GH4169合金涡轮盘锻件淬火残余应力形成机制与有限元实验验证

《Materials》：Finite Element Modeling of Quenching Residual Stress in GH4169 Alloy Turbine Disk Forgings

　　

研究人员建立了有限元模型（finite element model, FEM），以研究GH4169合金涡轮盘锻件淬火残余应力（quenching residual stress）的形成机制与演化行为，并通过X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）和孔钻法（hole-drilling method）测量对模型进行验证。结果表明，淬火残余应力的演化可分为三个阶段，应力分布与温度梯度和塑性变形密切相关。淬火过程中，应力状态逐渐由“内压外拉”转变为“内拉外压”。淬火后，残余应力场表现为表面压应力和内部拉应力，最大压应力和最大拉应力分别约为?794 MPa和+720 MPa。等效应力（equivalent stress）和等效塑性应变（equivalent plastic strain, EPS）均在表面和心部区域呈高值、在过渡区呈低值，其最大值出现在盘表面，分别为733.4 MPa和6.018%。进一步分析表明，塑性应变的时空演化强烈依赖温度梯度。温度梯度诱导的不协调塑性变形是淬火残余应力形成的主导机制，而塑性应变的积累直接决定残余应力的大小和分布。模拟与实测残余应力的相对偏差约为15%，处于工程模拟可接受范围内，证实了所建立模型的可靠性和工程适用性。

研究背景方面，GH4169合金涡轮盘在固溶处理后进行淬火是决定最终力学性能和微观组织状态的关键工序，其主要目的是通过水淬等快速冷却抑制有害相析出，并为后续时效处理中强化相析出提供有利基体条件。然而，涡轮盘尺寸大、几何形状复杂，淬火过程中不同区域冷却速率差异显著，形成明显温度梯度；热收缩不协调进一步产生热应力和塑性变形，最终在盘内引入较高残余应力。淬火残余应力会贯穿制造、机加工和服役全过程：后续机加工中残余应力再分布与释放可引起盘体变形，降低加工精度并增加制造成本；服役时残余应力与外部载荷耦合会恶化整体力学性能并缩短寿命。因此，准确量化GH4169合金涡轮盘淬火残余应力的形成与分布、阐明其演化行为和形成机制、通过工艺优化实现有效控制，对提高加工精度、延长服役寿命和保障航空发动机安全可靠运行具有理论意义和工程价值。现有实验方法如孔钻法、轮廓法、X射线衍射和中子衍射可直接提供残余应力数据，但成本高、效率低、适用性有限，难以实现涡轮盘内部三维残余应力全场表征，更难捕捉淬火过程演化。数值模拟因高效、低成本、可重复和可全场可视化而成为重要工具，但已有GH4169相关模拟仍存在材料热物性温度依赖考虑不足、传热边界简化、涡轮盘残余应力分布特征与形成机制系统研究不足等问题；传统唯象本构如Johnson–Cook模型难以准确再现GH4169在宽温域和应变率范围内的复杂流动行为，数据驱动神经网络本构集成到涡轮盘淬火有限元框架的研究仍少。为此，研究人员建立淬火有限元模型，系统分析淬火残余应力形成机制、演化行为和分布特征，并与实验数据比较以验证模型精度和可靠性；结果表明演化呈三阶段，最终为表面压、内部拉，最大压/拉约?794/+720 MPa，等效应力和等效塑性应变在表面与心部高、过渡区低，最大值为733.4 MPa和6.018%，温度梯度诱导不协调塑性变形是主导机制，塑性应变积累决定残余应力大小与分布，模拟与实测相对偏差约15%，处于工程可接受范围，为淬火工艺优化、残余应力控制和涡轮盘性能提升提供理论支持与技术指导。

关键技术方法（不超过250字）：样本为经三重熔炼、均匀化、开坯、快锻、模锻并于980 °C/1 h固溶后水淬的GH4169合金涡轮盘锻件。关键技术包括：一端淬火实验结合反传热法确定GH4169与水换热系数；测定密度、热膨胀系数、比热容和热导率；在20–1000 °C、0.01/0.001/0.0001 s^?1获取应力–应变数据，训练以温度、应变率和等效塑性应变为输入、流变应力为输出的3-15-7-1 BP神经网络（back propagation neural network, BPNN）本构，并经用户材料子程序（user material subroutine, UMAT）接入ABAQUS；采用顺序热力耦合（sequentially coupled thermo-mechanical analysis）与四分之一盘C3D8网格；以X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）和孔钻法测量9点径向表面/近表面残余应力（间距10 mm；孔钻测8点）验证。

