数值模拟驱动下GH4169合金锻造过程变形均匀性调控及工艺适配性研究——结合高温合金在航空航天石油化工等领域的广泛应用，针对其锻造过程中组织不均匀芯部难锻透等关键技术难题

GH4169属于镍基高温合金，与美国牌号为Inconel718的合金成分相似，是所有高温合金中应用最广泛、生产最稳定的合金之一。GH4169合金因其优异的综合性能和高温稳定性被广泛应用于航空航天、石油化工和核能发电等多个领域。作为航空航天领域的重要材料，GH4169合金主要应用于涡轮盘、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、交变温度等恶劣条件，要求其具有良好的抗疲劳和抗蠕变性能。

锻造是根据金属本身的塑性特性，对其开展变形工艺处理，利用金属处于高温状态下的可塑性，将其塑造成特定形状，是有效调控合金组织与性能的关键工序。而GH4169合金有着较大的变形抗力和较小的加工温度区间，故其加工性能较差。因其复杂的热加工变形过程，有限元模拟软件逐渐成为分析工件在其复杂加工工况下各参数变化的热门工具。

乔世昌等通过实验与数值模拟结合的手段，系统研究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热模拟机对Ni-Co-Cr基粉末高温合金进行热压缩试验，结合DEFORM-3D有限元模拟及微观表征[金相、电子背散射衍射技术]分析，发现合金的软化机制主要由DRX主导，其中不连续动态再结晶[Discontinuous Dynamic Recrystallization,DDRX]因晶界弓出形核效应成为关键机制。类似地，Chamanfar等[]针对镍基合金的等温锻造过程，采用DEFORM-3D软件构建了包含热力耦合效应的有限元模型，探讨了980℃~1140℃及0.01~1s~1条件下DRX的动力学响应。在所研究的条件下，锻件内部热变形参数和温度的分布是不均匀的。最大应变、应变速率和温度主要出现在锻件的边缘和中心。锻件组织不均匀，即DRX体积分数和平均晶粒尺寸分布不均匀。

魏振等利用Fortran语言将修正前后的组织模型分别写入程序，并经Simufact Forming软件调用后对GH4169合金的环轧过程进行了微观组织模拟，建立了可实现各工艺流程间组织遗传的数值模拟方法，并通过实验验证了适配性修正后组织演化模型的正确性和该模拟方法的可行性。靳盛哲等为探究孔挤压工艺在镍基高温合金上的应用，建立了镍基高温合金GH4169孔挤压工艺的数值模拟方法，并通过试验验证了方法的有效性，讨论了芯棒材料、挤压量和摩擦因数对周向残余应力分布的影响规律，并得到了挤压量和摩擦因数的优选范围。

综上所述，大多数学者都是针对合金热变形的单一工序进行仿真模拟，并没有针对一整套工艺流程进行模拟。大规格GH4169合金锻件的锻造加工全流程模拟研究也较少。如果通过实际生产方式确定合理的工艺参数，不仅耗时长、成本高，而且难以观察到锻件芯部区域的变形情况，难以确定工件芯部性能是否达标。而本研究使用Si-mufact Forming有限元软件实现了对 GH4169合金完整锻造过程的仿真模拟4，数值模拟的方法不仅节省了时间和成本，而且获得了锻造变形过程中整个锻件的温度场和应变场分布情况，对工艺方案的制定提供了帮助，为实际锻造生产提供参考价值。

1、有限元模型建立

1.1几何模型

根据某企业生产的工件实际尺寸，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，实际有限元模型、实际锻造生产过程以及模拟锻造示意图如图1所示，模型划分网格采用六面体单元,网格数量为30000。

1.2参数的设定

1.2.1材料参数的输入

在 Simufact Forming材料库中选择 Inconel718合金,将 GH4169的化学成分[表 1]以及热物性参数[图 2]导入,完成材料的热导率、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,根据相关资料选取摩擦系数为  0.4 [15−16],其他参数按照默认不进行修改。

在热加工过程中,金属材料应变速率、变形温度和应变是影响其流变应力的重要因素,而本构方程能够准确地描述这些参数之间的关系。目前使用最为广泛的一种模型是 Arrhenius方程  [17],该模型的表达形式如下:

式中 A、  α、n一分别为材料常数,其中  α =  β/n, β为高应力区的应力敏感系数;  ε ˙一应变速率,  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,该模型可以简化为如下指数函数形式:

在高应力状态下,该模型可以简化为如下指数函数形式:

