1、引言

在现代造作业中，高温合金凭借其优异的耐高温及耐侵蚀机能，被宽泛利用于航空、航天、能源及汽车等沉要行业。这些利用对资料的机能提出了极高的要求，尤其是在极端工作环境下[1]。在现实出产环节，对高温合金棒材的微观组织进行精确调控极为不易，例如在铸造过程中，GH4169合金中δ相的析出量、描摹和散布很难节造，而其对GH4169合金高温下的力学机能有很大影响[2]。GH4720Li合金在铸造棒材成型时，表表会出现裂纹以及粗晶层[3]。由于GH4037合金棒材轧态组织不均匀，棒材表层常
；岢鱿执肿尘Я，造成探伤时出现杂波超标[4]。因而，若何有效地加工和改善高温合金的微观组织和机械机能，是资料科学和造作技术钻研的沉要课题。

径向锻做作为一种先进的金属成型技术，因其高效能、资料利用率高和能显著改善锻件的微观结构而受到工业界的宽泛关注。径向铸造发源于1950年，属于一种怪异的铸造技术。在铸造过程中，多对对称分列的锤头对坯料进行高频径向敲打，坯料的状态无论是方形还是圆形，都在机械手的夹持下旋转并轴向移动，从而在多锤头螺旋式变形下轴向伸长[5]。用于径向铸造工艺的机械称为精锻机，在国际上被称作径向铸造机。径向铸造机集成了液压传动、微电子、自动节造、网络通讯、传感测试等多项技术，是一种先进的少、无切削加工设备。目前全球重要的径锻机造作商有奥地利GFM、德国SMS等几家公司。中国境内的径锻机多从国表进口，好比久立集团引进了一台SMS18MN的液压径锻机。目前我国兰石集团成功研发了1.6MN的机械式径向铸造机，并构建了一条涵盖加热、铸造、矫直的全自动棒材径向铸造出产线。

目前高温合金棒材时时经过快锻、径向铸造或者“快锻+径向铸造”组合的方式进行造备。自由锻是从坯料心部向表变形，终锻温度低，表表会存在比力严沉的冷变形组织，并且坯料表缘存在较大的幼变形区，表表质量和精度较差。径向铸造是从坯料表缘向心部变形，会提高表表质量。此表，径向锻机由于锻打频率较高(每分钟最低锤击频次是快锻液压机的2倍)，坯料在形变时产生的热量足以赔偿其向环境消散的热量，使得其在加工过程中温度颠簸不大，险些等同于恒温铸造[7]。因而径向铸造更适合窄热加工温度区间高温合金的铸造。

只管径向铸造技术在尝试和幼批量出产中获得了显著进展，但在工业利用中仍面对诸多挑战，例如设备成本高、工艺参数节造复杂等问题。本文旨在综述径向铸造工艺的特点、以及高温合金在径向铸造过程中的组织变动和锻透性分析。沉点分析了高温合金在径向铸造过程中存在的问题，提出可操作的解决步骤，为高温合金的径向铸造工艺提供科学领导和技术参考。

2、径向铸造工艺简介

图1a展示了具备高频脉冲锻打与多方向模锻个性的径向铸造装置，其中高频脉冲锻打使得每次形变量较幼，导致金属形变速度较低，金属流动距离短，摩擦力幼，形变趋于均匀(图1b)。利用多达八个锤头沿径向对坯料进行铸造，使坯料处于三向应力状态，有助于加强金属的塑性。因而，径向铸造工艺出产的锻件拥有良好的力学机能，内部组织致密，抗拉强度和冲击韧性良好[8]，极度适合造作高温合金部件。

2.1径向铸造特点

径向铸造能够从坯料的温度上分为热径锻、冷径锻、温径锻3类，别离指坯料温度在齐全再结晶温度以上、室温、室温以上齐全再结晶温度以下的径锻步骤[9]。热径锻是高温合金棒材成型常用的径锻方式。

