【摘 要】
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镍基高温合金因其具有较好的高温强度及抗氧化腐蚀性能,被用作航空、航天发动机及燃气轮机热端部件的关键材料,镍基高温合金锥筒形构件是航空发动机及燃气轮机燃烧室中广泛使用的一类基础零部件。剪切旋压与拉深旋压分别是成形锥形件及筒形件的最有效方式,采用剪切-拉深复合旋压成形是制备镍基高温合金锥筒形件最有效的精确塑性成形方法之一。可旋性是判断材料是否能顺利旋压成形的理论依据,由于镍基高温合金显著的加工硬化效应
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金项目“复杂应变路径下难变形金属材料室温可旋性研究”(51705159); 广东省自然科学基金项目“镍基合金复杂构件旋压成形与控性基础研究”(2019A1515012132)
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镍基高温合金因其具有较好的高温强度及抗氧化腐蚀性能,被用作航空、航天发动机及燃气轮机热端部件的关键材料,镍基高温合金锥筒形构件是航空发动机及燃气轮机燃烧室中广泛使用的一类基础零部件。剪切旋压与拉深旋压分别是成形锥形件及筒形件的最有效方式,采用剪切-拉深复合旋压成形是制备镍基高温合金锥筒形件最有效的精确塑性成形方法之一。可旋性是判断材料是否能顺利旋压成形的理论依据,由于镍基高温合金显著的加工硬化效应以及复合旋压成形时不同工序间塑性变形的遗传性,将直接影响成形时起皱、破裂等缺陷的产生,从而使其可旋性的定量表征较为困难。目前还未见有复合旋压可旋性相关研究的报道。因此,研究剪切-拉深复合旋压时的可旋性是控制成形缺陷、实现此类复杂构件精确旋压成形的理论基础和关键科学问题。本文以镍基高温合金Haynes230锥筒形件为研究对象,针对零件结构特征及材料特性,确定了采用剪切-拉深复合旋压方法成形镍基高温合金锥筒形件,拟定了复合旋压成形可旋性研究方案。根据剪切旋压及拉深旋压工艺特点,合理选取了各成形参数的取值范围,并设计了相应的复合旋压工装模具,为后续开展可旋性相关研究奠定基础。根据拟定的复合旋压成形方法,利用ABAQUS软件建立了锥筒形件剪切-拉深复合旋压全流程有限元模型,分析了应力应变、壁厚及韧性损伤的分布和变化规律。结果表明:在锥筒形件剪切旋压成形过程中,等效应变与韧性损伤分布一致,在圆角处达到最大值。在单道次拉深旋压成形过程中,等效应变及韧性损伤最大值出现在旋压件口部与圆角处。三向应变在圆周方向分布均匀,而在母线方向有明显的差别。圆角处与筒形段主要承受厚向拉应力和母线方向压应力且圆角处应变更大;口部主要承受切向压应力。相较于60°,半锥角为45°时应力应变及韧性损伤更大。锥形段及筒形段圆角处壁厚减薄较严重而口部逐渐增加。根据剪切及拉深旋压时材料的变形特征,以复合旋压成形的变形程度作为其可旋性的评价指标,提出了可旋性的表征方法。通过有限元模拟与旋压试验相结合的方法分析了不同半锥角锥筒形件复合旋压成形情况,构建了可旋性表征曲线及成形极限图。结果表明:采用剪切旋压时的半锥角为横坐标、拉深旋压时的极限旋压系数为纵坐标所构建的锥筒形件剪切-拉深复合旋压成形可旋性表征曲线可实现对复合旋压可旋性的定量表征,而成形极限图可有效确定复合旋压安全区的应变状态。镍基高温合金Haynes230极限半锥角为30°;半锥角为45°、60°及90°时锥筒形件剪切-拉深复合旋压成形的极限拉深系数分别位于区间(0.734,0.741)、(0.702,0.708)及(0.625,0.645)之间。剪切旋压时的半锥角越小,复合旋压时越容易产生起皱及破裂缺陷,可旋性随之降低。基于有限元模拟与成形试验相结合的方法,研究了不同成形参数对剪切-拉深复合旋压成形可旋性的影响规律。结果表明,毛坯厚度减小时,旋压件抗起皱及破裂缺陷能力降低,可旋性随之变差;相较于标准圆弧旋轮,采用复合型面旋轮可在一定程度上改善复合旋压的可旋性。随着旋轮进给比的增大,韧性损伤存在一定程度的减小,但过大的进给比将导致旋压件口部出现起皱缺陷。
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