结合上述GH4169的本构方程,对 Simufact Forming材料库中 Inconel718材料的属性进行修正,使其符合模拟 GH4169锻造所需的流变应力方程。

表 1 GH4169合金化学成分质量分数[单位:%]

1.2.2锻造工艺的设置

某企业实际锻造生产工艺由七个火次构成[表 2],该锻造工艺前三个火次包含了镦粗、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软件开展模拟时,初始镦粗过程采用热锻模块[该模块集成镦粗功能],而拔长工艺的模拟需调用自由锻模块中的开坯锻造或径向锻造功能  [18]。在选取相应模块开展第一火次镦粗过程模拟时,需依次导入锻件三维初始几何模型、材料参数、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位置关系需进行精确定位调整,通过软件内置的定位功能,借助旋转、平移及重合约束等操作实现三者空间位置的协同优化  [20]。在设置单火次内的多道次工艺时,由于存在往复锻造,需在每一道次中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,以使模拟过程能够自动识别位置参数,完成道次间的工艺衔接。

实际生产的锻造流程具有连续性特征[2]。为等效实现模拟过程的工艺,利用 Simufact Forming软件的多工序耦合功能。具体而言,在完成每个火次模拟,以及同一火次内镦粗、拔长等不同工步的模拟后,需重新生成包含该阶段结束时锻件的应变、温度等信息的几何模型。为后续模拟过程提供可直接调用的几何模型,从而实现多工序间的数据传递与耦合,确保模拟结果的物理真实性。

表2 实际锻造工艺

1.2.3确定划分网格数量

划分不同网格数量对第一火次的镦粗 1、拔长1过程进行模拟。划分网格数量为[20000、30000、40000]，图3、图4为不同网格数量的模拟结果。

从模拟结果分析可得，在30000与40000网格数量下模拟结果相差较小，但与20000网格数量下的模拟结果差别大2。在30000网格数量下，相较于20000网格数量，其等效应变分布能更细致地反映材料变形的局部特征，精准度有较大提升，可更准确地反映镦粗拔长过程中的变化规律;另一方面，与40000网格数量相比，30000网格数量在保证较高模拟精度以满足工程分析需求的同时,能有效控制计算规模,降低计算时间与资源消耗，实现了模拟精度与计算效率的较好平衡，更适用于工程实际中的镦粗拔长工艺模拟分析。

2、模拟结果与分析

2.1锻件变形分析

如图5与图6所示，数值模拟所得的完整锻造工艺流程和工件外形演变过程，与实际工艺规范呈现高度吻合性[23-24]。模拟结果表明:在镦粗变形阶段,初始圆柱状坯料因上下端面与砧块间的摩擦约束效应，导致端面区域金属流动受阻，等效应变分布呈现显著梯度。中心区域因变形量较大产生更高的变形热，促使金属流动性增强，进而形成中部外凸的鼓形。在多道次拔长工艺实施过程中，坯料经往复锻造逐步演变为八边形截面，其轴向长度随变形累积呈现规律性延展。值得注意的是，当工艺完成后，工件头尾端出现的中心凹陷，本质上是由于芯部金属在应力状态下的流动滞后于表面金属，在表面变形的牵引作用下，中心区域因金属补充不充分而形成几何凹陷。该演变规律与基于金属流动理论的分析具有良好的一致性，验证了模拟工艺参数设置的合理性与变形机制分析的准确性。

2.2温度场分析

锻造生产中，锻件温度对锻件成形质量至关重要，合理的温度可以加快锻造效率和提高产品良率，同时要考虑到由于锻造引起的内部升温对芯部区域的影响，确保芯部不会因为温度太高[过烧]而影响最终性能。

为了更好了解整个锻件不同部位的温度、等效应变的变化，从锻件中选取了标号为2、1和3的三个点，分别位于端面区域、芯部区域和侧表面区域，运用后处理点追踪技术分析三个区域温度、应变的变化规律。

图7与图8所示为模拟结果及镦粗1阶段锻件特征点追踪温度分布曲线，通过分析可知，三次镦粗过程均呈现显著的温度梯度特征:工件外表面温度较低，且由表层向芯部呈现递增趋势。该现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外界空气直接接触，通过热传导和对流作用形成高效散热通道，致使表层温度快速下降;加之镦粗过程持续时间较短，芯部产生的变形热尚未形成有效热传导至表面区域，从而维持了内外层的温度差异。特征点温度演化曲线进一步表明:端面与砧子接触初期即出现急剧降温，芯部温度随镦粗进程保持稳定并略有上升，外表面温度则呈现持续小幅下降趋势。

