GH4169属于镍基高温合金，与美国商标为Inconel718的合金成分类似，是所有高温合金中利用最宽泛、出产最不变的合金之一。GH4169合金因其优异的综合机能和高温不变性被宽泛利用于航空航天、石油化工和核能发电等多个领域。作为航空航天领域的沉要资料，GH4169合金重要利用于涡轮盘、压气机叶片和机匣等热端动力零部件。这些结构件通常服役于交变载荷、交变温度等恶劣前提，要求其拥有优良的抗委顿和抗蠕变机能。

铸造是凭据金属自身的塑性个性，对其发展变形工艺处置，利用金属处于高温状态下的可塑性，将其塑造成特定状态，是有效调控合金组织与机能的关键工序。而GH4169合金有着较大的变形抗力和较幼的加工温度区间，故其加工机能较差。因其复杂的热加工变形过程，有限元仿照软件逐步成为分析工件在其复杂加工工况下各参数变动的热点工具。

乔世昌等通过尝试与数值仿照结合的伎俩，系统钻研了高温合金在热变形过程中的动态再结晶[Dynamic Recrystallization,DRX]行为及其与热力参数的关联性。乔世昌等利用Gleeble-3800D热仿照机对Ni-Co-Cr基粉末高温合金进行热压缩试验，结合DEFORM-3D有限元仿照及微观表征[金相、电子背散射衍射技术]分析，发现合金的软化机造重要由DRX主导，其中不陆续动态再结晶[Discontinuous Dynamic Recrystallization,DDRX]因晶界弓出形核效应成为关键机造。类似地，Chamanfar等[]针对镍基合金的等温铸造过程，选取DEFORM-3D软件构建了蕴含热力耦合效应的有限元模型，探求了980℃~1140℃及0.01~1s~1前提下DRX的动力学响应。在所钻研的前提下，锻件内部热变形参数和温度的散布是不均匀的。最大应变、应变速度和温度重要呈此刻锻件的边缘和中心。锻件组织不均匀，即DRX体积分数和均匀晶粒尺寸散布不均匀。

魏振等利用Fortran说话将建改前后的组织模型别离写入法式，并经Simufact Forming软件挪用后对GH4169合金的环轧过程进行了微观组织仿照，成立了可实现各工艺流程间组织遗传的数值仿照步骤，并通过尝试验证了适配性建改后组织演化模型的正确性和该仿照步骤的可行性。靳盛哲等为探索孔挤压工艺在镍基高温合金上的利用，成立了镍基高温合金GH4169孔挤压工艺的数值仿照步骤，并通过试验验证了步骤的有效性，会商了芯棒资料、挤压量和摩擦因数对周向残存应力散布的影响法规，并得到了挤压量和摩擦因数的优选领域。

综上所述，大无数学者都是针对合金热变形的单一工序进行仿真仿照，并没有针对一整套工艺流程进行仿照。大规格GH4169合金锻件的铸造加工全流程仿照钻研也较少。若是通过现实出产方式确定合理的工艺参数，不仅耗时长、成本高，并且难以观察到锻件芯部区域的变形情况，难以确定工件芯部机能是否达标。而本钻研使用Si-mufact Forming有限元软件实现了对 GH4169合金齐全铸造过程的仿真仿照4，数值仿照的步骤不仅节俭了功夫和成本，并且获得了铸造变形过程中整个锻件的温度场和应变场散布情况，对工艺规划的造订提供了援手，为现实铸造出产提供参考价值。

1、有限元模型成立

1.1几何模型

凭据某企业出产的工件现实尺寸，在Simufact Forming软件中设置GH4169工件尺寸为508mm 1000mm，砧子尺寸为450mmx200mmx650mm，机械夹持手尺寸为300mmx100mmx400mm，现实有限元模型、现实铸造出产过程以及仿照铸造示意图如图1所示，模型划分网格选取六面体单元,网格数量为30000。

