粉末冶金8-07

2007中国钢铁年会论文集双性能粉末高温合金涡轮盘梯度热处理的温度场模拟田高峰1贾成厂1吴凯1刘建涛2胡本芙1（1.北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083;2.钢铁研究总院高温材料研究所，北京100081）摘要高速喷气式飞机上使用的高推重比发动机涡轮盘要求承受较高的工作温度、较长的服役寿命和具有廉价的成本。轮毂为细晶组织、轮缘为粗晶组织的双重组织（双性能）涡轮盘是涡轮盘制造技术的主要发展方向。本文采用有限元的方法，建立一个简化的涡轮盘模型，对FGH4096合金涡轮盘梯度热处理的温度场进行了数值模拟，讨论了各种因素对涡轮盘温度场分布的影响。结果表明，采用上述的梯度热处理模型完成双晶粒组织是可行的，在涡轮盘尺寸一定的情况下，炉温对盘坯的温度梯度影响不大，而换热系数和保温时间对其有较大影响，保温时间越长，换热系数越大，盘坯温度梯度越平缓。关键词涡轮盘双性能数值模拟梯度热处理TemperatureFieldSimulationforDual-propertyP/MSuperalloyTurbineDiskSubjectedtoGradientHeatTreatmentTianGaofeng1JiaChengchang1WuKai1LiuJiantao2HuBenfu1（1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,USTB,Beijing,100083;2.HighTemperatureMaterialsResearchInstitute,CISRI,Beijing,100081）AbstractThehighertemperaturecapability,thelongerservicelifeandthelowercostarerequestedforturbinediskingasadvancedenginewithahigherthrust/weightratioforjetaircraft.Thedual-propertyturbinediskpossessesafinegrainboreandcoarsegrainrimisamaindevelopmentdirectioninmanufacturingtechnologiesofturbinedisks.AsimplifiedmodelwasbuilttosimulatethetemperaturefieldofFGH4096superalloyturbinediskwhenitwassubjectedtogradientheattreatment,theeffectsofvariousfactorsontemperaturefieldwereinvestigatedinthispaper.Theresultsshowfurnacetemperatureaffectslittleonthetemperaturefieldofacertainsizeofturbinedisk,whilesynthesiscoefficientofheattransferandheattreatmenttimeaffectittoagreatextent.Keywordsturbinedisk,dual-property,numericalsimulation,gradientheattreatment军用高速喷气式飞机上使用的高推重比发动机涡轮盘要求承受较高的工作温度、较长的服役寿命和具有廉价的成本。根据涡轮盘的实际工况特点，轮缘承受高温低应力，需要粗晶组织以保证足够的持久、蠕变强度，而轮毂承受低温高应力，需要细晶组织提供较高的屈服强度和低周疲劳性能[1,2]。这种轮毂为细晶组织、轮缘为粗晶组织的涡轮盘被称为双性能涡轮盘，它是涡轮盘制造技术的主要发展方向。制备工艺始终是双性能涡轮盘的核心技术，梯度热处理是制备单一合金双重组织涡轮盘的主要工艺之一。为探索采用FGH4096合金制造双组织、双性能涡轮盘的可行性，本文采用有限元的方法，建立了一个简化的涡轮盘模型，对涡轮盘梯度热处理的温度场进行了数值模拟，探讨了炉温、换热系数和保温时间对盘坯温度梯度的影响。双性能粉末高温合金涡轮盘梯度热处理的温度场模拟1有限元模型的建立1.1涡轮盘梯度热处理理论模型通过梯度热处理获得双晶粒组织是制备双性能涡轮盘的关键。图1是本文拟采用的梯度热处理模型，它被称为DMHT（DualMicrostructureHeatTreatment）工艺[3]。为了模拟方便，处理中对模型所用的绝热材料假设是理想的，涡轮盘卡上卡具后，通过普通电阻加热炉对锻造后获得的细晶盘坯的轮缘部位进行选择性的热处理，热量从轮缘部位向轮毂传递，从而建立从轮毂到轮缘的温度梯度。在热处理过程中，轮缘部位温度高，保温相同时间，晶粒长大快，获得粗晶组织，轮毂部位温度低，晶粒不发生长大或者长大缓慢，从而仍然保持为细晶组织，这样，最终获得双晶粒组织（双性能）涡轮盘。图1盘坯的梯度热处理工艺模型Fig.1Amodelofgradientheattreatmentforthebillet1.2温度场的数学理论模型Fourier导热方程是分析温度场分布的基本方程[4,5]，在稳态条件下，Fourier方程表示为：xTqx∂=−∂λ（1）式中，qx表示x方向上的热流密度，W/m2；λ是材料的热导率，W/（m·K）；Tx∂∂是x方向上的温度梯度，K/m；负号表示传热的方向与温度梯度的方向相反。在热处理过程中，盘坯的温度场随时间而变化，盘坯的传热是在不稳定状态下的导热过程，盘坯的温度场分析为瞬态分析。根据Fourier方程可推导出二维瞬态温度场热传导方程为：0xyyTTTcQtxxy∂∂∂∂∂−−−=∂∂∂∂∂ρλλρ（2）式中，ρ为材料密度，kg/m3；C为材料比热容，J/（kg·K），λx、λy分别是材料沿x、y方向的热导率，W/（m·K）；Q=Q（x，y，t）是物体内的热源密度，W/kg。