摘 要

GH4169高温合金是一种镍基时效沉淀强化高温合金，因其出色的加工综合性能，在航空航天、化学化工、石油等领域被广发应用。特别随着合金性能的开发，在航空航天的运用日益增加，这也对合金的成形工艺提出了新的要求，特别因为该合金变形抗力较大、流动性差、加工范围窄，易出现组织不均匀等加工难度，对成形工艺有很高的要求。

所以本文针对GH4169高温合金的材料特性、环件的形状尺寸特点展开研究。作者先通过问题分析、文献查阅，确定成形工艺的加工路线：计算选材－下料－多向锻造－冲孔－去连皮－扩孔－模锻定型。并通过相应的理论计算估算出成型过程中的工件、模具尺寸、力能，选择锻造设备为1万吨的压力机。

随后根据所估算的数据，运用DEFORM软件对成形过程进行二维、三维的数值模拟，了解各参数对成形工艺的影响，并对比各个加工参数下的力能、锻件成形效果，求解出加工工艺中最优化的加工参数，以追求锻件高的力学性能、尺寸精度及方案的整体经济效益，最后得到以下结论：

1. 多向锻造－冲孔－去连皮－扩孔－模锻定型的加工流程可以生产出尺寸精度较高、性能优异的环件。
2. 在GH4169高温合金的锻造加工中，理想的温度在940-1040℃间，进给速率在1-4mm/s间，摩擦系数在0.2-0.5间。根据锻造的接触面积可以进行相应的调整。
3. 不同工艺锻造比不一样，镦粗锻造比在3左右为宜，拔长和扩孔锻造比在1.3左右为宜，而模锻根据尺寸大小视直径差而采取不同的工艺，尺寸变化大的采用预锻 终锻工艺。

关键词：GH4169高温合金；锻造；冲孔；扩孔；模锻；DEFORM模拟

Abstract

GH4169 superalloy is a nickel-based aging precipitation strengthening superalloy. Because of its excellent comprehensive performance, it is widely used in aerospace, chemical industry, petroleum and other fields. With the development of alloy performance, the use of aerospace is increasing. This also puts new requirements on the forming process of the alloy, especially because the alloy has some processing difficulty , such as large deformation resistance, poor fluidity, a narrow processing range, and uneven tissue. It has a high requirements on the forming process.

Therefore, the material characteristics of the GH4169 superalloy and characteristics of the rings are studied in this paper. First the author determined the processing route of the forming process through problem analysis and literature review. The route of forming as follows: Computational material selection - blanking - multiple directions forging - punching - removal skin - reaming - die forging. And author estimated the size of the workpiece,mold and power through the corresponding theoretical calculations.Select 10,000 tons press as forging equipment.

Then based on the estimated data, author sued the DEFORM software to perform the two-dimensional and three-dimensional numerical simulations of the forming process. To pursue the heights mechanical properties of workpiece and dimensional accuracy and economic benefits of the program,the force energy and forging forming effects under various processing parameters were compared.Author also select the most optimized processing parameters in the machining process.

After obtaining the entire parameters, the whole 3D simulation process is simulated in the DEFORM software, and the following conclusions are obtained:

1, Multiple directions forging - punching - removal skin - reaming - die forging the processing process can produce a higher dimensional accuracy of the ring.

2, In the GH4169 superalloy forging processing, the ideal temperature between 940 ~ 1040 °C, the feed rate between 1 ~ 4mm / s, the friction coefficient between 0.2 ~ 0.5. According to the forging contact area can be adjusted accordingly.

3，The forging ratio of various process are different.The forging ratio of upsetting forge is about 3.The forging ratio of swaging and broaching is about 1.3.Die forge adopts different process according to the size of diameter.Pre-forging and finish forging well be adopted if the size of change is too much.

Key words:GH4169 alloy; Forging; Punching; Reaming; Die Forging; DEFORM Simulation

目 录

学位论文原创性声明 I

摘要 II

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2ＧＨ４１６９高温合金在航空航天的应用 2

1.3ＧＨ４１６９高温合金的国内外研究现状 2

1.4环轧 3

1.5研究的基本内容、目标、技术方案 4

1.5.1研究的基本内容、目标 4

1.5.2技术方案 4

第2章 成形工艺选择及理论参数计算.........................................................................................6

2.1工艺分析与选择 6

2.2理论参数计算 7

2.2.1毛坯用料计算 7

2.2.2毛坯下料方式选择 10

2.2.3毛坯的加热方法与加热规范 10

2.2.4多向锻造理论计算 11

2.2.5冲孔工艺理论计算 12

2.2.6扩孔理论计算 13

2.2.7模锻理论计算 14

2.2.8压力机的选择..................................................................................................... ..14

第3章 成形工艺的模拟研究 15

3.1材料本构方程的导入 15

3.2多向锻造工艺的模拟研究 17

3.2.1镦粗工艺 17

3.2.2拔长工艺 23

3.3冲孔工艺的模拟研究 25

3.4扩孔工艺的模拟研究 27

3.5模锻工艺的模拟研究 29

第4章 工艺方案的优化................................................................................................................30