1.2参数的设定

1.2.1资料参数的输入

在 Simufact Forming资料库当选择 Inconel718合金,将 GH4169的化学成分[表 1]以及热物性参数[图 2]导入,实现资料的热导率、比热容等参数的设定。工件初始温度设置为  1100 °C、砧子初始温度设置为  400 °C,凭据有关资料拔取摩擦系数为  0.4 [15?16],其他参数依照默认不进行批改。

在热加工过程中,金属资料应变速度、变形温度和应变是影响其流变应力的沉要成分,而本构方程可能正确地描述这些参数之间的关系。目前使用最为宽泛的一种模型是 Arrhenius方程  [17],该模型的表白大局如下:

式中 A、  α、n一别离为资料常数,其中  α =  β/n, β为高应力区的应力敏感系数;  ε ˙一应变速度,  s ?1; σ一流变应力, MPa; Q一热变形激活能, J/mol; R一气体常数,取值为 8.314 J/[mol-K]; T一变形温度, K。

在低应力状态下,该模型能够简化为如下指数函数大局:

在高应力状态下,该模型能够简化为如下指数函数大局:

结合上述GH4169的本构方程,对 Simufact Forming资料库中 Inconel718资料的属性进行建改,使其切合仿照 GH4169铸造所需的流变应力方程。

表 1 GH4169合金化学成分质量分数[单元:%]

1.2.2铸造工艺的设置

某企业现实铸造出产工艺由七个火次组成[表 2],该铸造工艺前三个火次蕴含了镦粗、拔长与加热过程,后四个火次只涉及拔长和加热过程。使用 Simufact Forming软件发展仿照时,初始镦粗过程选取热锻？閇该？榧娠娲种澳躚,而拔长工艺的仿照需挪用自由锻？橹械目髦旎蚓断蛑熘澳  [18]。在拔取相应？榉⒄沟谝换鸫物娲止谭抡帐,需顺次导入锻件三维初始几何模型、资料参数、初始温度场、摩擦因子,以及砧子与机械夹持手的几何模型  [19]。工件、砧子与机械夹持手的地位关系需进行精确定位调整,通过软件内置的定位职能,借助旋转、平移及沉合约束等操作实现三者空间地位的协同优化  [20]。在设置单火次内的多路次工艺时,由于存在往复铸造,需在每一路次当选择软件的固定送料模式,并对坯料旋转角度进行参数化设置,以使仿照过程可能自动鉴别地位参数,实现路次间的工艺衔接。

现实出产的铸造流程拥有陆续性特点[2]。为等效实现仿照过程的工艺,利用 Simufact Forming软件的多工序耦合职能。具体而言,在实现每个火次仿照,以及统一火次内镦粗、拔长等分歧工步的仿照后,需沉新天生蕴含该阶段实现时锻件的应变、温度等信息的几何模型。为后续仿照过程提供可直接挪用的几何模型,从而实现多工序间的数据传递与耦合,确保仿照了局的物理真实性。

表2 现实铸造工艺

1.2.3确定划分网格数量

划分分歧网格数量对第一火次的镦粗 1、拔长1过程进行仿照；滞袷课猍20000、30000、40000]，图3、图4为分歧网格数量的仿照了局。

从仿照了局分析可得，在30000与40000网格数量下仿照了局相差较幼，但与20000网格数量下的仿照了局差距大2。在30000网格数量下，相较于20000网格数量，其等效应变散布能更详细地反映资料变形的部门特点，精准杜仔较大提升，可更正确地反映镦粗拔长过程中的变动法规;另一方面，与40000网格数量相比，30000网格数量在保障较高仿照精度以满足工程分析需要的同时,能有效节造推算规模,降低推算功夫与资源亏损，实现了仿照精杜纂推算效能的较好平衡，更合用于工程现实中的镦粗拔长工艺仿照分析。

