張家鋒, 鄒金文, 康進(jìn)武, 柳百成

(1.清華大學(xué) 機(jī)械工程系,北京 100084;2.北京航空材料研究院,北京 100095）

FGH96粉末高溫合金渦輪盤淬火過程界面換熱系數(shù)的研究

張家鋒1, 鄒金文2, 康進(jìn)武1, 柳百成1

(1.清華大學(xué) 機(jī)械工程系,北京 100084;2.北京航空材料研究院,北京 100095）

以試驗(yàn)方法研究了FGH 96粉末高溫合金渦輪盤在空冷、風(fēng)冷和油淬等條件下的表面換熱行為,進(jìn)而反算求解得到了界面換熱系數(shù),并將其應(yīng)用到實(shí)際盤件熱處理過程的數(shù)值模擬當(dāng)中。結(jié)果表明,油淬條件下的界面換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于其他兩種冷卻方式,其最大值約為空冷換熱系數(shù)最大值的 10倍?，F(xiàn)有工藝適合文中渦輪盤的熱處理,淬火應(yīng)力低于材料對應(yīng)溫度的屈服強(qiáng)度。

粉末高溫合金渦輪盤;熱處理;界面換熱系數(shù);數(shù)值模擬

渦輪盤是航空發(fā)動機(jī)中最為重要的部件之一,在其熱處理過程中,為了達(dá)到較高的強(qiáng)度和硬度、得到細(xì)小的析出相晶粒組織,必須保證較高的冷卻速度;然而過快的冷卻速度又會給零件帶來較大的應(yīng)力和變形,可能形成開裂、變形翹曲、高的殘余應(yīng)力或組織性能不均勻等問題[1,2],造成零件報(bào)廢或者影響后續(xù)加工和使用,嚴(yán)重的情況下更會釀成災(zāi)難性后果。這一矛盾性要求使得渦輪盤熱處理過程中冷卻速度的確定尤為重要。

通過計(jì)算機(jī)模擬手段,可以對零件制造過程中在各種冷速條件下產(chǎn)生的應(yīng)力及其演變進(jìn)行模擬和預(yù)測,并分析相關(guān)工藝參數(shù)對其影響,從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn),優(yōu)化工藝。相比較于傳統(tǒng)的試錯法,數(shù)值模擬方法的引進(jìn),將會大大縮短工期,降低成本[3]。

本研究以試驗(yàn)為手段,研究了 FGH96粉末高溫合金渦輪盤在空冷、風(fēng)冷和油淬等條件下的表面換熱行為,進(jìn)而反算求解得到了界面換熱系數(shù),并將其應(yīng)用到實(shí)際盤件熱處理過程的數(shù)值模擬當(dāng)中。

1 試驗(yàn)方法

目前,對于工件在淬火過程中換熱機(jī)制的研究還并不成熟。雖然國內(nèi)外有部分學(xué)者做了較多的工作[4～8],但工件在介質(zhì)中換熱系數(shù)的獲取仍然只能依靠試驗(yàn)來確定。對于每一種新材料而言,要想獲得較為準(zhǔn)確的換熱數(shù)據(jù),合理的試驗(yàn)是必不可少的。

1.1 特征面分析

圖1給出了某渦輪盤盤坯的截面形貌。對于盤坯的各表面,可以按照在油淬條件下,表面氣泡上浮所受到的阻礙情況進(jìn)行分類。從圖中可以看到,盤坯主要有五類特征面,依次為上表面、下表面、側(cè)立面、朝上斜側(cè)面和朝下斜側(cè)面。

圖1 渦輪盤盤坯外形及其主要特征面Fig.1 Section of a disk and its characteristic surfaces

氣泡上浮所受到的阻礙情況在一定程度上決定了盤坯對應(yīng)表面換熱系數(shù)的大小。氣泡無阻礙上浮,盤坯表面能及時(shí)與介質(zhì)充分接觸,換熱系數(shù)大;如果氣泡緊貼表面而不能馬上上浮,則會將盤坯表面與介質(zhì)隔絕開來,極大的降低換熱效率。因此,盤坯上表面的換熱系數(shù)將大于下表面換熱系數(shù);側(cè)立面的氣泡也是自由上浮,且往往由于攪拌的存在,氣泡并不阻礙盤坯表面與介質(zhì)的接觸。一些研究工作也表明[4,5],相同條件下側(cè)立面的換熱系數(shù)和上表面非常接近,在實(shí)際計(jì)算中可以認(rèn)為二者一致。

在差分算法中,任何復(fù)雜的實(shí)體都會被離散成一個(gè)個(gè)小的長方體單元。依據(jù)上述分類方法,每個(gè)長方體單元只有上表面、下表面和側(cè)立面三種特征面。因此,渦輪盤盤坯的朝上斜側(cè)面和朝下斜側(cè)面在差分算法中可以看做是分別被等效為上表面、側(cè)立面的合成和下表面、側(cè)立面的合成。