2.1.1径向铸造工艺参数

径向铸造中比力关键的工艺参数影响成分有:旋转角度、轴向进给量、锻打频率、径向压下量和铸造温度。

(1)旋转角度:在径向铸造过程中，锻件会随夹持端的旋转而动弹，因而旋转角度即是夹持端的动弹角度。每次锤头铸造时，锻件城市动弹肯定角度，因而铸造出的棒材表缘现实是多边形。锻件的多边形边数直接受铸造时的旋转角杜装响，而非锻件直径。边数增长，锻件状态更趋向圆形。在径向铸造机锻打次数固定的情况下，能够调整夹持端的旋转角度。选择旋转角度时应在保障产品表表质量的前提下，尽可能选取较高的旋转角度和较大的轴向进给速度，以提升出产效能[6]。

(2)轴向进给量:轴向进给量界说为单元功夫内夹头轴向移动的距离。固然能够通过增长轴向进给量来提逾越产率，但会削减铸造过程中的锻打次数，从而可能导致锻件表表质量降落。增长轴向进给量会增大塑性变形区，一方面会增大设备负载，另一方面会提升锻件温度[10]。

(3)锻打频率:锻打频率是指单元功夫内锤头对锻件的锻打次数，通常以每分钟的锻打次数来暗示。在径向铸造工艺中，锻打频率是一个沉要参数，直接影响出产效能、锻件成形质量以及设备负载。常见的径向铸造机的锻打频率领域在80~240r/min之间[11]。对于高温合金锻件,锻打频率通常较低,在80~120r/min之间,以确保锻件质量。

(4)径向压下量:径向压下量是指单次锻打时锻件径向尺寸的削减量。在设备接受领域内，应尽可能增大径向压下量，以加强锻件的锻透性并提升出产效能。不外，若径向压下量和轴向进给量同时过大时，锻件表表可能会产生螺旋状褶皱。因而，要凭据轴向进给量、旋转角度等工艺参数，节造相宜的径向压下量。

(5)铸造温度:铸造温度直接影响坯料的初始晶粒尺寸，进而影响铸造过程中锻件的组织演化。在径向铸造时，锻件热量的损失重要体此刻坯料与表界环境的热互换以及坯料与锤头的热互换。在径向铸造过程中，铸造所需功夫较短，并且锤头与锻件的接触功夫较短，因而锻件的温降幼，高速锻打时锻件心部温度会有显著升高。针对GH4169合金棒材径向铸造的钻研批注，晶粒尺寸重要受始锻温杜装响，而δ相的析出状态与数量则受终锻温度的影响，以上最终会影响制品棒材的组织和机能[12]。

2.1.2径向铸造工艺参数

径向铸造设备的锤头通常装置2个或4个。两锤头径向铸造机与传统的快锻机极度类似，由于都使用了两个锤头。然而，径向铸造机与传统的快锻机相比，拥有更高的压下速度[13-14]。双锤头径向铸造机如图2a所示[15]，经过适当的刷新，该机械还能够使用四个锤头。锤头装置在通过偏疼凸轮由单一驱动轴驱动的摇臂上。在工件变形后，锤头通过弹簧复位。通过调整螺纹套管，能够节造锤头之间的距离以及工件在轴向上的进给。由于锤头的急剧冲击，锤头内部会产生大量热量。为了预防过热，锤头选取了水冷系统。通常来说，四锤头径向铸造机比两锤头径向铸造机更常用，如图2b所示[16]。四锤头径向铸造机的一个重要利益是能够在一个路次中出产方形和圆形工件，而两锤头径向铸造机通常必要进行多路次加工[17]。总体上，四锤头铸造机比两锤头铸造机更复杂且成本更高[18]。

凭据驱动方式，径向铸造设备可分为三大类:机械驱动、液压驱动以及机液混合驱动(图2)。在机械驱动方式的锤头结构中，偏疼轴驱动滑块机构，将旋转活动转换为直线活动，蜗轮蜗杆驱动的调节螺纹将这一活动传递至锤头。为确保锤头的同步活动，选取了一个齿轮系统来驱动四个偏疼轴，该系统使得锻锤的行程地位可能通过四组蜗轮蜗杆实现同步或成对换节，以适应分歧状态的工件，如图2c所示[16]。GFM公司开发的SX系列和SKK系列径向铸造机是此类设备的典型代表。

