本文關(guān)鍵詞：IN718合金環(huán)件徑軸向軋制微觀組織演變建模與仿真研究

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【摘要】：IN718合金環(huán)件是一種大量應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭引擎、核反應(yīng)堆等溫度高受力復(fù)雜的關(guān)鍵零部件,對(duì)其性能有很高的要求。環(huán)件徑軸向軋制成形是生產(chǎn)IN718環(huán)件最主要的工藝方法。軋制過(guò)程中材料發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和變形滯留期間的亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大是環(huán)件晶粒細(xì)化的主要組織演變過(guò)程。由于環(huán)件徑軸向軋制復(fù)雜的動(dòng)態(tài)局部變形和變化的成形條件使組織調(diào)控變得很困難,容易出現(xiàn)晶粒粗大和混晶等組織缺陷,影響零件的機(jī)械性能。本課題主要圍繞IN718合金環(huán)件徑軸向軋制成形中的組織演變相關(guān)的工程科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)開(kāi)展研究。首先,通過(guò)高溫壓縮實(shí)驗(yàn)、變形退火實(shí)驗(yàn)和靜態(tài)保溫實(shí)驗(yàn)分別研究IN718合金的高溫變形和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為、亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為和靜態(tài)晶粒長(zhǎng)大規(guī)律�；趯�(shí)驗(yàn)揭示的熱變形行為和微觀組織演變機(jī)理,建立了一套基于物理意義內(nèi)變量的IN718合金統(tǒng)一本構(gòu)模型,用以描述高溫變形過(guò)程和變形過(guò)后退火期間的流動(dòng)應(yīng)力和微觀組織演變。模型可以描述位錯(cuò)密度、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、晶粒尺寸之間的相互作用以及微觀組織對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響。此外,考慮δ相粒子釘扎作用,建立了 IN718合金δ相溶解區(qū)和析出區(qū)的晶粒靜態(tài)長(zhǎng)大模型。模型對(duì)高溫變形過(guò)程、變形退火過(guò)程中的流動(dòng)應(yīng)力和再結(jié)晶分?jǐn)?shù)有良好的預(yù)測(cè)效果。流動(dòng)應(yīng)力和再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間的相關(guān)系數(shù)和平均絕對(duì)相對(duì)誤差分別為0.994、5.82%和0.988、7.54%。此外,在瞬態(tài)變形條件下,建立的統(tǒng)一本構(gòu)模型依然具有良好的預(yù)測(cè)效果。以環(huán)件直徑均增大為穩(wěn)定軋制條件,推導(dǎo)了穩(wěn)定軋制條件下的徑軸向協(xié)同進(jìn)給方程。確定了驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、錐輥轉(zhuǎn)速、跟隨軋制速度和環(huán)件長(zhǎng)大速度的合理范圍。采用彈性預(yù)測(cè)-徑向返回算法,通過(guò)VUMAT用戶材料子程序和VUAMP運(yùn)動(dòng)控制子程序建立了軋輥?zhàn)赃m應(yīng)控制的IN718合金環(huán)件徑軸向軋制成形的多場(chǎng)耦合有限元模型。進(jìn)行了 IN718合金環(huán)件徑軸向軋制實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元模擬結(jié)果對(duì)比可知,建立的多場(chǎng)耦合有限元模型可有效的預(yù)測(cè)IN718合金環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程中的環(huán)件直徑、軋制力等宏觀變形行為以及再結(jié)晶分?jǐn)?shù)、晶粒尺寸等微觀組織演變。通過(guò)有限元模擬研究了芯輥直徑、驅(qū)動(dòng)輥直徑、加熱溫度、軋制比和環(huán)件長(zhǎng)大速度對(duì)IN718合金環(huán)件徑軸向軋制成形微觀組織的影響規(guī)律。結(jié)果表明:增大芯輥直徑,有利于截面中間區(qū)域的再結(jié)晶,組織變均勻。驅(qū)動(dòng)輥直徑增大使表層變形增大,中間區(qū)域變形減小,使晶粒尺寸平均值增大而且分布更不均勻。在1020℃C和1040℃C加熱時(shí),因?yàn)棣南嗤耆芙馐弓h(huán)件軋制的初始晶粒尺寸變大。導(dǎo)致軋制后的晶粒尺寸平均值增大且分布不均勻。因此1000℃C是IN718合金環(huán)件最終道次軋制比較合適的加熱溫度。軋制比較小時(shí)(1.333,1.429),再結(jié)晶只在環(huán)件表層發(fā)生,組織變得不均勻。軋制比較大時(shí)(1.546,1.667),增大軋制比使組織均勻性提高。提高環(huán)件長(zhǎng)大速度促進(jìn)截面中間區(qū)域再結(jié)晶的發(fā)生,有利于環(huán)件整體晶粒細(xì)化和均勻分布。建立了 IN718合金環(huán)件晶粒尺寸平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差隨工藝參數(shù)變化的響應(yīng)面模型。分析了環(huán)件晶粒尺寸平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差隨芯輥直徑、驅(qū)動(dòng)輥直徑、環(huán)件長(zhǎng)大速度和軋制比的變化規(guī)律。采用NSGA-Ⅱ遺傳優(yōu)化算法,以降低環(huán)件晶粒尺寸平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差為目標(biāo),對(duì)軋制工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化得到的驅(qū)動(dòng)輥直徑、環(huán)件長(zhǎng)大速度和軋制比分別為735 mm,7.5 mm/s和1.667。芯輥直徑有多組解,且在158 mm～200mm之間,模擬計(jì)算結(jié)果與響應(yīng)面預(yù)測(cè)值吻合良好。與軋制實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的環(huán)件晶粒尺寸平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差下降。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG335

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本文編號(hào)：1291050