镍基合金管材热挤压变形机理研究及其变形过程多场耦合模拟-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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镍基合金管材热挤压变形机理研究及其变形过程多场耦合模拟

项目名称：镍基合金管材热挤压变形机理研究及其变形过程多场耦合模拟
项目类别：联合基金项目
批准号：50834008
申请代码：E041604
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2009-01-01-2012-12-31

项目负责人：李德富
负责人职称：教授
依托单位：北京有色金属研究总院
批准年度：2008

中文摘要：

以镍基高温合金GH625、GH690等为研究对象，探索合金高温热变形行为与规律，对管材热挤压变形机理进行系统研究，开发其管材的短流程批量制坯技术。主要包括材料在高温挤压、拉伸、压缩时的变形力、变形速度、变形量与变形温度之间的关系，挤压过程温度场、应力场、再结晶组织和第二强化相分布与作用的计算机模拟，塑性变形热的计算及其对挤压工艺与材料性能的影响，模具结构与挤压力的计算、管材热挤专用玻璃润滑剂的研制与使用方法、工艺缺陷形成规律、条件和预测方法等，以开发出GH625等合金管材挤压的可行工艺参数及与之配套的模具、润滑技术，并通过高温变形本构方程的建立，对管材高温挤压过程中所形成的应力场、温度场以及组织演变进行多场耦合数值模拟，建立管材热挤压工艺参数的优化理论。本项目研究成果将对于进一步推动镍基高温合金管材制备技术的开发、扩大其应用范围、实现低成本量产有重要意义，有助于促进我国重大工程项目的进展。

中文主题词：镍基合金管材；热挤压；高温变形行为；本构方程；数值模拟

英文摘要：

Nickel-based superalloy tubes；Hot extrusion；Hot deformation behavior；Constitutive equation；Coupled field simulation

英文主题词： Nickel-based superalloy tubes；Hot extrusion；Hot deformation behavior；Constitutive equation；Coupled field simulation

结论摘要：

镍基合金管材作为能源转化装置关键部件广泛应用于航空、航天、舰船、核能工程等领域。本项目以典型核电用镍基高温合金GH625、GH690为研究对象，以优质合金管材高效批量制坯技术为目标，系统研究合金的热变形行为，尤其是热挤压过程中的变形与组织演变。通过建立准确的本构模型与组织演变模型，进行管材热挤压过程的热-力-组织三场耦合模拟，优化热挤压成形工艺与参数、模具结构和润滑条件，并结合工艺试验验证相关理论模型的准确性。主要内容包括明确GH625和GH690合金高温变形过程中的力学行为和组织演变机制，并建立基于三向应力状态的本构模型、基于动态材料模型的热加工图和基于动态再结晶热力学和动力学的组织演化；其次对GH625和GH690合金热挤压专用润滑剂及其特性进行了研究，并进行高温挤压模具的设计；进而进行管材挤压过程的热-力-组织三场耦合模拟，研究工艺参数对管材微观组织的影响规律；探索管材热挤压工艺缺陷形成规律与解决方法；形成了基于组织控制的镍基高温合金管材热挤压工艺及与之配套的模具、润滑技术。本项目研究获得了以下主要成果 (1)建立了适用于热挤压过程的本构方程和微观组织演变模型，实现了管材热挤压过程的热-力-组织三场耦合模拟分析，分析了挤压温度场、应变场、速度场、组织场及挤压力的变化规律，为热挤压工艺参数的确定和优化提供了理论指导； (2)GH625和GH690合金在高应变速率下变形热效应显著，动态再结晶晶粒有明显长大趋势；随变形程度增加，动态再结晶体积分数增大，但是再结晶晶粒尺寸无明显变化；主要动态再结晶机制是伴随着孪生的原始晶界弓弯形核的不连续动态再结晶机制，在原始晶界附近通过亚晶旋转的连续动态再结晶机制及复合孪生起辅助作用； (3)明确了挤压管材表面缺陷产生的规律和原因，优化设计了挤压模具结构，成功开发了专用的玻璃润滑剂及使用方法； (4)根据挤压工艺与变形组织的相关性研究，在组织均匀性调控方面取得突破，确定了碳化物及第二相在控制晶粒均匀性方面的作用；结合热变形中再结晶控制机制的变化，提出了组织均匀性调控的工艺措施，实现了良好组织状态镍基高温合金热挤压管坯的成功制备。本项目研究成果对于推动镍基高温合金管材制备技术的开发、实现优质低成本量产、提升我国关键部件的质量和研发能力，进一步扩大先进材料的应用范围有重要意义，有助于促进我国重大工程项目的进展。

成果综合统计