gh4169合金惯性摩擦焊接过程组织计算与预测论文

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1、GH4169合金惯性摩擦焊接过程组织计算与预测论文摘要：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

2、焊接技术是一种高效的固态连接方法，其接头质量好，自动化程度高.freel2）；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，且焊合区沿摩擦面对称，故在95mm×4mm的矩形截面上建立有限元模型。1.3试件的网格模型在求解区域内，划分有限元网格见图1。采用局部区域有限元网格自动加密的办法来提高模拟的精度和计算效率（网格边长的设定值在0.1~2mm范围内变化，经拓扑优化后，

3、摩擦面附近的网格边长控制到了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、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

4、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，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

5、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：为热应变分量；α为线性膨胀系数；ΔT为温度变化量；ΔT=T-Tr，Tr为参考温度。当考虑变形场作用时，在热传导分析中应考虑塑性应变能和摩擦功转化的热能，即式中：ωp为塑性应变能转化成的热源密度；αp为热转化效率，通常取αp=0.9~0.95；σ〖TX-*3〗为等效应力；ε为等效塑性应变速率。式中：qf为摩擦功转化成的热流密度；βf

6、为热分配系数，通常取βf=0.5；τf为惯性摩擦焊接时摩擦界面间的摩擦应力；vr为摩擦界面的相对滑动速度。2再结晶组织演化模型2.1GH4169合金的动态再结晶过程在惯性焊接过程中，随着变形程度的增加，被焊金属的内部畸变越来越严重，当材料的畸变程度超过临界变形量时，就会发生动态再结晶，动态再结晶的过程是一个由无畸变的新晶粒逐渐代替畸变的旧晶粒的过程。在这个过程中，动态再结晶可以细化组织晶粒，使材料内部组织成为细小均匀的等轴状晶粒。再结晶阶段结束后，会发生晶粒的长大现象［6,7］。对于GH4169合金，经等温恒应变速率压

7、缩试验证明［1］，动态再结晶晶粒形核后会很快地长大到某一特定的尺寸，并在随后的变形过程中，保持这个尺寸不变，上述特定的尺寸与原始晶粒尺寸无关，主要受变形温度和应变速率的影响。2.2GH4169合金动态再结晶计算（1）动态再结晶的临界应变一般认为,开始动态再结晶的临界应变εc与该材料应力-应变关系曲线上峰值应变εp之间存在以下关系为εc=βc·εp，（5）式中：βc为修正系数，它和材料有关，通常在0.8~0.9之间。（2）动态再结晶体积分数的计算GH4169合金动态再结晶体积分数Xd按S形曲线变化，采用Avra

8、mi方程来描述，即式中：n为Avrami指数；ε为等效应变；ε0.5为动态再结晶体积分数为50%时的应变。（3）动态再结晶晶粒尺寸计算晶粒尺寸Dd对高温合金热成形件的室温和高温性能都有显著的影响。通过等温恒应