图2d展示了液压驱动的道理，即通过液压缸推动活塞，进而带头锤杆，实现锤头的往返活动[16]。全液压驱动的径向铸造机与机械驱动有所分歧，它能凭据锤头的下压量和负载情况，自动进行铸造速度和进攻频率的无级调节。由于这些资料在变形过程中会产生显著的温升效应，这种个性出格合用于高温合金资料的铸造。通过节造变形速度和频次，能够预防过热或过度降温，从而维持在梦想的变形温度区间内。锤头和模具直接衔接在液压驱动的部件上，使得变形量和变形速度可能得到精确节造。典型的如SMS Meer公司研发的SMX系列径向铸造机、SMI系列径向铸造机。

图2e为机液混合式驱动的锤头设备，装置在八角形机架上的四个偏疼轴，是锤头驱动力的重要起源。这些偏疼轴由铸造箱内部的同步齿轮系统驱动。通过调整与偏疼轴相连的液压垫的体积来节造锤头的行程地位。液压垫不仅掌管行程的调节，还提供了过载
；，并能实时监测铸造力。由于液压垫体积幼巧，使得铸造机的整体结构设计得极度紧凑[19]。该设备的锻打频率由偏疼轴的驱动系统来决定。此类设备的典型代表如GFM公司研发的RF系列径向铸造机。

3、径向铸造过程中的组织演变

3.1加工硬化和回复

加工硬化和回复是温锻过程中与晶粒组织变动有关的两个沉要过程[20]。加工硬化景象产生在铸造变形过程中，重要阐发为资料形变增大、资料强度增长，而塑性降落。资猜中位错密度的增长是加工硬化的沉要成分，在塑性变形过程中，位错数量持续上升并相互缠绕，最终形成密集的位错结构(位错墙)。资猜中的这些位错，经过位错增殖机造，逐步形成密集的位错结构，最终导致资料强度的显著增长。在正常状态下，典型的位错密度约为10^11m^-2，而在变形加工后则显著增大到约10^16m^-2
；馗春驮俳峋Ч淌怯跋於图微观结构的关键成分，均受到加工硬化过程的影响[21]。在金属变形过程中，部门形变功被吸收，导致内能升高，结构缺点增多。当资料沉新被加热时将经历回复过程，此过程会降低位错密度，从而形成更不变的晶格结构。

选取约化温度T=T/T_m(T为资料温度，T_m为资料熔点)进行温度区间的划分，重要分为3个区间:0.1<T<0.3为低温回复区间，点缺点急剧活动并且隐没;0.3<T<0.5为中温回复区间，随着温度的提升，原子的活动能力加强，位错可能会产生滑移或交滑移，从而形成亚晶结构，导致位错密度降低;T>0.5为高温回复区间，由于原子活动能力持续加强，位错可能产生攀移和多边化等过程[22]
；馗床某潭抛胗Ρ洹⑽露群凸Ψ蛴泄，通常随着变形的增长、温度的升高和功夫的耽搁，资料的回复水平增长。此表，回复与资料的堆垛层错能有关，它代表资料内产生层错所需的能量，位错的滑移、攀移和交滑移将会受到层错的故障，进而故障回复过程的产生，因而资料的堆垛层错能越低(如镍基高温合金)，越易产生回复;反之则资料的回复越难产生，继而资猜中的位错密度会更高，亚晶结构相应地会较少。

3.2再结晶

高温合金在热变形过程中，重要依赖再结晶机造来实现晶粒的细化。当合金在塑性变形中累计的位错密度达到一个临界水平时，变形晶粒内部将形成藐幼且无显著缺点的再结晶主题。这些主题在合适的热变形前提下，可能吸收周围的变形晶粒逐步长大，从而推进晶粒细化。再结晶行为重要蕴含动态再结晶(DRX)、亚动态再结晶(MDRX)、静态再结晶3种(SRX)[23]。其中MDRX和SRX又称为后动态再结晶[24]。