研究结果如下。3.1 GH4169合金材料参数：通过热物性测量和不同深度冷却曲线的一端淬火模拟比较，模拟与实验冷却曲线吻合良好，不同深度平均绝对百分比误差分别为0.64%、0.60%、0.99%和2.48%，均低于3%，表明反传热法确定的换热系数可靠，可用于后续淬火温度场和应力场模拟。3.2 BP神经网络本构模型预测的应力–应变曲线：训练后预测曲线与实验数据点吻合，变化趋势一致，无明显系统偏差；根均方误差（root mean square error, RMSE）为7.270 MPa，平均绝对百分比误差（mean absolute percentage error, MAPE）为1.19%，表明所建BP神经网络本构可较准确描述GH4169合金应力–应变响应。3.3 淬火温度场模拟结果：通过不同时刻温度分布和六个参考点温度历史分析发现，盘外表面、内孔表面及角区降温最快，内部冷却较慢；约淬火20 s时表面层与内部最大温差达760 °C，形成淬火残余应力产生与演化的关键驱动力。高温下材料屈服强度低，非均匀热收缩可部分通过塑性流变缓解；温度降低后屈服强度升高，后续热变形受已发生塑性变形区域约束，冷却至室温后形成自平衡淬火残余应力场。3.4 淬火后残余应力场模拟结果：周向残余应力为内部拉、表面压，由表面向内部逐渐由压转拉；径向残余应力分布类似，内部拉、上下表面附近压，但近侧面区域幅值显著降低；轴向残余应力整体较低，以低水平拉应力为主，近侧面出现压应力。沿径向中心线，周向呈典型“内拉外压”，压应力峰值在表面，内部拉应力较高且较稳定；径向以拉应力为主，峰值主要在内部，内孔表面附近略转压，外表面附近逐渐趋零；轴向内部以拉为主，近两侧面出现局部峰值并快速转为压，内孔表面压应力峰值明显高于外表面。上述非均匀分布与淬火过程中表面和内部温度梯度密切相关。4.1 淬火过程中残余应力演化：周向残余应力随时间由初期“内压外拉”逐渐转为后期“内拉外压”；初期表面快速冷却收缩受较热内部约束而产生拉应力，内部受压，随内部冷却收缩，内部压应力减小，后期表面屈服强度升高、塑性变形困难，内部继续收缩产生的拉应力占主导，表面转为压应力。等效应力和等效塑性应变在表面与心部高、过渡区低，形成低应力低应变缓冲区；最大等效应力733.4 MPa、最大等效塑性应变6.018%均位于盘表面。其机理是表面快冷严重收缩受心部约束、心部后冷收缩受已冷表面约束，过渡区冷却速率居中且温度梯度较温和，热变形较协调、塑性积累较少。六个参考点等效应力呈快速升至峰值、急降至最低、再升高后稳定的三阶段；边界交点处波动最明显，内部点冷却最慢、响应延迟且其他点稳定后仍有波动；等效塑性应变呈快速增加、缓慢积累和饱和趋势，平台对应应力状态转变，边界交点塑性变形更早且最大，内部点最晚且最低。4.2 淬火后残余应力模拟结果的实验验证：X射线衍射和孔钻法测量与模拟结果比较显示，表面X、Y方向相对偏差分别为10.59%和15.49%，近表面孔钻法相对偏差分别为14.03%和14.24%，均处于工程数值模拟可接受范围；测量与模拟在应力状态上均表现为表面及近表面压应力。偏差主要来源包括淬火液流动状态在有限元边界条件中的简化、模型未纳入少量高温蠕变和微小相变效应，以及X射线衍射和孔钻测量过程的不确定度；总体相对偏差约15%，满足工程模拟要求。讨论部分总结表明，淬火残余应力演化受温度梯度与非均匀塑性变形耦合控制，表面和心部因冷却速率差异及相互约束形成高应力高塑性应变区，过渡区因变形较协调形成缓冲区；实验验证支持模型的工程适用性。

研究结论翻译如下：研究人员对GH4169合金涡轮盘锻件淬火残余应力的形成机制与演化行为进行了有限元建模，并通过X射线衍射和孔钻法测量验证了模型。结果表明，淬火残余应力演化可分为三个阶段，应力分布与温度梯度和塑性变形高度耦合。淬火过程中，应力状态逐渐由“内压外拉”转变为“内拉外压”，最终残余应力场表现为表面压应力和内部拉应力，最大压应力和最大拉应力分别约为?794 MPa和+720 MPa。等效应力和等效塑性应变均在表面和心部区域呈高值、在过渡区呈低值，其最大值出现在盘表面，分别为733.4 MPa和6.018%。塑性应变的时空演化强烈依赖温度梯度，表明温度梯度诱导的不协调塑性变形是淬火残余应力形成的主导机制，而塑性应变积累直接决定残余应力的大小和分布。与传统唯象本构模型相比，基于BP神经网络的本构策略在GH4169宽温度与应变率范围内具有更高拟合精度。模拟与实测残余应力的相对偏差约为15%，处于工程模拟可接受范围内，证实了所建立有限元模型的可靠性和工程适用性。