【行业技术】AerMet100钢锻件锻造过程的三维热力耦合数值模拟和细晶化大型模锻件研制

AerMet100 钢是美国Carpenter 技能公司在1992 年开发的一种新式的超高强度钢，其化学成分(wt%) 为Fe-0.23C-11.73Ni-13.85Co-3.13Cr-1.25Mo。该合金具有杰出的归纳功能：高强度、高开裂韧性、抗疲劳、延展性好。其抗拉强度可达1930MPa 以上，开裂韧性超越了110MPa·m1/2，一起它还具有愈加优秀的抗应力腐蚀开裂和抗疲劳开裂的能力，是航空航天的理想资料。主要用于高强、高韧的起落架等零部件的制造上。

国内关于提高AerMet100 钢归纳功能的研讨根本都会集在对钢中杂质元素和微量元素的操控上。关于选用数值模仿技能，经过优化铸造工艺参数，借助大压力的铸造设备，获得8 级以上的细晶安排进而提高AerMet100 钢的归纳功能，现在还研讨较少。根据国内相关AerMet100 钢细晶化铸造工艺辅导文件，获得具有优秀安排力学功能的细晶锻件的条件为：(a) 成形温度小于等于1050℃；(b) 每火次坯料各部位变形量在30% 以上。本文使用有限元软件对某AerMet100 钢模锻件的铸造进程进行了数值模仿，分别对一火次和两火次模锻成形时坯料应变场的改变进程进行了研讨，得到了优化的模锻成形火次。并进而对优化成形火次下坯料的温度场和成形状况进行了研讨，得到了成形杰出且满意模锻变形量要求的坯料，为出产工艺的制定提供了参阅。在得到较优化的铸造工艺参数和坯料的基础上，使用400MN 大型模锻液压机，在国内初次成功出产出了晶粒度满意ASTM 8 级要求的大型AerMet100 钢模锻件，完成了AerMet100 钢细晶化铸造技能的工程化，并将其力学功能提高到了新的高度。

本文选用CATIA 软件完成了坯料和模具的几何造型建模。模仿进程对坯料选用四节点四面体单元离散。资料的流变应力为铸造温度、应变速率和应变的函数，即 。坯料的加热温度选为1040℃，模具温度为300℃。因为锻件变形为高温大变形的进程，因而坯料的弹性变形能够疏忽，选用刚粘塑性资料模型，模具设为刚性体。坯料与模具之间的冲突选用剪切冲突模型，铸造进程选用水基石墨进行光滑，冲突因子取为0.3，坯料与模具间的换热系数取为2.0N/sec/mm/℃，坯料与环境换热系数取为0.02N/sec/mm/℃。铸造设备为液压机，速度选为10mm/s。图1 为树立的有限元模型。

图1 坯料和模具的几何模型

铸造火次对锻件变形量的影响

图2 为计划2 成形完毕后锻件垂直于分模面的最大纵截面和典型横截面的变形量散布图，结合纵截面和横截面的变形量散布图能够看出，锻件大头部位（截面3 方位）的变形量根本在30% 以上且散布比较均匀，这是因为大头部位尺度大，第二火变形时坯料需和模具贴合，很多的金属需经过活动排出型腔。杆部（截面1 方位）分模面方位变形量也在30% 以上，远离分模面的部位变形量在20% 以下，且小变形区深度较大，单侧最大深度约为1/4 杆部直径，这是因为第一火时杆部远离分模面的部位现已成形，第二火时此部分现已成为了刚性体，不参加变形。杆部第二火时的变形主要是分模面附近的金属排出型腔，因而此处变形量大。杆部高台处（截面2 方位）根本上全部为变形量小于20% 的小变形区，主要原因也是在第一火时此部位坯料现已和模具型腔贴合，第二火时为刚性体，根本不参加变形。

图2 计划2纵截面和典型横截面的变形量散布

由计划1 和计划2 的对比能够看出，在锻件变形量的散布上，计划1 锻件很大部分变形量不能满意AerMet100 钢细晶化锻件对变形量的要求，因而主张选用计划2，即一火次成形工艺。

坯料的规划应满意两个方面：⑴锻件各部位成形完整；⑵锻件各部位的变形量尽量抵达30% 以上。从相关数值模仿成果剖析得出，锻件杆部高台（图2截面2 方位）处较难充溢型腔，一起变形量不容易抵达要求。影响此部位成形质量和变形量散布的关键因素是此部位坯料的高度尺度H，如图4 所示。因而，将H 作为最优化坯料规划的关键参数进行数值模仿。

图4 尺度H 示意图

图5 H 不一起高台部位变形量散布

一火次成形较多火次成形，锻件外表夹伤等缺点更难发现和扫除，因而还应考虑到锻件各部位不会呈现夹伤等成形缺点，数值模仿发现图4 所示A 部位较容易发作夹伤。图6 为坯料在模仿和什物出产时呈现的夹伤状况。在对坯料进行多次优化模仿后得到了不会呈现夹伤等缺点的较优化坯料，其最终成形状况如图7 所示。

图6 坯料成形时呈现的夹伤状况

图7 优化坯料成形时无夹伤现象

细晶化AerMet100 钢的成形温度不能够大于1050℃，因而对铸造进程中锻件各部位温度改变和温升状况进行研讨是很有必要的。

图9 为典型点的温度改变曲线，能够看出在铸造初始阶段，锻件心部温度一直坚持1040℃无改变，跟着铸造进程的进行，锻件心部开端发生较大的变形量，因为塑性变形发生热量，心部温度均先后开端升高，P3 点温升最大，其最大温升为8℃，最高温度没有超越1050℃。当变形量抵达必定程度时，塑性变形发生的热量小于因为模具冷却和坯料向环境散热所损失的热量，3 个典型点的温度均先后开端下降。

图9 典型点温度改变曲线

AerMet100 钢细晶化大型模锻件研发

表1 为AerMet100 钢起落架模锻件力学功能，可以看出，两批次模锻件均抵达了优秀的归纳功能，尤其在只优化铸造工艺参数的基础上，初次在国内获得了σb>1950MPa，KIC>150MPa·m1/2，具有优秀归纳功能的细晶化大型AerMet100 钢模锻件。

⑴针对实际出产问题，树立了某AerMet100 钢锻件铸造进程的三维热力耦合有限元模型，使用有限元软件对锻件的铸造进程进行了数值模仿，模仿计算结果与实际相符。

⑶选用模仿优化得到的坯料，1040℃的变形温度、10mm/s 的变形速度、一火次模锻成形可得到成形良好、温度场和应变场根本满意要求的锻件。

<p font-size:17px;text-align:justify;background-color:#ffffff;"="" style="word-wrap: break-word; margin-top: 5px; margin-bottom: 5px; font-family: "sans serif", tahoma, verdana, helvetica; font-size: 12px; white-space: normal; color: rgb(51, 51, 51);">⑷选用得到的较优化的工艺参数，在西安三角防务400MN 模锻液压机上试制了两批次某型飞机AerMet100 钢起落架模锻件。试制成果表明，锻件成形杰出，无外表缺点，锻件心部和外表均抵达了8 级以上的晶粒度。在优化铸造工艺参数的基础上，初次在国内获得了σb>1950MPa，KIC>150MPa·m1/2，具有优秀归纳功能的细晶化大型AerMet100 钢模锻件，模仿成果能够有效辅导实际出产。

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