DRX指资料在热变形过程中产生的再结晶景象，也是径锻过程中晶粒细化极度沉要的一部门。动态再结晶过程涉及两个阶段，即形核阶段和随后的长大阶段，新晶粒的产生会使资料的晶粒细化，从而提升零件的综合力学机能，凭据本课题组钻研，GH4169的动态再结晶描摹如图3所示。凭据形成机造的分歧，DRX可分为3类:不陆续动态再结晶(DDRX)、陆续动态再结晶(CDRX)以及几何动态再结晶(GDRX)，具体分类如图4所示[25]。在镍基高温合金中，再结晶机造以DDRX为主，CDRX为辅[26]。不外也有学者发现，这3种类型的动态再结晶没有严格的分界限，极有可能同时产生[27]。

1950年,Beck等人[28]初次观察到了不陆续动态再结晶景象。资料变形过程中，各晶粒的变形量有异，变形量大的晶粒，其内部贮存的能量较高;变形量幼的晶粒内的贮存能较幼。为了削减晶粒内部的形变储能，晶界会从形变储能低的晶粒向高的晶粒推移，进而实现资料能量的降低。非陆续动态再结晶重要以晶界凸出的方式形核，在晶界迁徙的过程中晶界扫过的区域位错密度会变为0，若是满足形核前提，晶界移动扫过的区域出现再结晶形核，在金相组织中阐发为项链状态的组织[29]。不陆续动态再结晶景象拥有易于观察的长大过程。通常的动态再结晶过程如不进行特殊注明，即指不陆续动态再结晶景象，这也是有关钻研最多的一种动态再结晶大局。凭据Azarbarmas钻研发现，GH4169合金在分歧温度分歧应变速度下的再结晶机造，低温高应变速度时CDRX成为再结晶的主导，高温低应变速度时DDRX为重要的再结晶机造[30]。

陆续动态再结晶重要是呈此刻变形水平较大，并且内部拥有较高层错能的高温合金中，容易呈此刻拥有高位错密度的三叉晶界处。陆续动态再结晶重要以亚晶粒的归并形核以及长大的方式进行，形成过程如图5所示[31]。在表力作用下，晶界内部首先产生亚晶界，随后亚晶界随着位错数量的增多会将位错吸收，导致亚晶界角度增大，最终这些亚晶界转化为大角度晶界，从而形成再结晶的晶粒。转变过程会降低资料内部的变形能和位错密度，并且通过再结晶，也能形成均匀散布的藐幼再结晶组织，改善资料机能。Zhang等人[32]发此刻较幼的应变和较低的变形温度容易产生CDRX。Lin等人[33]以为CDRX产生在中蹬爪变情况下，同时在较低的温度下也容易产生CDRX。

几何动态再结晶景象也与亚晶界和亚晶结构的转变有关，而其与DDRX的重要区别在于几何动态再结晶景象针对变形量极大的情况，在此种情况下晶粒在某一方向产生极大的变形，随着变形量的增大，原有晶界不休靠近，但亚晶结构险些不产生变动。随着变形量的逐步增长，原有晶界产生碰撞和归并而导致亚晶结构转变为新的晶粒，进而产生再结晶景象[34]。

通常资料在变形实现后的多路次保温过程中组织会产生进一步的演变，会产生后动态再结晶，如图6所示[23]。MDRX指DRX过程产生的再结晶晶核在变形后未发成长大的情况下，若资料的温度低于临界温度，这些再结晶晶核会直接发成长大过程并形成较高的形变层状晶粒组织。当资料在变形过程中的变形量幼于此临界应变量，但变形后的储能大到足以在加热前提下驱动再结晶过程时，就会在资猜中产生SRX景象，图7为静态再结晶组织示意图[35]。

3.3晶粒长大

晶粒长大过程是资料组织演化中的沉要过程，其直接影响资料最终的晶粒尺寸。其机理是在肯定的温度前提下，资猜中组织的晶界能可能处于不不变的状态，此时为降低部门能以达到更不变的组织结构，资猜中的晶界将会产生迁徙和归并，以削减资猜中晶界的总面积，相应地就会存在晶粒的增大、收缩与归并过程，其对于资料组织变动的反映就会是晶粒长大过程。凭据课题组的钻研，图8为锻态GH4169合金在分歧温度下经过分歧保温功夫后的晶粒尺寸变动趋向。