在多道次拔长工艺阶段，工件芯部温度场表现出良好的一致性，主体区域温度波动幅度较小。然而，工件表面因与砧子及环境空气的散热作用，形成明显的低温边界。值得关注的是，工件头尾端与其他部位存在显著温度差异，该区域因散热面积相对较大且约束条件特殊，导致温度衰减速率高于主体部分，进而在内外层间形成较大的温度梯度。这种非均匀温度分布可能导致材料边缘与芯部的显微组织和力学性能出现显著差异，对获得组织均匀、性能优异的锻件产生不利影响。此外，部分芯部区域温度的上升现象，可解释为随着变形量的累积，塑性变形能转化的热能逐渐超过热耗散速率，使得材料内部温度因变形功的持续输入而呈现阶段性升高。

2.3等效应变分析

等效应变的大小是评价锻件锻透性的重要指标，锻件芯部发生较大的应变，有助于消除缺陷，改善组织性能。通过镦粗工艺增加芯部应变，也可以改善后续拔长初期表面应变高而芯部应变低引起的不均匀变形，提高拔长过程中材料整体变形均匀性。

图9、图10为不同道次等效应变分布图及镦粗1阶段特征区域应变变化趋势图，由图可知，镦粗变形过程中存在显著的应变梯度:上下端面因受砧面摩擦约束作用，金属径向流动受阻，形成低应变区[应变值基本维持初始状态]，而芯部区域因受边界摩擦影响较小，成为主要变形区，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，使得应变在截面内呈现“X”型分布特征，与砧子接触的端面区域几乎无变形，应变值由边缘向中心逐渐增大，最终导致圆柱体坯料形成典型的鼓形畸变。

从应变幅值演变规律来看，镦粗1、2、3阶段的应变范围分别为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平均应变显著高于首次镦粗。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道次应变发生叠加，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分布中,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，仅头尾局部区域因边界约束保持较低应变值。各拔长道次的峰值应变均出现在工件上下表面，这是由于砧面接触时的摩擦阻力不仅限制了表面金属的横向流动，还促使变形能量在接触区域集中释放。芯部作为传统认知中的“难变形区”，其应变值随拔长次数增加而逐步增大，且沿工件轴向呈现近似周期性分布特征，表明多次拔长工艺有效促进了芯部材料的塑性流动。对比拔长阶段可见，首道拔长的芯部应变幅值最小,而最后两道次的芯部应变分布更为均匀,标志着工件芯部在多道次变形中逐渐实现“锻透”，其截面应变分布呈现典型的“X”型分层特征，反映出表面强变形区与芯部弱变形区的动态演化过程。

2.4关键点温度变化分析

在 Simufact Forming软件中选取工件的芯部、端面以及表面三点，如图11所示。在后处理中提取三点在整个锻造过程中的温度数据，分析整理出温度随时间变化的曲线图，见图12。

GH4169圆柱件锻造时，芯部、表面及端面温度随时间呈周期性波动，与火次工艺紧密相关。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，表面和端面因与外界热交换强而降温更明显，芯部温度相对稳定，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交换规律同前，表面、端面散热快，中心温度仍相对更高。整体上，多次塑性变形生热与保温阶段热传导、热散失的交互作用，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，始终相对高于表面与端面，表面和端面温度更易受外界热交换影响。

3、结论

1]基于Simufact Forming有限元平台，构建了包含工件、砧子及机械夹持手的三维热力耦合模型，针对GH4169合金开坯锻造工艺，成功模拟了镦粗-拔长多工序耦合过程。通过数值模拟获得的锻件温度场与等效应变场分布。对实际生产工艺的改进优化具有指导意义，为复杂合金锻造过程的工艺优化提供了可靠的数值分析依据。

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，同时受边界摩擦约束导致变形量受限，形成温度与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，且热量难以向表面耗散，使得该区域的温度与等效应变均显著高于周边区域，呈现典型的“中心高、边缘低”的梯度分布特征。

3]拔长过程中，工件表面因直接参与砧面接触变形及环境热交换，表现为高应变值与低温度值的耦合特征;芯部作为难变形区，其塑性应变随拔长道次增加而逐步累积，随着变形能量的深入传递，芯部材料逐渐被“锻透”，等效应变呈现沿轴向的周期性分布规律。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性能调控的关键机制。

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（注，原文标题：大规格GH4169合金棒材锻造过程数值模拟研究_袁嘉澳）