綜合上述原因,盤坯的五種特征面可以被近似合并為兩類,即上表面和下表面。當(dāng)盤坯在空氣中冷卻和在油中淬火時(shí),上表面和下表面的換熱是研究的重點(diǎn)。值得說明的是,當(dāng)盤坯處于風(fēng)冷狀態(tài)時(shí),風(fēng)速被認(rèn)為是最重要的因素,因此在本文中將用試驗(yàn)來研究不同風(fēng)速對應(yīng)的上表面換熱系數(shù)。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究盤件特征面的換熱特征,最好的方式是各特征面“分離”開來,即在每次試驗(yàn)測試中僅存在一種特征面換熱。為此,我們?nèi)×艘粋€(gè)直徑為 160mm、厚 37mm的 FGH96合金試驗(yàn)盤,將其圓周面和其中一個(gè)底面用陶瓷纖維隔熱層包覆,最大限度阻隔在這兩個(gè)面的熱交換,近似達(dá)到單一特征面換熱的要求。在隔熱層外再罩以不銹鋼保護(hù)套,起到保護(hù)隔熱層的作用。

試驗(yàn)盤設(shè)計(jì)和熱電偶置放的示意圖如圖 2所示。

試驗(yàn)盤中置放了 8支 K型熱電偶,等距離分布在以試驗(yàn)盤中心軸線為中心的直徑為 40mm的圓周上。在每支熱電偶的置放位置,都從試驗(yàn)盤的非換熱底面打入盲孔,用以裝置熱電偶并精確定位其測溫位置。TA-1,TB-1,TC-1和 TD-1所測量記錄的冷卻曲線用來求解換熱界面的傳熱系數(shù),它們測量點(diǎn)離換熱界面的距離依次是 1mm,6mm,11mm和16mm。同時(shí)為了應(yīng)對上述四支熱電偶在試驗(yàn)中部分甚至全部斷掉的情況,試驗(yàn)設(shè)計(jì)中加入了另外四支熱電偶 TA-2,TB-2,TC-2和 TD-2,他們的測溫深度和前四支熱電偶對應(yīng)一致。

圖2 試驗(yàn)盤設(shè)計(jì)和熱電偶置放示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermocouples layout in the sample disk

試驗(yàn)過程中,當(dāng)換熱面朝上放置,則所測量的換熱系數(shù)即為特征面“上表面”的換熱系數(shù);反之為“下表面”的換熱系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

通過傳熱反問題的求解[9],可以從試驗(yàn)測量得到的溫度數(shù)據(jù)得到各種冷卻方式下各特征面的換熱系數(shù),如圖 3所示。

圖3 各種條件下盤件表面的換熱系數(shù)Fig.3 Heat transfer coefficients under severalexperiment conditions (a）static air cooling;(b）oil quenching;(c）forced air cooling

從圖中可以看到,空冷條件下,上、下表面的換熱系數(shù)都比較小,但上表面稍大于下表面,可以理解為下表面的熱空氣上浮受到盤件阻礙,進(jìn)而反過來影響盤件和空氣的換熱。油淬條件下,上、下表面的換熱系數(shù)都比較大,且上表面遠(yuǎn)大于下表面,這也是和預(yù)期一致的。工件和淬火油之間的熱交換非常強(qiáng)烈,但換熱系數(shù)的最大值卻并不是出現(xiàn)在工件表面溫度最高的時(shí)候。在風(fēng)冷狀態(tài)下,風(fēng)速是影響換熱系數(shù)最重要的因素,10.8m/s風(fēng)速下的換熱系數(shù)要大于 10m/s的情況。

進(jìn)一步比較盤件在三種條件下的表面換熱系數(shù),可以看到,在油淬條件下,盤件表面的換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于其他兩種冷卻方式,油淬條件的換熱系數(shù)的最大值大約為空冷時(shí)最大值的 10倍。快的冷卻速度將獲得強(qiáng)度和硬度等性能,所以油淬是目前盤件熱處理最重要也是最通用的淬火手段;但是油淬所帶來的應(yīng)力過高、淬火裂紋等問題,也是在盤件制造過程中所需要避免的,因此采用多種冷卻方式相結(jié)合的復(fù)合型淬火工藝得到了廣泛的應(yīng)用。圖 4是現(xiàn)在比較常見的熱處理流程。

圖4 常見的渦輪盤熱處理流程Fig.4 Technological process of heat-treatment

3 實(shí)際盤件熱處理過程的數(shù)值模擬

試驗(yàn)測量并反算求解得到的換熱系數(shù),被應(yīng)用到某實(shí)際渦輪盤盤坯熱處理過程的數(shù)值模擬中。該盤件也是 FGH96粉末高溫合金渦輪盤,采用圖 4的熱處理流程。圖 5是該盤坯截面形狀及簡單尺寸。