2、仿照了局与分析

2.1锻件变形分析

如图5与图6所示，数值仿照所得的齐全铸造工艺流程和工件表形演变过程，与现实工艺规范出现高度吻合性[23-24]。仿照了局批注:在镦粗变形阶段,初始圆柱状坯料因高低端面与砧块间的摩擦约束效应，导致端面区域金属流动碰壁，等效应变散布出现显著梯度。中心区域因变形量较大产生更高的变形热，促使金属流动性加强，进而形成中部表凸的鼓形。在多路次拔长工艺执行过程中，坯料经往复铸造逐步演变为八边形截面，其轴向长度随变形累积出现法规性延展。值妥贴心的是，当工艺实现后，工件头尾端出现的中心凹陷，性质上是由于芯部金属在应力状态下的流动滞后于表表金属，在表表变形的牵引作用下，中心区域因金属补充不充分而形成几何凹陷。该演变法规与基于金属流动理论的分析拥有优良的一致性，验证了仿照工艺参数设置的合理性与变形机造分析的正确性。

2.2温度场分析

铸造出产中，锻件温度对锻件成形质量至关沉要，合理的温度能够加快铸造效能和提高产品良率，同时要思考到由于铸造引起的内部升温对芯部区域的影响，确保芯部不会由于温度太高[过烧]而影响最终机能。

为了更好相识整个锻件分歧部位的温度、等效应变的变动，从锻件中拔取了标号为2、1和3的三个点，别离位于端面区域、芯部区域和侧表表区域，使用后处置点追踪技术分析三个区域温度、应变的变动法规。

图7与图8所示为仿照了局贾粗1阶段锻件特点点追踪温度散布曲线，通过度析可知，三次镦粗过程均出现显著的温度梯度特点:工件表表表温度较低，且由表层向芯部出现递增趋向。该景象归因于镦粗变形过程中，芯部区域经历了更大的塑性变形，累积的变形功转化为热能，导致显著的温升效应。与此同时，锻件端面与低温砧具及表界空气直接接触，通过热传导和对流作用形成高效散热通路，以至表层温度急剧降落;加之镦粗过程持续功夫较短，芯部产生的变形热尚未形成有效热传导至表表区域，从而维持了内表层的温度差距。特点点温度演化曲线进一步批注:端面与砧子接触初期即出现急剧降温，芯部温度随镦粗过程维持不变并略有上升，表表表温度则出现持续幼幅降落趋向。

在多路次拔长工艺阶段，工件芯部温度场阐发出优良的一致性，主体区域温度颠簸幅度较幼。然而，工件表表因与砧子及环境空气的散热作用，形成显著的低温天堑。值得关注的是，工件头尾端与其他部位存在显著温度差距，该区域因散热面积相对较大且约束前提特殊，导致温度衰减速度高于主体部门，进而在内表层间形成较大的温度梯度。这种非均匀温度散布可能导致资料边缘与芯部的显微组织和力学机能出现显著差距，对获得组织均匀、机能优异的锻件产生不利影响。此表，部门芯部区域温度的上升景象，可诠释为随着变形量的累积，塑性变形能转化的热能逐步超过热耗散速度，使得资料内部温度因变形功的持续输入而出现阶段性升高。

2.3等效应变分析

等效应变的大幼是评价锻件锻透性的沉要指标，锻件芯部产生较大的应变，有助于解除缺点，改善组织机能。通过镦粗工艺增长芯部应变，也能够改善后续拔长初期表表应变高而芯部应变低引起的不均匀变形，提高拔长过程中资料整体变形均匀性。

图9、图10为分支路次等效应变散布图贾粗1阶段特点区域应变变动趋向图，由图可知，镦粗变形过程中存在显著的应变梯度:高低端面因受砧面摩擦约束作用，金属径向流动碰壁，形成低应变区[应变值根基维持初始状态]，而芯部区域因受天堑摩擦影响较幼，成为重要变形区，其等效应变值显著高于端面及表层区域。这种由摩擦导致的变形不均匀性，使得应变在截面内出现“X”型散布特点，与砧子接触的端面区域险些无变形，应变值由边缘向中心逐步增大，最终导致圆柱体坯料形成典型的鼓形畸变。

