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1、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
2、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 Temperature Field Simulation for Dual-property P/M Superalloy Turbine Disk Subjected to Gradient Heat Treatment Tian Gaofeng1 Jia Chengchang1 Wu Kai1 Liu Jiantao2 Hu Benfu1（1.School of M
3、aterials Science and Engineering,USTB,Beijing,100083;2.High Temperature Materials Research Institute,CISRI,Beijing,100081）Abstract The higher temperature capability,the longer service life and the lower cost are requested for turbine disk in gas advanced engine with a higher thrust/weight ratio for
4、jet aircraft.The dual-property turbine disk possesses a fine grain bore and coarse grain rim is a main development direction in manufacturing technologies of turbine disks.A simplified model was built to simulate the temperature field of FGH4096 superalloy turbine disk when it was subjected to gradi
5、ent heat treatment,the effects of various factors on temperature field were investigated in this paper.The results show furnace temperature affects little on the temperature field of a certain size of turbine disk,while synthesis coefficient of heat transfer and heat treatment time affect it to a gr
6、eat extent.Key words turbine disk,dual-property,numerical simulation,gradient heat treatment 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
7、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（Dual Microstructure Heat Treatment）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
8、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.1 A model of gradient heat treatment for the billet 1.2 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：x
9、Tqx=（1）式中，qx表示 x 方向上的热流密度，W/m2；是材料的热导率，W/（mK）；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：0 xyyTTTcQtxxy=（2）式中，为材料密度，kg/m3；C 为材料比热容，J/（kgK），x、y分别是材料沿 x、y 方向的热导率，W/（mK）；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
10、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()()sTh TTk TTn=+（4
11、）式中，h 为对流换热系数，0.8hK W=；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=+；、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.2 FEM model of turbine disk applie
12、d hot load 2 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 200 W/（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 a30min；b120min（炉温 1120，综合换热系数为 200 W/(m2)）Fig.3 The temperature fields o
13、f turbine disk at the heat treatment time a30min;b120min(Furnace temperature 1120,synthesis coefficient of heat transfer 200 W/(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 AE 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.4 The change of temperatures of various monitoring p
14、oints with heat treatment time 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 30
15、min 和 120min 时涡轮盘温度场云图 a30min；b120min（炉温 1150，综合换热系数为 200 W/(m2)）Fig.5 The temperature fields of turbine disk at the heat treatment time (Furnace temperature 1150,synthesis coefficient of heat transfer 200 W/(m2)图 6 各监测点温度随时间的变化曲线 Fig.6 The change of temperatures of various monitoring points with he
16、at treatment time 2007 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 AE 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，AE 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 a30min；b120min（炉
17、温 1150，综合换热系数为 340 W/(m2)）Fig.7 The temperature fields of turbine disk at the heat treatment time of(a)30min and(b)120min(Furnace temperature 1150,synthesis coefficient of heat transfer 340 W/(m2)图 8 各监测点温度随时间的变化曲线 Fig.8 The change of temperatures of various monitoring points with heat treatment tim
18、e 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，AE 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，AE 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.1 The temperatures and temperature gradients of A and E points 换热系数/W(
19、m2)1 温度/时间/min 200 1120 200 1150 340 1150 15 44831(787)45852(807)45971(926)30 5811076(495)5971105(508)6811134(453)45 8141096(282)8361126(290)9031142(239)60 9461107(161)9711136(165)10191146(127)90 10641116(52)10921146(54)11131149(36)120 11021119(17)11311149(16)11401150(10)44831(787)：A 点温度 44，E 点温度 83
20、1，E 点与 A 点之间的温度梯度为 787。双性能粉末高温合金涡轮盘梯度热处理的温度场模拟 在盘坯的梯度热处理过程中，选择合理的热处理工艺参数（炉温、换热系数和保温时间）对从轮缘到轮毂部位形成合理的温度梯度至关重要。参考国内外对一些合金进行梯度热处理选择炉温的经验，一般来说，炉温高于合金的相溶解温度 20408,9。炉温太高，轮毂部位晶粒容易长得粗大；炉温太低，轮缘形成不了粗晶组织，可导致炉温可选择的范围较小，因此，相对于保温时间和换热系数，炉温对涡轮盘温度梯度的影响较小。另外，为了避免在热处理过程中引发大的热应力，所形成的温度梯度不能太大，但也不能太小，否则不能产生理想的双晶粒组织。由上面
21、分析可得，减小换热系数可以得到较大的温度梯度，但会减低盘坯温度，延长晶粒长大时间，同时大的温度梯度会形成较大的热应力，因此梯度热处理工艺参数的选择过程中，在保证合适的温度梯度时，应保证尽可能减少热应力和热处理时间。3 结论 通过对 FGH4096 合金梯度热处理过程中的温度场有限元模拟，得到以下结论：（1）采用上述的梯度热处理模型完成双晶粒组织是可行的。（2）在涡轮盘尺寸一定情况下，炉温对涡轮盘温度梯度影响不大，保温时间和换热系数对其则有明显影响；保温时间越长，换热系数越大，盘坯温度梯度越平缓。参 考 文 献 1 Mourer D P,Raymond E,Ganesh S,et al.Dual
22、 alloy disk developmentA.Superalloy 1996C.Kissing R D,Deye D J,Anton D L,et al,TMS,Warrendale,PA,1996,782 2 Krueger D D,Bardes B P,Menzies R G,et al.Dual alloy turbine diskP.U.S.Patent 5161950,1992-11-10 3 Lemsky J.Assessment of NASA Dual microstructure heat treatment method for multiple forging bat
23、ch heat treatmentR.NASA/CR-2004-212950,NASA,GRC,Hanover,USA,2004 4 杨强生，浦保荣.高等传热学M.上海：上海交通大学出版社，2001 5 戚翠芬，齐琳.加热炉M.北京：冶金工业出版社，2004 6 刘庄.热处理过程中的数值模拟M.北京：科学出版社，1996 7 傅秦生，何雅玲.热工基础M.西安：西安交通大学出版社，2004 8 Gayda J,Gabb T,Kantzos P T.Mechanical properties of a superalloys disk with a dual grain structureR.NASA/TM-2003-212181,NASA,GRC,Cleveland,Hanover,USA,2003 9 Mourer D P,Williams J L.Dual heat treat process development for advanced disk applicationsA.Superalloy,2004C.Green K A,Pollock T M,Harada H,et al.TMS,Warrendale,PA,2004,401408