從盤件中選出了代表上表面、芯部和下表面的 a,b,c三點(diǎn),圖 6給出了這三點(diǎn)的溫度和周向應(yīng)力(其他方向應(yīng)力變化規(guī)律和周向應(yīng)力類似,但數(shù)值較周向應(yīng)力?。╇S著時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看到,上表面的溫度下降最快,芯部最慢;開始階段表面為拉應(yīng)力,芯部為壓應(yīng)力,且隨著時(shí)間推移應(yīng)力值不斷增大。在第 3分鐘芯部和表面點(diǎn)之間的溫度差距達(dá)到了最大,對應(yīng)地這一時(shí)刻各點(diǎn)的應(yīng)力也達(dá)到了各自的最大值。值得注意的是,從第 3分鐘開始,由于內(nèi)外溫差的減小,各點(diǎn)應(yīng)力值也在減小,最后保持在200MPa以內(nèi),即為盤件的殘余應(yīng)力。

整個(gè)過程中,盤件的最大周向應(yīng)力為 780MPa,等效應(yīng)力為 1200MPa,小于對應(yīng)溫度下的屈服應(yīng)力,故正常情況下不會出現(xiàn)淬火裂紋;殘余應(yīng)力也比較小,對后續(xù)加工不會有太大影響。

4 結(jié)論

(1）以試驗(yàn)方法研究了 FGH96粉末高溫合金渦輪盤在空冷、風(fēng)冷和油淬等條件下的表面換熱行為,進(jìn)而反算求解得到了界面換熱系數(shù);

(2）空冷和油淬條件下,上表面的換熱系數(shù)大于下表面;在風(fēng)冷狀態(tài)下,高的風(fēng)速獲得大的表面換熱系數(shù)。油淬條件下盤件表面的換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于其他兩種冷卻方式,油淬條件的換熱系數(shù)的最大值大約為空冷時(shí)最大值的 10倍。

(3）試驗(yàn)測量并反算求解得到的換熱系數(shù)被應(yīng)用到某實(shí)際渦輪盤盤坯熱處理過程的數(shù)值模擬中。現(xiàn)有工藝正常情況下不會出現(xiàn)淬火裂紋,殘余應(yīng)力也比較小。

[1]汪武祥,何峰,鄒金文.粉末高溫合金的應(yīng)用和發(fā)展[J].航空工程與維修,2002,6:26-28.

[2]鄒金文,汪武祥.粉末高溫合金研究進(jìn)展與發(fā)展[J].航空材料學(xué)報(bào),2006,26(3）:244-250.

[3]柳百成,荊濤.鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.1.

[4]WALLISR A,BHOWALPR.Property Optimization in Superalloys Through the Use of Heat Treat Process Modelling[J].Superalloys,1988:525-534.

[5]WALLISR A,BHOWALPR,BHATHENA NM.Modeling the heat treatment of superalloy Forgings[J].JOM,1989,41(2）:35-37.

[6]RAMAKRISHNAN R I,HOWSON T E.Modeling the heat treatmentof superalloys[J].JOM,1989,June:29-32.

[7]FRANCHET JM,DEVY F,MOSSER P E,etal.Residual stressmodelling during the oil quenching of an astroloy turbine disk[J].Superalloys,1992:73-82.

[8]KISSINGER R D.Cooling path dependentbehavior of a supersolvus heat treated nickel base superalloy[J].Superalloys,1996:687-695.

[9]GUOZ P,XIONGSM,LIU BC,etal.Developmentofan Inverse Heat Transfer Model and its Application in the Prediction of the Interfacial heat Flux[J].Acta Metallurgica Sinica,2007,43(6）:607-611.

Study on Surface Heat Transfer Coefficients of FGH96 P/M Superalloy Disk during Heat-Treatment Process

ZHANG Jia-feng1,ZOU Jin-wen2,KANG Jin-wu1,LIU Bai-cheng1
(1.Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China）

Heatextraction behaviors of a FGH 96P/M superalloy disk under static air cooling,forced air cooling and oil quenching conditions were studied by experiments and the surfaceheat transfer coefficientswere obtained by solving the inverse thermal p rob lems.Numerical simulation of the heat-treatment process of a real disk was then carried out.The results showed that the heat extraction rates of oil quenching weremuch higher than those in the other two conditions,and the peak value was almost 10 times of that in the static air cooling.The heat-treatment processwas appropriate as the stress generated in the quenching processwas lower than the yield strength of the disk material.

P/M superalloy disk;heat-treatment;surface heat transfer coefficients;numerical simulation

10.3969/j.issn.1005-5053.2010.1.005

TG

A

1005-5053(2010）01-0026-04

2008-10-10;

2009-04-20

張家鋒 (1980—）,男,博士研究生,(E-mail）zhangjiafeng03@mails.tsinghua.edu.cn。