Inconel 625粉末盘热等静压近净成形过程模拟与验证

Inconel 625粉末盘热等静压近净成形过程模拟与验证陆恒;魏青松;薛鹏举;王基维;史玉升【摘要】To once-forming Ni-based superalloys turbine disc,a NNS-HIP method was used. A shape follow-up and a longitudinal symmetry mold schemes were designed.A modified Shima's model was used to simulate the NNS-HIP process of inconel625 powder disk,and an optimal scheme was selected for the test.Simulation results show that the thin canning has large deformation and drives powder densification.The internal core has almost no deformation,and controls the complex internal shape of powder disk;The powder expands first and then compacts in a multi-stage mode. Experimental results show that the size simulation error is less than 3•5 7%,mainly caused by manu-facturing and measurement errors.The simulation values in low density areas is smaller than actual values,because the simulation process ignores some microscopic behaviors such as movement and re-arrangement of powder particles.The tensile strength of Inconel625 compacts is bigger than ASTM forging standard,and good plasticity can be received after solution treatment.The simulation can guide the mold's structure design of NNS-HIP.%为一次性成形复杂结构的镍基高温合金涡轮盘零件，采用热等静压近净成形(NNS-HIP)方法，设计了随形和上下对称两种模具方案。

基于连续介质塑性理论，用有限元程序 MSC.Marc 实现了Inconel625粉末盘NNS-HIP过程的数值模拟，选取了较优方案进行试验。

模拟结果显示：薄壁软钢包套受压变形大，驱动粉末致密化，内部型芯基本不变形，达到了粉末盘内部复杂流道控形的目的；粉末体先膨胀后分段致密化，呈现非定向复杂流动规律。

试验结果表明：数值模拟预测的尺寸误差在3•57%以内，主要由加工和测量误差引起；低密度区的模拟密度值较实际结果低，主要是模拟忽略了粉末颗粒的移动和重排等微观行为所致；Inconel625压坯的拉伸强度高于 ASTM同质锻件标准，固溶处理后可以获得良好的塑性。

研究结果说明，通过数值模拟可以为NNS-HIP 模具的结构设计提供参考。

【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2013(000)019【总页数】7页(P2675-2680,2686)【关键词】热等静压;近净成形;镍基高温合金;粉末盘;有限元法【作者】陆恒;魏青松;薛鹏举;王基维;史玉升【作者单位】华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉，430074;华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉，430074;华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉，430074;华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉，430074;华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉，430074【正文语种】中文【中图分类】TF1240 引言涡轮盘（turbine disk）是航空发动机、火箭发动机、燃气轮机的核心热端部件，其结构复杂，工作条件恶劣，要求材料具有优良的力学性能、理化性能和热工艺性能。

镍基高温合金因其具有良好的断裂韧性、抗疲劳性能、抗热腐蚀性能和良好的高温强度，成为上述高温热端部件不可替代的成形材料［1－2］。

然而，镍基高温合金复杂的合金化导致在铸、锻过程中成分偏析严重、力学性能分散、热工艺性能恶化。

如果采用机械加工方法，不但制造困难而且会浪费掉大量的贵重材料，复杂结构甚至无法制造。

利用粉末冶金方法可整体成形复杂涡轮盘，而且具有良好的综合机械性能［3－4］。

热等静压近净成形技术（near－net－shaping hot isostatic pressing，NNS－HIP）结合粉末冶金与模具工艺，利用高温高压复合载荷，在模具控形作用下，将粉末致密化为复杂结构的高性能零件［5－6］。

该方法的材料利用率超过90%，特别适用于钛基、镍基高温合金等难加工贵重材料。

国外对HIP工艺制造高温粉末盘有较为广泛的研究，其中俄罗斯采用该工艺生产的粉末高温合金涡轮盘已超过25 000个，涡轮盘的工作时间达10 000h［7］。

在HIP近净成形过程中，粉末初始密度较低，压坯体积收缩超过30%，并伴随有不规则变形，给HIP模具设计及工艺制定增加了难度。

传统的试错法（trial and error）将显著增加制造成本和交货时间［8］，采用模拟式设计（design based on simulation）可以对粉末致密化过程及模具变形提供科学预测，达到确定HIP工艺和验证模具结构的目的。

但是，HIP过程中粉末的力学行为非常复杂，包括粉末流动、热量传输、压力传递和边界摩擦等情况，致密化和变形过程涵盖了材料非线性、几何非线性和接触非线性等复杂问题［9－11］，目前尚没有统一的HIP数值模型。

