Inconel 718双极板超塑性成形行为与空间变形特征的数值研究——边缘送料与转角几何局域化的双机制

《Journal of Materials Research and Technology》：Numerical investigation of superplastic forming behavior and deformation characteristics of Inconel 718 bipolar plates

　　

具有精细流道的薄金属双极板易出现填充不均匀和局部减薄，尤其当高强度Inconel 718被成形为复杂微通道时。为阐明超塑性（SPF）条件下的空间变形特征，研究人员在Abaqus中实现了基于简化内部状态变量（ISV）的粘塑性模型，并利用实验通道几何与厚度分布进行验证，平均绝对百分比误差（MAPE）为3.63%。通过单因素仿真和L₉(3³)正交分析，评估了成形温度、变形时间和初始板厚的影响。直通道不均匀性主要受边缘控制材料送料支配：提高温度或延长变形时间降低成形阻力和边缘缩进并改善通道深度均匀性，但促进局部晶粒长大。转角通道减薄主要受几何诱导应变局域化控制。较长变形时间有效降低最大减薄，而温度主要降低局部应力且对厚度损失影响有限。增加板厚可降低转角减薄，直至约0.14 mm；超过该值后收益有限。正交分析表明，变形时间主导全局和直通道响应，而板厚主导局部转角减薄。结果揭示了两种控制机制——直通道的速率相关流动与边缘送料，以及转角通道的几何局域化与厚度储备，为Inconel 718双极板工艺设计提供了机理依据。

Xu Yang等针对精细流道薄金属双极板在Inconel 718高强度薄板超塑性成形中易出现填充不均和局部减薄的问题开展数值研究。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）用双极板承担机械支撑、导电导热和反应气体分配等功能；金属双极板因高强度、可薄壁化和高量产性而受关注，但板厚减薄和流道细化使成形精度要求提高，几何受限区域易发生填充不足、厚度分布不均、局部减薄和开裂。有限元（FE）模拟可追踪材料流动、应力应变和厚度重分布，但既有研究多关注最终宏观响应，对材料送料、空间变形局域化与晶粒尺寸演化之间的关系认识不足。Ni基合金因耐蚀和力学稳定性成为候选，Inconel 718为沉淀强化高温合金，强度高、耐蚀好，但变形抗力高、室温成形性有限，超塑性成形（SPF）成为有吸引力的替代途径；细晶Inconel 718在高温下具有显著超塑性，其流动强烈依赖温度和变形速率，并伴随位错演化、动态再结晶（DRX）和晶粒尺寸变化。已有研究证明Inconel 718双极板SPF可行，但成形温度、变形时间和初始板厚对边缘材料送料、直通道深度均匀性和转角通道减薄的联合影响仍缺乏定量认识，尤其直通道与转角通道响应差异不清。

研究人员构建简化内部状态变量（ISV，描述位错密度、DRX分数和晶粒尺寸等组织演化的状态量）粘塑性本构，在Abaqus中通过用户材料子程序（UMAT）实现，模拟单蛇形Inconel 718双极板感应加热辅助超塑性压缩成形；先用实验通道轮廓、通道深度和局部厚度分布验证FE模型，再系统考察成形温度、变形时间和初始板厚对边缘材料送料、成形载荷、直通道几何与深度均匀性、转角通道减薄及预测晶粒尺寸演化的影响，并进行L₉(3³)正交分析以量化左边缘缩进ΔL、最大成形力F_max、直通道B1-B5深度标准差（SD）和C1最大减薄率th_max对三参数的敏感性。该研究区分边界材料供给与局部变形局域化的作用，为Inconel 718双极板微通道工艺设计提供空间分辨的机理依据。

关键技术方法（不超过250字）：采用简化ISV粘塑性本构，保留位错密度、DRX分数和晶粒尺寸演化，以低角晶界（LAGBs）分数表征位错状态；基于前期应力-应变与EBSD数据用遗传算法（GA）标定参数。实验材料为细晶Inconel 718板（初始晶粒1.6 μm），经感应加热辅助SPF制备单蛇形双极板；FE模型取四分之一几何、刚体模具、C3D10M单元（网格0.18 mm）、摩擦系数0.2、冲头位移0.56 mm。用机器视觉法测量截面厚度并以平均绝对百分比误差（MAPE）评估精度；开展厚度、温度、时间单因素仿真及L₉(3³)正交分析。

研究结果：
3.1 数值模拟精度评估。在条件A（930 °C、300 s、0.14 mm）和条件B（950 °C、300 s、0.08 mm）下，模拟通道轮廓重现实验直通道B1-B5和转角通道C1的主要几何特征；通道深度与实验吻合，直通道和转角通道厚度分布的MAPE分别为2.71%和3.89%（条件A）、2.47%和5.44%（条件B），四条厚度剖面平均MAPE为3.63%；通道深度绝对百分比误差在条件A约0.18-1.43%、条件B为0-6.01%，最大差异在B5。验证仅限A、B两条件，其他参数组合为模型预测。

