1、IM航空航天18 2023年增刊粉末高温合金热等静压数值模拟研究王冰，李启军，黄国超，孟烁，邓太庆，王哲磊（航天材料及工艺研究所，北京 100076）摘要：针对栅格翼试验件的研制，为了减少研发周期，提升产品质量，采用 Marc CN 仿真模拟软件，对其粉末冶金热等静压成型过程进行有限元模拟，分析工艺过程对试验件相对密度的影响，结果发现，试验件整体相对密度能够达到 0.990 以上，但底部高度带 4mm 区域的相对密度较低，最小值为 0.933，这与试验件包套设计有关，为此提出了包套内芯的改进方案；结合模拟结果，进行栅格翼试验件制备，并对其金相观察，结果表明，组织晶粒较小，未发现原始颗粒边界，不
2、存在疏松、缩孔等不致密缺陷。与模拟结果的匹配度较高。关键词：粉末冶金；仿真模拟；相对密度1引言翼类结构在航空航天领域应用范围较广，根据不同的使用环境，需要满足多种多样复杂要求，在提供升力方面，传统平板翼设计无法满足要求；自 20 世纪 40 年代开始，国外对栅格翼的动力学、结构以及工艺制造等方面开展了系统的理论和试验研究工作，如今栅格翼作为一种新型的承力稳定面和控制面，在卫星、火箭和导弹上得到了十分广泛的应用如图 1 所示。栅格翼是由众多薄的栅格壁镶嵌在边框内形成的结构件，有多种布局和结构形式如图 2 所示，应用比较广泛的为蜂窝式栅格翼，可为飞行器提高升力、增加其稳定性和可控性，且能够保证飞行
3、器在各飞行阶段具有足够的比强度、比刚度。传统金属栅格翼主要用板材拼焊方式制备，存在焊接变形难控制、成品率低等问题，而采用粉末冶金热等静压成型，可实现一次性整体制备，产品表面无焊缝，综合性能好，能有效提升使用过程中的安全系数1-3。粉末冶金热等静压成形过程较为复杂，受到众多因素影响，如粉体粒度、粉体材质、包套结构、成型温度和压力等，在产品研发阶段，需要通过多次工艺探索而制备出合格产品，这样会造成原材料、设备、周期的浪费，基于此，引入Marc CN工艺仿真软件，设定粉体物性参数，建立几何模型，设置工艺参数和约束条件对其成型过程进行数值模拟，得到产品收缩形变分布、相对密度等趋势变化数据4-7，从理论
4、方面为实际产品的生产提供指导，可实现降低成本，缩短研制周期的目的。图 1飞行器中的栅格翼航空航天IM投稿网站： 2023年增刊 19图 2不同结构形式的栅格翼2仿真模型的建立2.1本构方程粉末压制成型与锻造、挤压、轧制等传统成型工艺有很大区别，其粉体的初始状态为非连续体的堆积，在力的作用下，通过粉体之间、粉体与模具之间发生挤压与摩擦而逐渐形成连续体，在此过程中，材料的力学性能、密度等数据在不断变化，其力学行为非常复杂8-13，目前针对金属粉体成形这类同时存在体积收缩与塑性变形的成形过程，成熟的做法是基于多孔介质的屈服特性，将相对密度和静水压力引入到屈服准则的修正，即 （1）屈服准则具有如下形式
5、：（2）其所对应的流动法则为：（3）式中，Y0为基体材料流动应力，A，B 和 是与相对密度相关的参数，J1和 J2为应力张量的函数，YR为金属粉末流动应力。为了更加准确的采用数值方法描述粉末的成形过程，各学者依据不同的材料及工作状况，得到了不同的屈服准则表达式，见表 1。表 1本构方程理论研究者参数 A参数 B参数 Kuhn&Downey2+R2Park2+2vShima&Oyane3R5Gurson目前，针对粉末冶金热等静压工艺采用大变形弹塑性本构关系，选用 Shima-Oyane 模型进行模拟研究，其模拟结果与试验结果相吻合性较好。2.2模型建立以 33 栅格翼试验件开展模拟和研究工作，壁
6、板间隔为 83mm，金属粉末材料选择 GH4169 高温合金，密度为 8.2410-9 g/cm3，初始相对密度设置为 0.7；芯模选用石墨材料，包套选用碳钢如图 3 所示，其物性参数均可在 Marc CN 软件材料性能参数数据库中进行选择。图 3结构示意图根据模型，粉末、包套、芯模均采用实体单元，使用网格生成模块，分别划分出相应的四面体网格，主要加密部位在圆角处，共产生 435 067 个单元，115 672 个节点，有限元模型如图 4、图 5 所示。图 4粉体网格划分图 5内芯网格划分IM航空航天20 2023年增刊2.3边界条件热等静压过程采用高温 150MPa、保温 4h 的工艺参数开