4.1多向锻造工艺优化 30

4.1.1墩粗优化 30

3.1.2拔长优化 32

4.2冲孔工艺优化 33

4.3扩孔工艺优化 35

4.4模锻工艺优化 36

4.5优化后的产品质量分析 37

第5章 总结...................................................................................................................................39

致 谢 39

参考文献 39

第1章 绪论

1.1引言

GH4169高温合金是一种可以在温度高达600℃以上并在一定范围内的压力下可以长期工作的超级金属材料，其性能在高温合金中排名第一，具有很高的高温强度、耐腐蚀性能力及优秀的抗氧化性能。

同时，GH4169高温合金是一种时效强化型的镍基合金，它的主要强化相为γ″和γ′，其中γ″是一种体心四方结构的晶粒，在合金的强化中起主要作用，而γ′是一种面心立方结构的晶粒，在合金的强化效果中起辅助作用。因为这两个强化相的存在，GH4169合金具有很高的疲劳抗性、断裂抗性，在两百五十到七百的温度范围内具有很好的综合性能。它的主要成分及含量如下：

表1.1：GH4169合金的元素含量

表1.2：GH4169合金的 晶体结构及成分

因其优异的各项性能，GH4169高温合金广泛用于航空航天、核能、石油工业中，特别是航空航天发动机上的应用逐步增加。

随着GH4169合金性能的研究与开发及航空发动机性能要求日益提高，对GH4169合金的成形工艺的新要求也陆续被提出，需要通过新的技术革新来满足不同零件的尺寸及使用要求，来制定各种合理的工艺方案。而这几年中，因为计算机硬件及软件不断地发展，让数值模拟技术得到了很大的提高，有限元法、有限差分法、边界单元法、无网格方法得到了越来越广泛的应用，让塑性成形问题的分析得到了很大的飞跃。特别的，分析各类金属塑性成形问题最有力的工具之一是有限元法，所以GH4169合金在环轧或锻造等成形过程中的金属流动方向、力的大小、各个区域的应变及温度的分布规律都可以根据这种方法进行分析，以此估算预测GH4169合金在成形过程中的性能、缺陷，优化工艺参数，提供有科学依据和预见性的有效加工方案，推动着GH4169合金材料的发展应用。

1.2ＧＨ４１６９高温合金在航空航天的应用

航空航天工业的发展在很大的一定程度上依赖于新材料的研究和开发，同时航天航空工业对材料的巨大需求也推动着材料科学的发展。随着工业2025计划的提出，国家对航天航空企业的不断重视，特别是对航天航空发动机研发的不断重视，要求发动机性能不断的提高，对发动机零部件的要求也越来越高，这对材料性能的研发及成形技术提出了更高的要求。

而GH4169高温合金因其优异的性能、资源丰厚的特点，满足航空航天发动机的性能要求，满足发动机各类不同应用零件的要求，已经成为航天航天的关键材料，在现代航空发动机制造工业中占着举足轻重的地位，应用比率逐步增加至发动机总零件数的50%-60%，多达上千种零部件是由GH4169高温合金制造。因此，加强对GH4169高温合金生产及成形工艺的研究有利于促进国内航空航天事业的发展。

1.3ＧＨ４１６９高温合金的国内外研究现状

GH4169高温合金，在国外成为Inconel718，美国通用电气公司最早开始对它进行应用研究，而近几十年以来，其他各国的公司、工作者也陆续对GH4169合金开展研究，投入大量的财力、物力及人力。从二十世纪90年代到二十一世纪初，美利坚共和国TMS协会举行了六次关于GH4169合金的国际研讨会，与世界各国学者对GH4169合金的性能及使用进行了多方面探讨，这侧面揭示了各个等发达国家对GH4169高温合金的研究程度，在合金的强度性能、冷热加工能力、焊接性能、制备性能等方面有较深的理解，再加上冶金和锻造等生产设备与生产条件的优势，国外发达国家在GH4169高温合金的生产制造方面有一定程度的领先。

我国在1960年左右开始对Inconel718合金的研究，并将它命名为GH4169，开始将GH4169合金应用于航空领域，全国各个地区各个机构的专家、学者对其进行了一系列的研究。直到1990年以后，随着国民经济、我国国防力量的飞速发展，对飞机的各方面的性能有了更高的研究，特别对飞机发动机的性能开发及设计，这在很大程度上推动了我国对GH4169合金的研发，各机构陆续组织专题组，开始攻关工作，对材料进行了系统深入的研究。

在合金的生产方面，开发出了真空感应加真空电弧重熔加真空自耗的三联工艺，对材料的元素偏析有了一定比例上的消除，提高了产品的生产质量，对该合金所成形出的零件的使用寿命及性能有一定程度的提高。在合金的成形工艺方面，开展不同方向上的研究，获得了三种不同的热处理方法，也探讨了不同的成形形式及成形参数对合金的影响，让合金的成形工艺不断明了，使合金的使用范围不断增加，成形零件类型也不断扩大。

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