3.2 温度和变形时间对双极板超塑性成形行为的影响。在0.14 mm板厚下，x方向位移U1集中于板边缘和边缘相邻B1通道，最大U1由910 °C/300 s的0.636 mm降至950 °C/300 s的0.524 mm和950 °C/600 s的0.443 mm，表明边缘送料对直通道填充贡献随温度和时间增加而减小；成形力随温度和变形时间增加而降低。B1深度由0.605 mm降至0.595和0.586 mm，B3、B5变化小，B1-B5深度SD由0.0172 mm降至0.0118和0.0075 mm，说明B1与边缘送料区耦合而内部通道较稳定，B1深度降低改善整体深度均匀性；但B1附近晶粒尺寸随温度和时间增加而增大，可能削弱该区域超塑性。C1转角通道的等效塑性应变（PEEQ）集中于左上圆角，最大PEEQ由910 °C/300 s的0.619降至950 °C/300 s的0.602和950 °C/600 s的0.582；厚度剖面在归一化位置约0.2处出现谷值，与左上圆角PEEQ集中区对应，故该处为转角通道控制减薄位置。固定300 s时，910-970 °C最大减薄率约30%且变化小；950 °C下变形时间由50 s增至600 s，最大减薄率由约33.9%降至28.8%，前300 s降幅最明显。C1左上圆角von Mises应力由153 MPa降至115和87 MPa，B3应力更低；应力降低与厚度损失解耦，表明最终减薄更取决于累积变形路径和局部材料重分布，而非局部应力大小。C1晶粒尺寸在950 °C/300 s和950 °C/600 s大于910 °C/300 s，空间变化大于B3；温度主要降低变形抗力和应力，延长时间同时降低局部应力和最大减薄，是控制C1厚度损失更有效的参数，但二者均促进晶粒长大。

3.3 初始板厚对双极板超塑性成形行为的影响。在950 °C/300 s下，板厚由0.08 mm增至0.17 mm使直通道附近局部PEEQ增加而整体变形模式相似；B1前U1由0.43 mm增至0.56 mm，厚板边缘侧向材料供给更大，成形力升高且后阶段差异更明显。B1-B5连续路径的局部减薄率剖面在四个厚度下相似，主要减薄特征位置近似相同；B1半深宽度由0.95 mm降至0.87 mm，B3、B5约0.91 mm，说明B1对厚度最敏感。C1的PEEQ始终集中于左上圆角，峰值由0.519（0.08 mm）增至0.60（0.14-0.17 mm），最大减薄率由34.1%降至30.0%（0.14 mm）并在0.17 mm几乎不变；C1半深宽度由0.95 mm单调降至0.90 mm，约0.14 mm后进一步增厚对降低局部减薄收益有限而横向填充范围继续减小。峰值应力随厚度增加总体降低，0.14-0.17 mm间降低减弱；晶粒尺寸在四个厚度下相似，无清晰系统依赖。初始板厚影响转角变形严重程度而非位置；直通道和转角通道预测晶粒尺寸未实验验证。

3.4 参数敏感性与成形质量的正交分析。L₉(3³)正交分析以ΔL、F_max、SD和th_max表征边缘送料、整体成形阻力、直通道深度均匀性和局部减薄风险。极差排序为：ΔL为t>T>δ，F_max为t>δ>T，SD为t>T>δ，th_max为δ>t>T。相同最终冲头位移下，延长设定变形时间降低平均成形速度，削弱率相关流阻和自由边缘送料需求，并减小B1与内部通道深度差，故时间同时降低ΔL、F_max和SD；温度通过热软化产生类似但较弱作用，初始板厚主要影响成形载荷。转角局部减薄由板厚主导，反映几何诱导变形区的材料储备；时间次之，延长成形促进变形渐进重分布；温度显著降低局部应力但对th_max影响小，热软化不足以消除几何控制减薄。两种灵敏度排序对应两类机制：全局响应和直通道均匀性主要受率相关流阻与边缘送料控制，转角局部减薄主要受几何局域化和厚度储备控制。

讨论总结：研究把直通道非均匀性与转角减薄区分为边缘控制送料和几何局域化两个控制机制；温度和时间通过降低流阻、边缘缩进和载荷改善直通道深度均匀性，但促进B1附近晶粒长大；转角减薄对温度不敏感而随变形时间延长和板厚增至约0.14 mm而降低，超过该厚度收益有限；应力-减薄解耦说明局部应力不是厚度损失的唯一决定因素。正交分析表明不存在对所有响应统一的因子排序，工艺设计需在填充、厚度保持、载荷和预测晶粒长大之间平衡；除两个验证条件外，其他结果仍需实验验证。

研究结论（译）：基于简化ISV的粘塑性FE模型经验证后用于研究Inconel 718双极板超塑性成形。(1)直通道不均匀性主要受边缘控制材料送料支配；提高温度或延长变形时间降低边缘缩进和成形载荷并改善通道深度均匀性，同时促进B1附近局部晶粒长大。(2)转角通道减薄受C1左上圆角几何局域化支配；变形时间由50 s增至600 s使最大减薄率由33.9%降至28.8%，温度影响有限；初始板厚由0.08 mm增至0.14 mm使最大减薄率由34.1%降至约30%，0.17 mm时进一步收益很小。(3)在所研究参数范围内，正交分析识别变形时间为边缘缩进、成形力和直通道深度均匀性的主导因素，而初始板厚主导最大转角减薄。