7、展模拟研究，其载荷与温度均由包套外侧向内部施加，由于载荷为静水压力，因此，其作用方向始终垂直于包套外表面，且随着包套形状的变化，其载荷力的方向也随之变化，但其方向仍垂直于包套，直到整个模拟过程结束。3模拟结果与分析3.1整体相对密度分析对于粉末冶金热等静压类金属制品而言，相对密度是产品质量的重要指标之一，其主要影响产品的最终力学性能，因此，选取保温阶段 4 个典型时间段和最终压制完成后产品情况进行分析，如图 6 所示。热等静压过程中，产品外包套会向内收缩，由图 6a可以看出，在保温 1h 时，产品整体的密度已出现了明显变化，成阶梯状分布，其中，中间位置的相对密度变化较大，为 0.952，底部和
8、周围四个圆角位置相对密度变化较小，为 0.861；随着工艺过程的进行，如图 6b、6c、6d可以看出，产品的相对密度由壁板中间向四周逐渐增加，壁板与壁板的交界部位变化较为缓慢；当保温 4h 结束时，产品的整体相对密度已到达 0.980 以上，而交界处、底部和四周部位的相对密度最小，达到 0.905 以上；随后开始降温降压过程，在此过程中，相对密度仍然在不断提高，分析认为，虽然是卸载过程，但仍有一定的载荷施向产品内部传递，在力的作用下高温合金粉末颗粒之间的蠕变仍然存在，不断提高产品的相对密度，最终，产品整体相对密度达到 0.990 以上，而底部相对密度最小值为 0.933。a）保温 1h图 6产
9、品相对密度变化情况b）保温 2hc）保温 3hd）保温 4he）最终产品图 6产品相对密度变化情况（续）航空航天IM投稿网站： 2023年增刊 213.2底部相对密度分析对产品底部的相对密度变化进行分析，如图 7 所示。图 7产品底部相对密度由图 7 可以看出，产品靠近底部位置，高度带大约4mm，整体相对密度较低，最小值为 0.933，经分析认为，在包套内芯设计过程中，如图 8 所示，为了比对产品各部位的收缩情况，对底部进行了加厚，压力在传递过程中遇到一定阻力会发生损耗，此部位的位移变形量减少，导致相对密度出现明显梯度。图 8包套内芯示意图选取内部和底部两个典型部位，其相对密度变化曲线如图 9
10、 所示，发现其变化规律也存在一定差异。3.3包套结构优化通过仿真模拟结果可以发现，该产品的重要缺陷在于底部的相对密度较低，会造成材料性能下降，因此，针对发现的问题，建议后续的包套设计过程中，在不影响包套强度的情况下，可以尽量减少壁厚，保证外部压力能够充分传递至粉体，或者留相应的加工余量，在成型完成后，将缺陷部位切除；此外，壁板之间的交界处也可能存在局部不致密风险，可以在此部位增加填粉量，保证壁板之间的质量与连接，由此，可获得满足设计需求的合格产品。图 9产品典型位置相对密度变化情况3.4试验件制备及结果结合仿真模拟结果，对 33 栅格翼试验件开展试制工作，经热等静压成型及包套去除后，其试验件如
11、图 10所示。图 10栅格翼试验件在试验件本体取金相试样进行观察如图 11 所示，晶IM航空航天22 2023年增刊粒较小，未发现原始颗粒边界，晶界部位存在碳化物，主要强化相为，不存在疏松、缩孔等不致密缺陷。图 11金相图片4结束语1）采用 Marc CN 软件对栅格翼试验件粉末冶金热等静压工艺过程进行模拟研究，结果表明，该工艺方案能够使产品整体相对密度达到 0.990 以上，但由于包套底部壁厚较大，其产品底部大约 4mm 高度带的相对密度较差，最小值为 0.933。2）根据仿真模拟分析，建议在保证包套强度条件下，减少包套厚度，使外部压力有效作用在粉体，以提高产品整体相对密度，保证产品质量。3
12、）结合仿真模拟结果，制备出 33 栅格翼试验件，并取金相，对其致密化程度进行检测，发现组织晶粒较小，未发现原始颗粒边界，不存在疏松、缩孔等不致密缺 陷。参考文献1 黄伯云，韦伟峰，李松林，等现代粉末冶金材料与技术进展 J中国有色金属学报，2019，29(9)：1917-19292 黄培云粉末冶金原理 M北京：冶金工业出版社，19973 AKHTAR S，SAAD M，MISBAH R M，et alRecent advancements in powder metallurgy：a reviewJMaterials Today：Proceedings，2018，5(9)：18649-18655
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