上述方程，必须附加初始条件和边界条件才能得到唯一解。因此对于具体传热问题，必须知道初始条件和边界条件才能求出温度场分布。在涡轮盘梯度热处理工艺模型中，加热炉为一个封闭的稳定热源（可以认为炉子和盘坯为一个封闭系统），热处理过程中传热有两方面，一为炉子对盘坯轮缘部位的传热，二为盘坯轮缘部位向轮毂部位的传热。在涡轮盘梯度热处理工艺中，盘坯在室温下（T=25℃）送入未通电炉内，系统的初始条件即初始温度场为：025tT==℃（3）2007中国钢铁年会论文集盘坯在炉内热处理过程中，盘坯、炉壁、炉内热空气之间组成一个热交换系统，盘坯在整个热处理过程中吸收热量，其热量传递方式主要是对流传热和辐射传热[6]。相应的边界条件为：frf()()sThTTkTTn∂−=−+−∂λ（4）式中，h为对流换热系数，0.8hKW=⋅；W为炉气的流速，m/s；K为取决于炉温的系数；kr为辐射换热系数，22rff()()kTTTT=++εσ；ε、σ分别表示物体黑度系数及Stefan-Boltzmann常数[7]。1.3涡轮盘的有限元模型根据涡轮盘的实际尺寸和形状，利用ANSYS软件建立其有限元模型，为了计算简单和便于观察，本文选取涡轮盘横截面的1/2来进行温度场模拟，图2为划分单元并施加载荷约束后的有限元模型。图中的A、B、C、D、E为选取的温度测定点。图2施加热载荷后的涡轮盘有限元模型Fig.2FEMmodelofturbinediskappliedhotload2模拟结果分析对涡轮盘件进行梯度热处理目的是在盘件不同部位获得具有不同晶粒度的显微组织，其中的关键是获得合适的温度场分布。在本实验的涡轮盘热处理模型中，除涡轮盘尺寸之外，影响温度场分布的主要因素还有炉温、综合换热系数以及保温时间。图3为炉温1120℃、综合换热系数为200W/（m2·℃）、保温时间分别为30min和120min时涡轮盘的温度场云图。图3保温时间30min和120min时涡轮盘温度场云图a—30min；b—120min（炉温1120℃，综合换热系数为200W/(m2﹒℃)）Fig.3Thetemperaturefieldsofturbinediskattheheattreatmenttimea—30min;b—120min(Furnacetemperature1120℃,synthesiscoefficientofheattransfer200W/(m2﹒℃))为了更清楚看出涡轮盘各部位的温度随保温时间的变化情况，根据监测点A～E不同时刻的温度值，得出各监测点的温度随时间变化曲线，如图4所示。双性能粉末高温合金涡轮盘梯度热处理的温度场模拟图4各监测点温度随时间的变化曲线Fig.4Thechangeoftemperaturesofvariousmonitoringpointswithheattreatmenttime从图3和图4中可知，随着保温时间的延长，轮缘和轮毂部位温度梯度减小，各个测温点温度趋于均匀。在保温时间为30min时，轮缘到轮毂之间的温度梯度为787℃，而当保温时间为120min时，温度梯度则变为17℃。这说明对盘坯进行梯度热处理时，保温时间必须控制一定范围，时间过长，导致轮缘和轮毂的温度梯度不够大，形成不了理想的双晶粒组织。图5为炉温1150℃、综合换热系数为200W/(m2·℃)、保温时间分别为30min和120min时涡轮盘的温度场云图。图6为各监测点的温度随时间变化曲线。图5保温时间30min和120min时涡轮盘温度场云图a—30min；b—120min（炉温1150℃，综合换热系数为200W/(m2﹒℃)）Fig.5Thetemperaturefieldsofturbinediskattheheattreatmenttime(Furnacetemperature1150℃,synthesiscoefficientofheattransfer200W/(m2﹒℃))图6各监测点温度随时间的变化曲线Fig.6Thechangeoftemperaturesofvariousmonitoringpointswithheattreatmenttime2007中国钢铁年会论文集从图中可以看到，当换热系数一定时，随着炉温升高，在相同的保温时间内，盘坯各处的温度均增加，但是A～E点之间的温度梯度变化很小，保温时间越长，差别越小。如保温时间为90min时，A～E点之间的温度梯度的差别仅为2℃，这说明炉温对涡轮盘的温度梯度的影响并不明显。图7为炉温1150℃、综合换热系数为340W/（m2·℃）、保温时间分别为30min和120min时涡轮盘的温度场云图。图8为各监测点的温度随时间变化曲线。图7保温时间30min和120min时涡轮盘温度场云图a—30min；b—120min（炉温1150℃，综合换热系数为340W/(m2·℃)）Fig.7Thetemperaturefieldsofturbinediskattheheattreatmenttimeof(a)30minand(b)120min(Furnacetemperature1150℃,synthesiscoefficientofheattransfer340W/(m2﹒℃))图8各监测点温度随时间的变化曲线Fig.8Thechangeoftemperaturesofvariousmonitoringpointswithheattreatmenttime同样从以上两个图中可以看到，随着保温时间延长，轮缘和轮毂温度梯度逐渐减小，各个测温点的温度也趋于均匀。比较图5和图6，当换热系数提高后，涡轮盘整体升温速度加快，如保温30min后，A～E点之间的温度梯度降低55℃。这说明当炉温一定时，随着换热系数的增加，A～E之间的温度梯度变化明显，换热系数越大，温度梯度越小。表1总结了不同热处理条件下A点和E点温度值和温度梯度。表1不同热处理条件下A点和E点的温度和温度梯度Tab.1Thetemperaturesan