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

某A e r M e t100 钢模锻件外形复杂，组织性能要求高，晶粒度需达到A S T M 8 级以上，这对成形火次、坯料设计、锻造工艺参数提出了很高的要求。针对以上情况，本文建立了该AerMet100 钢锻件锻造过程的三维热力耦合有限元模型，利用刚粘塑性有限元法，对锻造火次对锻件变形量的影响、不同坯料尺寸下锻件的成形情况、变形过程中温度场的场量分布和变化规律进行了研究。

AerMet100 钢是美国Carpenter 技术公司在1992 年开发的一种新型的超高强度钢，其化学成分(wt%) 为Fe-0.23C-11.73Ni-13.85Co-3.13Cr-1.25Mo。该合金具有突出的综合性能：高强度、高断裂韧性、抗疲劳、延展性好。其抗拉强度可达1930MPa 以上，断裂韧性超过了110MPa·m1/2，同时它还具有更加优良的抗应力腐蚀断裂和抗疲劳断裂的能力，是航空航天的理想材料。主要用于高强、高韧的起落架等零部件的制造上。

对于如何发掘AerMet100 钢的力学性能，达到强度和断裂韧性的最佳匹配，国外学者进行了大量研究。最初，AerMet100 钢参数匹配为σb=1965MPa，KIC=115MPa·m1/2。后来，Reghavan 等人通过优化工艺取得了σb>2000MPa，KIC=149.3MPa·m1/2。Lee 仅改进锻造工艺实现了σb=2069MPa，KIC>121MPa·m1/2。KojiSato 通过对钢中夹杂物的改性使钢的性能达到了σb=1946MPa，KIC=182.4MPa·m1/2。

国内对于提升AerMet100 钢综合性能的研究基本都集中在对钢中杂质元素和微量元素的控制上。对于采用数值模拟技术，通过优化锻造工艺参数，借助大压力的锻造设备，获得8 级以上的细晶组织进而提升AerMet100 钢的综合性能，目前还研究较少。根据国内相关AerMet100 钢细晶化锻造工艺指导文件，获得具有优良组织力学性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。本文利用有限元软件对某AerMet100 钢模锻件的锻造过程进行了数值模拟，分别对一火次和两火次模锻成形时坯料应变场的变化过程进行了研究，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情况进行了研究，得到了成形良好且满足模锻变形量要求的坯料，为生产工艺的制定提供了参考。在得到较优化的锻造工艺参数和坯料的基础上，利用400MN 大型模锻液压机，在国内首次成功生产出了晶粒度满足ASTM 8 级要求的大型AerMet100 钢模锻件，实现了AerMet100 钢细晶化锻造技术的工程化，并将其力学性能提升到了新的高度。

有限元模型的建立

本文采用CATIA 软件实现了坯料和模具的几何造型建模。模拟过程对坯料采用四节点四面体单元离散。材料的流变应力为锻造温度、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℃。由于锻件变形为高温大变形的过程，因而坯料的弹性变形可以忽略，采用刚粘塑性材料模型，模具设为刚性体。坯料与模具之间的摩擦采用剪切摩擦模型，锻造过程采用水基石墨进行润滑，摩擦因子取为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/℃。锻造设备为液压机，速度选为10mm/s。图1 为建立的有限元模型。

图1 坯料和模具的几何模型

数值模拟结果与分析

锻造火次对锻件变形量的影响

锻造火次选取1 火（方案1）和2 火（方案2）。方案1 欠压量设定为5mm，方案2 第一火欠压设定为40mm，第二火欠压设定为5mm，两种方案均采用相同的坯料。

图2 为方案2 成形结束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分布图，结合纵截面和横截面的变形量分布图可以看出，锻件大头部位（截面3 位置）的变形量基本在30% 以上且分布比较均匀，这是因为大头部位尺寸大，第二火变形时坯料需和模具贴合，大量的金属需通过流动排出型腔。杆部（截面1 位置）分模面位置变形量也在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已经成形，第二火时此部分已经成为了刚性体，不参与变形。杆部第二火时的变形主要是分模面附近的金属排出型腔，因此此处变形量大。杆部高台处（截面2 位置）基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已经和模具型腔贴合，第二火时为刚性体，基本不参与变形。

图2 方案2纵截面和典型横截面的变形量分布

图3 为方案1 成形结束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分布图，结合纵截面和横截面的变形量分布图可以看出，锻件分模面处变形量最大，基本在60% 以上，垂直分模面方向有较大的应变梯度，杆部（截面1 部位）大部分变形量都在30% 以上，远离分模面的上下表面有较浅的区域，其变形量在20% ～ 30% 之间。杆部高台处（截面2部位）变形量基本在20% ～ 40% 之间。大头部位（截面3 处）变形量在40% 以上。

图3 方案1纵截面和典型横截面的变形量分布

由方案1 和方案2 的对比可以看出，在锻件变形量的分布上，方案1 锻件很大部分变形量不能满足AerMet100 钢细晶化锻件对变形量的要求，因此建议采用方案2，即一火次成形工艺。

最优化坯料

坯料的设计应满足两个方面：⑴锻件各部位成形完整；⑵锻件各部位的变形量尽量达到30% 以上。从相关数值模拟结果分析得出，锻件杆部高台（图2截面2 位置）处较难充满型腔，同时变形量不容易达到要求。影响此部位成形质量和变形量分布的关键因素是此部位坯料的高度尺寸H，如图4 所示。因此，将H 作为最优化坯料设计的关键参数进行数值模拟。

