焊接的热力规范，提高GH4169合金的焊接性能和接头质量提供了技术保障。1有限元数值模拟模型1.1摩擦焊接规范参数　　摩擦焊接过程中，被焊金属的状态和性能都会发生一系列的变化，这些变化与焊接工艺参数密切相关。通常选定的摩擦焊接规范参数有：主轴转速n/（r·s-1）；转动惯量I/（kg·m2）；摩擦压力pf/MPa；摩擦时间tf/s；顶锻压力pd/MPa；顶锻时间td/s。1.2试件的几何模型　　惯性摩擦焊接试件为管状试件,其直径为23mm、壁厚为4mm、长度为95mm。由于是轴对称结构件，且焊合区沿摩擦面

5、对称，故在95mm×4mm的矩形截面上建立有限元模型。1.3试件的X格模型　　在求解区域内，划分有限元X格见图1。采用局部区域有限元X格自动加密的办法来提高模拟的精度和计算效率（X格边长的设定值在0.1~2mm范围内变化，经拓扑优化后，摩擦面附近的X格边长控制到了0.062mm），共分成1888个单元和4167个节点。　　　　　　　　　　　　　　　1.4试件的材料模型　　　惯性摩擦焊接的试件材料GH4169合金直接取自航空发动机的涡轮盘锻件，其热物性参数是温度的函数。在有限元数值模拟时定义材料流动应力σ、弹性模量E、材料密度ρ、线膨胀系数α、比热容c、导热系数λ、换热系数β

6、、熔融潜热的焓H、泊松比μ、切变模量G和摩擦系数m等参数为温度的函数。1.5试件的边界条件　　惯性摩擦焊接时，试件的摩擦表面为材料变形的对称面，在该面上由于摩擦而产生热量，有限元计算时在该面上施加热流密度，并定义材料流动以摩擦表面为对称面［4,5］。　　假设摩擦压力为pf，摩擦系数为m，主轴转速为n，摩擦热效率为η，则在半径Ri到半径Ro的圆环范围内由摩擦而产生的热流密度为　　　　　　　　　　　　式(1)中,摩擦系数m随温度变化（由摩擦表面状态和有关资料回归获得）；n随时间变化（由初始主轴转速、转动惯量和整个摩擦面上的瞬态摩擦扭矩计算获得）。　在惯性摩擦试件的夹持端施加分布面力，

7、以提供摩擦压力和顶锻压力。在管状试件的内外表面施加对流换热边界，并定义试件的初始温度为室温（20℃）。1.6变形与传热过程的耦合分析　　在变形过程分析中，温度场通过改变材料的本构关系以及热应变来实现和传热过程的耦合。在传热过程分析中，变形场通过改变传热空间、边界条件和能量转化来实现和变形过程的耦合。当考虑温度场作用时，变形体受热膨胀而发生热变形，各向同性材料的热应变可以表述为　　　　　　　　　　　　　　　　　式中：为热应变分