晶粒长大过程在资料的各个热变形过程中均会产生，蕴含铸造时的热状态，变形过程和变形后资料仍处于较高温度的一段过程。晶粒长大过程重要受到温度、固溶元素、第二相颗粒和织构的影响，温度是其中最沉要的影响成分[37]。其通过影响晶界的迁徙驱动力和速度对晶粒长大存在显著的影响，温度升高会显著推进晶粒的长大过程。固溶元素和第二相颗粒对晶粒长大的影响重要源于其故障晶界迁徙的钉扎效应，其具体影响与固溶元素和第二相颗粒的含量、类型、尺寸和散布等缜密有关，影响较为复杂。此表，若晶界迁徙的驱动力未突破钉扎效应的故障，晶粒的长大速度将较为缓慢，之后逐步达到一种不变尺寸;钉扎效应导致晶界的再散布和析出过程，因而第二相粒子的存在将对晶粒长大有沉要影响。由于第二相粒子将在长大过程中产生亏损和Ostwald熟化过程，钉扎效应将减弱，而若晶粒长大的驱动力忽然增长了钉扎效应的故障，则晶粒将产生较为急剧的长大，这称为奥氏体晶粒的粗化景象。晶粒成长过程中，织构的存在亦起到故障作用，原因在于织构较多的资料里，低能量的幼角度晶界(亚晶界)较多，这些晶界会增大晶粒长大所必要的驱动力[38]。

4、径向铸造过程中的锻透性分析

在铸造过程中，坯料纵截面上塑性变形能达到的深度被称为锻透性。为了对锻透性进行量化分析，确立了锻透性的尺度:若坯料心部的等效应变值超过0.2，判定为齐全锻透(即锻透性达到100%)[39]。铸态资料通常含出缺点(内部浮泛、疏松和同化等)，这些缺点使得以铸态资料出产的产品无法满足力学机能的要求。径锻开坯能够解除金属在熔炼时产生的疏松缩孔等缺点，并改善微观组织结构。由于径锻开坯能够较为齐全地保留金属流线，因而开坯后资料的力学机能通常高于铸态资料，出产的产品也具备更优的力学机能和更长的使用寿命。晶粒组织的变形以及热激活状态下的动态再结晶和晶粒成长过程是铸锭开坯的性质。通过再结晶过程，铸锭可形成藐幼晶粒，从而获得加工机能优良的坯料，为后续加工提供方便[40]。

4.1经验三角形法

德国人最早凭据经典理论提出了GFM精锻机的锻透性概想，该概想以锤头与坯料的接触长度作为底边，形成一个等腰直角三角形,据此三角形的深度来判定锻透性(图 9)[15]。图 9中, D为坯料的原始直径; A、 B、 C(等腰直角三角形顶点):AC代表锤头与坯料在铸造过程中的接触长度(作为三角形的底边)。凭据 GFM经典理论,以AC为底边机关等腰直角三角形,顶点 B地点的深度被判定为该状态下的最大锻透深度。

式中: E为锻透深度(mm); h为单边压入量 (mm); α为锤头斜面与坯料的夹角 (  °)。

在后续的钻研中,徐方等人[41]将正本用于预测径向铸造过程中圆柱坯料的锻透性三角形法令扩大至矩形截面件,并对其进行了相应的建改,提出了一种新的锻透性推算模型。栾谦聪等人[42]基于经验三角形公式,推导出了推算锻透性的新公式,即式(2),并选取MSC.Marc/Mentat有限元软件,从等效塑性应变和轴向应力散布的角度对径向铸造的锻透性进行了深刻探求。

式中: η fg 为锻透率; η z 为送进率; η rs 为半径比; β为锤头斜面与坯料之间的锐角角度。

4.2解析法

20世纪 70年代, Lahoti与 Altan[43]利用主应力法,构建了轴对称模型来分析管材的径锻工艺。该模型通过将管材内径设为零,进而推广到实心棒材的径向铸造分析。图 10[44]展示了管材在径向铸造过程中的变形区域被划分的 3个部门:缩径区(sinking zone)、铸造区(forging zone)和整形区(sizing zone),并在各个区域构建了简化的力学平衡方程。如果分流面位于铸造区,由于其两侧金属的轴向流动方向相反,摩擦力方向也是相反的,从而别离得到铸造区内分流面两侧的径向压应力散布。再基于分流点处径向压应力的陆续性,成立了一个以分流面地位为未知数的非线性代数方程。通过求解这个方程,最终揭示了变形区内径向压应力散布与工艺参数(例如径向压下量、轴向进给速度、摩擦因子等)以及锤头结构参数(如锥角、整形区长度等)之间的关系。通过对各区域的压应力进行积分,便可能推算出径向载荷。