图4 尺寸H 示意图

图5 为H 取不同的值时，锻件杆部高台横截面的变形量分布和成形情况。从图5(a) 可以看出，当H=330mm 时，杆部高台底部有未充满现象，由于此处和模具没有完全贴合，金属没有发生流动，有深度为5mm 左右的小变形区。锻件未充满和变形量不足是因为H 高度小，此处没有足够的金属造成的。从图5(b) 可以看出，当H=350mm 时，高台处锻件与模具完全贴合，成形良好。从变形量分布来看，高台根部中间部位有一定范围变形量在20% ～ 30% 之间，其余区域变形量均在30% 以上，变形量基本满足要求。此部位变形量分布中间小、周围大的特点是因为此处坯料充填时，外形基本为方形的坯料需贴合到圆弧形的模具型腔上，因此坯料表面由于形状的变化要发生较大的变形，而坯料内部金属的变形基本上为表面金属发生变形而带动的整体移动，变形量有限。从图5(c) 可以看出，当H=380mm 时，高台处坯料金属充足，成形良好。从变形量分布来看，高台底部和根部中间都有一定区域变形量在10% 以下，中间有较大范围的变形量在20% ～ 30% 的区域，其余部位变形量在30% 以上。变形量的分布是由于H 尺寸大，坯料一放入型腔底部就接触到了模具型腔并和模具型腔贴合，因此底部无法变形，形成了一定范围的小变形区。周围变形量大的原因也是因为较规则的坯料要贴合到圆弧形的模具型腔上，发生了一定的变形，H 尺寸大，坯料表面很快就贴合到了模具型腔上，因此变形量不大，坯料内部也仅仅是表面金属发生变形而带动的整体移动，变形量很小。

(a)                  (b)                  (c)

图5 H 不同时高台部位变形量分布

从不同H 尺寸对锻件成形性和变形量分布的分析可以得出结论：在数值模拟参数条件下，当H=350mm 时，锻件成形良好，变形量分布基本达到要求，为最佳方案。

一火次成形较多火次成形，锻件表面夹伤等缺陷更难发现和排除，因此还应考虑到锻件各部位不会出现夹伤等成形缺陷，数值模拟发现图4 所示A 部位较容易发生夹伤。图6 为坯料在模拟和实物生产时出现的夹伤情况。在对坯料进行多次优化模拟后得到了不会出现夹伤等缺陷的较优化坯料，其最终成形情况如图7 所示。

图6 坯料成形时出现的夹伤情况

图7 优化坯料成形时无夹伤现象

温度场变化情况

细晶化AerMet100 钢的成形温度不能够大于1050℃，因此对锻造过程中锻件各部位温度变化和温升情况进行研究是很有必要的。

图8 为成形结束后锻件垂直于分模面的最大纵截面和典型横截面的温度分布图，结合纵截面和横截面的温度分布可以看出，锻件内部温度保持在990℃以上，表面有较薄的激冷层，温度降低到了845℃～ 900℃之间，锻件从内到外有较大的温度梯度。为了考察锻件内部的温升情况，在图8 所示的锻件横截面上选取3 个典型点，研究随锻造过程的进行，典型点温度的变化情况。

图8 纵截面和典型横截面的温度分布

图9 为典型点的温度变化曲线，可以看出在锻造初始阶段，锻件心部温度一直保持1040℃无变化，随着锻造过程的进行，锻件心部开始产生较大的变形量，由于塑性变形产生热量，心部温度均先后开始升高，P3 点温升最大，其最大温升为8℃，最高温度没有超过1050℃。当变形量到达一定程度时，塑性变形产生的热量小于由于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始下降。

图9 典型点温度变化曲线

对锻件内部温度场的研究可以得出结论：在给定的工艺参数下，锻件内部温升有限，各部位温度始终在1050℃以下。

AerMet100 钢细晶化大型模锻件研制

使用上述较优化的工艺参数和坯料，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。试制结果表明，锻件成形良好，无折叠、夹伤等缺陷，表面质量好。锻件心部和表面均达到了8 级以上的晶粒度，综合性能全面达标。

表1 为AerMet100 钢起落架模锻件力学性能，可以看出，两批次模锻件均达到了优良的综合性能，尤其在只优化锻造工艺参数的基础上，首次在国内取得了σb>1950MPa，KIC>150MPa·m1/2，具有优良综合性能的细晶化大型AerMet100 钢模锻件。

表1 AerMet100 钢模锻件力学性能

批次	取样 方向	σb/ MPa	σ0.2/ MPa	δ5/%	ψ/%	AKu/J	KIC/ MPa·m1/2
第一批	纵向	1961	1773	12.8	67	70.5	153
横向	1957	1776	11.5	63	70.8
第二批	纵向	1959	1758	12.9	67.8	102.3	150.5
横向	1948	1748	12.4	60.5	82.4
技术条件	纵向	≥1930	≥1620	≥10	≥55	≥35	≥110
横向	≥1930	≥1620	≥8	≥45	≥30	——

结论

⑴针对实际生产问题，建立了某AerMet100 钢锻件锻造过程的三维热力耦合有限元模型，利用有限元软件对锻件的锻造过程进行了数值模拟，模拟计算结果与实际相符。

⑵模拟结果表明：一火次模锻成形时，锻件变形量分布较均匀，基本能够满足30% 的变形量要求；两火次成形时，锻件表面有相当大的区域变形量在20% 以下。因此，建议模锻采用一火次成形工艺。

⑶采用模拟优化得到的坯料，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、温度场和应变场基本满足要求的锻件。

⑷采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。试制结果表明，锻件成形良好，无表面缺陷，锻件心部和表面均达到了8 级以上的晶粒度。在优化锻造工艺参数的基础上，首次在国内取得了σb>1950MPa，KIC>150MPa·m1/2，具有优良综合性能的细晶化大型AerMet100 钢模锻件，模拟结果能够有效指导实际生产。

来源：锻造与冲压