因国内鲜有研究涉及NNS－HIP的数值模拟和工艺流程，HIP技术在国内依然主要被用于处理铸件和成形高温合金原材料。

为了探索NNS－HIP直接成形零件的工艺，以数值模拟为基础的模拟式设计方法尤为重要。

本文以Inconel625镍基高温合金粉末为成形材料，探讨了NNS－HIP过程的有限元模型，并用模拟式设计方法模拟了多种模具控形方案下，HIP近净成形复杂涡轮盘中的模具变形和粉末致密化规律，利用最优方案试验成形出涡轮盘零件，并以此验证了模拟预测的准确性，获得了合适的NNS－HIP工艺。

1 材料本构关系粉末材料为气雾化Inconel625合金（Hoganas，Belgium），理论密度为8.44g ／cm3，熔点为1290～1350℃。

粉末颗粒呈规则球形（图1），流动性好，经测定流率为12.2s／50g。

激光粒径分析获得粉末粒度分布如表1所示，平均粒度小于45μm。

经过EDAX能谱仪分析仪测得粉末化学成分如表2所示。

图1 Inconel625粉末颗粒SEM形貌表1 Inconel625粉末粒径分布粒径（μm）－20 ＋20 ＋36 ＋45分布百分比（%） 15.6 59.04 20.64 4.72表2 Inconel625合金粉末的化学成分（质量分数，%）C Mo Cr Fe Si Nb Al TiN O Mn Inconel 0.01 8.8 21.5 0.96 0.41 3.71 0.02 0.03 0.12 0.08 0.47 BalHIP过程中粉末颗粒间存在孔隙，粉末在塑性变形的同时也发生体积收缩。

随着HIP的推进，粉末颗粒发生塑性屈服并在接触面处固结，其力学性质与烧结体材料的力学性质相近，可视为可压缩连续介质。

文献［12－13］基于连续介质塑性理论提出粉末烧结材料屈服准则，通式表达如下：式中，F为屈服函数；I1为应力张量第一不变量；J2为应力偏张量第二不变量；A、B和δ均为与基体材料相对密度D有关的参数；Y0、Y分别为基体材料在D＝1和D＜1时的屈服应力，与温度相关。

Shima等［14］对不同致密度的铜粉烧结体进行实验，得出了一个基于连续介质塑性理论，适用于一般金属多孔材料的屈服准则，表达式如下：式中，γ为粉体名义流动应力与基体实际流动应力的比值，是相对密度的函数为等效屈服强度；σ1、σ2、σ3 为主应力；p为静水压力；β为静水压力对粉末体屈服面的影响程度，是相对密度的函数。

该屈服准则经过Abouaf修正，成功应用于316L不锈钢的HIP模拟［15］，修正后的形式如下：式中，σy为单轴屈服应力，与温度和相对密度有关；σd为偏应力。

函数F中对主应力σ1、σ2、σ3分别求偏导后可以得到主应变增量dε1、dε2、dε3：塑性应变增量可表示为单位体积粉末体的塑性功增量可表示为将式（4）代入式（6），并重新排列，得到消去式（4）、式（5）中的静水压力p并重新排列，将σ1、σ2、σ3 用dε1、dε2、dε3 和dεv 表示，代入式（6），联立屈服准则（式（2）），得到应力应变关系如下：该本构方程中所需确立主要参数为β和γ，假设：随着粉末的致密化，D将趋近于1，此时材料满足Von Mises屈服准则；相关参数a1～a4和b1～b4可通过对不同致密度的粉末压坯实施单轴压缩，所得数据用最小二乘法拟合得到。

Inconel625粉末的β和γ分别为HIP过程中，随着温度的上升，粉末的材料参数发生变化。

Inconel625粉末的杨氏模量E、泊松比μ、热导率κ、质量热容c、热膨胀系数α等参数通过相关资料获得［16］，如下所示：模具中，包套材料选用较软的45钢，预期大变形驱动粉末致密，型芯材料选用304不锈钢，预期不变形或小变形，控制流道形状。

两种材料在HIP中的力学行为通过弹塑性材料模型和von Mises屈服准则描述，相关材料参数在有限元程序MSC.Marc中预先加载。

2 HIP过程模拟与试验2.1 涡轮盘零件与模具设计研究的涡轮盘零件如图2a所示，其主要尺寸在图2b中标出。

利用HIP近净成形该零件时，首要目标是保证无后续加工的内部流道精度及性能，外部结构可预留一定的加工余量，仅需少量机加工即可。

为此，本研究设计了两套模具控形方案：方案一（图2c）为随形模具，以涡轮盘零件的外形作为模具设计的标准，型芯由底部厚包套固定，目标是节约粉末材料。

方案二（图2d）为上下对称模具方案，型芯由上下包套固定，目标是使粉末上下均匀受压，获得好的致密度，所需材料较多。