Yang[45]提出了一种数值步骤,将滑移线场理论与上限造理相结合,并选取非线性优化技术进行推算,探求了应力场、心部开裂的原因以及工件内部的锻透情况,提出了锻透性的概想并据此确定了相宜的工艺参数。王振范等人[46]使用流函数法对 GFM的锻透性进行了钻研,通过流函数分析了进给量、锤头尺寸和状态等成分对锻透性的影响。密栅云纹法(简称云纹法)是一种尝试解析技术,其道理是将试样栅粘贴在试样上并一起经历变形,随后与基准栅沉叠,利用沉叠产生的云纹特点并结合塑性理论确定变形瞬间试样的应力-应变状态[47]。

4.3有限元分析法

随着推算机技术的进取,有限元分析技术在工业领域得到宽泛利用。在径向铸造钻研中,国内表学者普遍选取数值仿照的伎俩来探索分歧工艺前提下应力、应变应变率、温度等场变量的散布法规[48]
；诜治鑫鹊牟罹,现有的径向铸造有限元模型可分为轴对称模型和三维模型两大类。若忽略坯料的旋转及邻近锤头间的间隙,径向铸造过程可被简化为轴对称模型,从而显著降低仿照的复杂性。在径向铸造过程中,必要成立应力-应变本构模型以及晶粒组织演化模型对资料的铸造过程中的了局进行分析。

4.3.1资料应力-应变本构模型

为实现铸造过程及其过程中的晶粒演化过程的仿照,首先必要成立资料在变形过程中的应力-应变本构模型,接着实现工作成形过程的有限元模型成立和推算,再结合伙料变形过程中的晶粒演化法规,成立铸造过程中的晶粒模型,实现对工作成形过程及其组织的仿照[49-50]。目前钻研中利用的资料本构模型大体能够分为:唯象模型、基于物理意思的模型以及人为神经网络模型。

目前唯象模型得到了最为宽泛的利用。典型的唯象本构模型蕴含 Johnson-Cook模型[51]、Arrhenius模型[52]、Fields-Backofen模型以及神经网络模型[53]等。在Arrhenius模型中,思考了温度和应变率等成分对资料流变应力的影响,并基于变形激活能理论,在铸造过程仿照中利用相对较多。Arrhenius本构模型思考温度和应变率与资料流变应力关系,在热变形过程的钻研中,该资料模型尤其合用于高温前提,因而成为利用最为宽泛的模型。其典型大局如公式(3)～(5)所示。

其中, σ为应力, n为应力指数,通过尝试数据拟合得到。Z为 Zener-Hollomon参数,该参数由 Zener和 Hollomon[52]于 1944年提出,也是 Arrhenius本构模型的基础。其影响项蕴含应变速度 ε ˙、变形激活能 Q def 和温度 T, R为气体常数。方程中 A、 α、 β和 Q def 是通过拟合获得的参数, α =    n   β 其了局方程的两种暗示大局如式(6)～(7)所示。

根基的 Arrhenius方程中未思考应变率对资料流变应力的影响,这是其最大的问题。为添补此缺点, Lin等人[54]将 Arrhenius方程中的 Q、 n、 ln A等参数引入关于应变量的五次多项式函数。此种建改后的 Arrhenius方程能合用于分歧变形情况下的流变应力仿照,且拥有较高的精度。

物理意思的资料本构模型是凭据现实产生的物理过程的物理意思,从物理意思启程并实现对资料应力应变个性的说明。此类模型的利益在于从理论启程,其处置过程和了局易于诠释,其弊端则在于其对理论的阐释往往较为复杂,且易存在缺点,较难与现实了局相匹配。