从应变幅值演变法规来看，镦粗1、2、3阶段的应变领域别离为0.00~0.66、0.05~4.63、0.36~5.15,后两个镦粗过程的峰值应变与均匀应变显著高于初次镦粗。这是由于在镦粗 2和镦粗 3前经历了拔长工序，前期累积的塑性变形与当前路次应变产生叠加，体现了多工序耦合作用下的应变累积效应。

在拔长过程的等效应变散布中,坯料经镦粗-拔长循环后，整体应变水平显著提升，主体区域等效应变可达1.75以上，仅头尾部门区域因天堑约束维持较低应变值。各拔长路次的峰值应变均呈此刻工件高低表表，这是由于砧面接触时的摩擦阻力不仅限度了表表金属的横向流动，还促使变形能量在接触区域集中开释。芯部作为传统认知中的“难变形区”，其应变值随拔长次数增长而逐步增大，且沿工件轴向出现近似周期性散布特点，批注屡次拔长工艺有效推进了芯部资料的塑性流动。对比拔长阶段可见，首路拔长的芯部应变幅值最幼,而最后两路次的芯部应变散布更为均匀,标志取工件芯部在多路次变形中逐步实现“锻透”，其截面应变散布出现典型的“X”型分层特点，反映出表表强变形区与芯部弱变形区的动态演化过程。

2.4关键点温度变动分析

在 Simufact Forming软件中拔取工件的芯部、端面以及表表三点，如图11所示。在后处置中提取三点在整个铸造过程中的温度数据，分析整顿出温度随功夫变动的曲线图，见图12。

GH4169圆柱件铸造时，芯部、表表及端面温度随功夫呈周期性颠簸，与火次工艺缜密有关。前三个火次中，镦粗、拔长阶段塑性变形产生，变形热使各部位升温，芯部因变形热直接作用且热传导滞后，升温更显著;保温阶段，表表和端面因与表界热互换强而降温更显著，芯部温度相对不变，形成芯部与表、端面的温度差。后四个火次，拔长变形生热使温度上升，保温阶段热传递与热互换法规同前，表表、端面散热快，中心温度仍相对更高。整体上，屡次塑性变形生扰纂保温阶段热传导、热消散的交互作用，驱动温度场随工艺动态演化，中心温度因热传导滞后和变形热直接作用，始终相对高于表表与端面，表表和端面温度更易受表界热互换影响。

3、结论

1]基于Simufact Forming有限元平台，构建了蕴含工件、砧子及机械夹持手的三维热力耦合模型，针对GH4169合金开坯铸造工艺，成功仿照了镦粗-拔长多工序耦合过程。通过数值仿照获得的锻件温度场与等效应变场散布。对现实出产工艺的改进优化拥有领导意思，为复杂合金铸造过程的工艺优化提供了靠得住的数值分析凭据。

2]镦粗变形阶段，工件端面因与低温砧具接触产生强烈热传导，同时受天堑摩擦约束导致变形量受限，形成温杜纂等效应变的双低值区;芯部区域则因集中的塑性变形产生显著的变形热效应，且热量难以向表表耗散，使得该区域的温杜纂等效应变均显著高于周边区域，出现典型的“中心高、边缘低”的梯度散布特点。

3]拔长过程中，工件表表因直接参加砧面接触变形及环境热互换，阐发为高应变值与低温度值的耦合特点;芯部作作难变形区，其塑性应变随拔长路次增长而逐步累积，随着变形能量的深刻传递，芯部资料逐步被“锻透”，等效应变出现沿轴向的周期性散布法规。这种多工序耦合作用下的变形一传热行为，揭示了复杂锻件内部组织机能调控的关键机造。

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（注，原文标题：大规格GH4169合金棒材铸造过程数值仿照钻研_袁嘉澳）