基于物理意思的流动应力模型较为典型的蕴含 Lin等人的模型[55]、 ZA模型[56]、 PTW模型[57]等,其中, Lin等人[55]提出的模型在资料热变形过程中还出格思考了动态回复和动态再结晶景象对资料流变应力的影响。在构建初始塑性模型的过程中,将整个变形过程细分为 4个分歧的阶段:加工硬化阶段、过渡阶段、软化阶段和稳态阶段。结合 4个阶段的机理对其过程中资料的流变应力进行推算,最终别离给出仅产活泼态回复和同时产活泼态回复和动态再结晶情况下资料的本构方程,如公式(8)、(9)所示[58]。仅产活泼态回复前提下,方程(8)中 σ 0 为资料的屈服应力, σ DRV 为资料软化过程仅存在动态回复过程时最终达到的稳态流变应力,通
Ｄ芄煌ü硗撇街杌竦, Ω为资料位错密度随应变演化法规方程中的代表软化作用的系数。当同时产活泼态回复和动态再结晶时,方程(9)中 K d 、n d 是必要拟合的参数; σ p 为峰值应力, σ DRX 为资料产活泼态再结晶情况下最终达到的稳态流动应力, ε c 为动态再结晶的临界应变量。

4.3.2晶粒组织演化模型

为实现对于铸造过程组织的预测和节造,必要对铸造过程中晶粒组织演化过程进行精确、靠得住的仿照。铸造过程中可能产生晶粒长大、加工硬化及回复、动态再结晶、亚动态再结晶和静态再结晶等过程。在这些过程中均可能产生组织变动,且亚动态再结晶由于与动态再结晶分隔钻研的难度大,而未对其进行思考;静态再结晶过程功夫较短(通常为数秒),而以为其影响相较于动态再结晶能够忽略。晶粒长大、加工硬化及回复、动态再结晶是铸造过程中重要必要思考的 3种机造。

晶粒长大过程的经典方程由 Sellars等人[59]于1979年在其对热轧过程中资料的再结晶和晶粒长大的钻研中提出,尝试了局显示,在晶粒长大过程中晶粒的尺寸变动与初始晶粒度(d_0)、功夫(t)、激活能(Q_{gg})、温度(T)有关,推导出的方程大局如方程(10)所示。

其中 m、 C为资料影响因子。该模型作为晶粒长大过程典型的宏观模型,得到了宽泛的利用与钻研。

加工硬化和回复过程的经典模型由 Mecking和Kocks[60]提出,该模型可被划分为两个重要部门:一部门是描述流变应力与位错密度之间关系,另一部门则是描述位错密度随功夫的演化。对于流变应力与位错密度之间的关系模型,通常有方程(11)所示的模型。

其中, σ为流变应力, α为位错密度为 0时资料的初始流变应力, μ为资料的剪切模量, b为资料的伯氏矢量, ρ为资料常数。

动态再结晶模型根基上能够划分为两大类:一类是宏观尺度模型,另一类是微观尺度模型。宏观尺度模型重要基于尝试数据,思考了热变形过程中温度、应变率、应变量以及初始晶粒尺寸等成分对动态再结晶的影响,提出经验性的方程并通过拟合的方式获得有关参数,实现对于动态再结晶过程的仿照[61]。目前利用最为宽泛的是 Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)模型[62],其模型在提出时是用于处置静态再结晶情况的,后续钻研中将其利用于动态再结晶过程中,也对其再结晶比率和稳态晶粒尺寸的仿照上达到了较高的精度。JMAK模型思考温度、应变率、应变量、初始晶粒尺寸等成分对动态再结晶过程的影响,其方程分为再结晶比率仿照部门和动态晶粒尺寸仿照部门,典型模型别离如方程(12)和(13)所示。

其中, X DRX 为动态再结晶产生的比率; K d 和 β d 为拟合参数; ε c 为产活泼态再结晶所需的临界应变量, ε 0.5 是动态再结晶比率达到 50%的应变量,这两个应变量在处置时也通常以为方程(14)的大局。 d 0 为初始晶粒尺寸; ε为应变速度; ε为应变量; d DRX 为动态再结晶晶粒尺寸;指数 l、 m和 n是通过尝试拟合获得的参数。JMAK模型对动态再结晶过程的仿照精度较高,其存在的重要问题在于其物理诠释较为幽微。

微观模型基于动态再结晶过程的物理意思进行建模,在模型方程的处置上通常将不陆续动态再结晶过程分为加工硬化、回复、动态再结晶形核与长大几部门,再对每一部门提出对应的模型方程,整体求解得出晶粒组织的演化过程。分歧微观模型利用的晶粒组织演化的建模步骤较为靠近,但其求解步骤令存在较大差距。

目前针对铸造过程常用的数值仿照软件重要蕴含Deform、Abaqus、Marc、Ansys等[63-66],其中 Deform软件是专门针对铸造过程仿照设计的数值仿照软件,其四面体网格天生能力、网格沉划分能力均强,尤其合用于对铸造这类大变形量的过程;利用于铸造仿照拥有职能壮大、便捷蹬着点;Abaqus、Marc、Ansys则是职能覆盖面宽泛的有限元软件，作为通用软件其合用性较强，求解算法更为优良，且在调整适当的情况下也可能实现铸造过程的仿照。凭据现实情况，以上的4种仿照软件均可能合用于铸造过程的仿照，通过二次开发，输入资料相应的本构模型和晶粒组织演化模型，即可对径锻过程中的应力应变变动情况和晶粒组织变动情况进行仿照。

有限元法相较于传统的解析步骤可能处置更为复杂的问题,并且可能提供更精确和具体的后处置了局。然而,由于径向铸造涉及大量推算,多路次全过程仿照的效能较低。此表,有限元仿照是一种正向分析步骤,基于已知的工艺参数来评估机能指标,然而径向铸造工艺设计是一个逆向问题,必要在满足评估指标约束的前提下,从未知的参数空间中寻找最优解决规划。综上所述,有限元模型并不能直接利用于径向铸造工艺的设计,必要先利用有限元推算的了局,通过响应曲面步骤、人为神经网络等[67-68]技术构建代理模型,进而将该代理模型作为优化算法的指标函数进行后续的工艺设计优化。

5、总结与瞻望

作为航空发起机中各类高温部件的关键资料,高温合金在国度发展中表演着不成或缺的角色,属于极其沉要的资料。然而,在现实出产中节造高温合金的微观组织极度难题。径向锻做作为一种高效先进的金属成型技术,以其高频脉冲锻打、多向模锻的特点,在改善资料微观组织、提高力学机能和资料利用率方面阐发杰出。本文结合国内表在径向铸造技术领域的发展动态,探求了蕴含径向铸造设备、工艺、组织演变以及锻透性分析等在内的关键主题技术,并分析了径向铸造工艺与传统自由锻工艺相比,加工各类资料和产品的显著优势,并对径向铸造工艺的钻研步骤进行了简要的论述。

1)技术进展与产业利用:径向锻做作为一种先进的金属成形技术,在改善高温合金的微观组织、力学机能和资料利用率方面展示出显著优势。只管该技术在国内已有较大利用,但大部门径向铸造设备仍依赖进口,国内自主研发的力度仍需加强,以满足各领域日益增长的需要。

2)工艺优化面对的挑战:径向铸造过程涉及回复、加工硬化、再结晶和晶粒长大等复杂景象。现有的经验三角形法和解析法重要基于梦想情况,未充分思考现实工况及资料属性。只管有限元分析可能提供较为精确的仿照,但仍需加强基于物理意思的模型钻研,以更好地理解和节造资料在铸造过程中的组织与机能变动。

3)未来发展方向:为确保径向铸造技术的持续进取,学术界与工业界需亲昵合作。应沉点加强理论钻研,推动国内径向铸造设备的研发,并优化工艺参数,以提升高温合金的机能,支持我国造作业的升级。通过不休的技术创新与产业化推动,径向铸造技术将在高机能合金出产、降低出产成本、满足高端造作需要等方面阐扬沉要作用，助力我国造作业的转型升级和国际竞争力提升。

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（注，原文标题：高温合金径向铸造工艺的钻研进展_李澍）