數值模擬驅動下GH4169合金鍛造過程變形均勻性調控及工藝適配性研究——結合高溫合金在航空航天石油化工等領域的廣泛應用，針對其鍛造過程中組織不均勻芯部難鍛透等關鍵技術難題

GH4169屬于鎳基高溫合金，與美國牌號為Inconel718的合金成分相似，是所有高溫合金中應用最廣泛、生產最穩定的合金之一。GH4169合金因其優異的綜合性能和高溫穩定性被廣泛應用于航空航天、石油化工和核能發電等多個領域。作為航空航天領域的重要材料，GH4169合金主要應用于渦輪盤、壓氣機葉片和機匣等熱端動力零部件。這些結構件通常服役于交變載荷、交變溫度等惡劣條件，要求其具有良好的抗疲勞和抗蠕變性能。

鍛造是根據金屬本身的塑性特性，對其開展變形工藝處理，利用金屬處于高溫狀態下的可塑性，將其塑造成特定形狀，是有效調控合金組織與性能的關鍵工序。而GH4169合金有著較大的變形抗力和較小的加工溫度區間，故其加工性能較差。因其復雜的熱加工變形過程，有限元模擬軟件逐漸成為分析工件在其復雜加工工況下各參數變化的熱門工具。

喬世昌等通過實驗與數值模擬結合的手段，系統研究了高溫合金在熱變形過程中的動態再結晶[Dynamic Recrystallization,DRX]行為及其與熱力參數的關聯性。喬世昌等利用Gleeble-3800D熱模擬機對Ni-Co-Cr基粉末高溫合金進行熱壓縮試驗，結合DEFORM-3D有限元模擬及微觀表征[金相、電子背散射衍射技術]分析，發現合金的軟化機制主要由DRX主導，其中不連續動態再結晶[Discontinuous Dynamic Recrystallization,DDRX]因晶界弓出形核效應成為關鍵機制。類似地，Chamanfar等[]針對鎳基合金的等溫鍛造過程，采用DEFORM-3D軟件構建了包含熱力耦合效應的有限元模型，探討了980℃~1140℃及0.01~1s~1條件下DRX的動力學響應。在所研究的條件下，鍛件內部熱變形參數和溫度的分布是不均勻的。最大應變、應變速率和溫度主要出現在鍛件的邊緣和中心。鍛件組織不均勻，即DRX體積分數和平均晶粒尺寸分布不均勻。

魏振等利用Fortran語言將修正前后的組織模型分別寫入程序，并經Simufact Forming軟件調用后對GH4169合金的環軋過程進行了微觀組織模擬，建立了可實現各工藝流程間組織遺傳的數值模擬方法，并通過實驗驗證了適配性修正后組織演化模型的正確性和該模擬方法的可行性。靳盛哲等為探究孔擠壓工藝在鎳基高溫合金上的應用，建立了鎳基高溫合金GH4169孔擠壓工藝的數值模擬方法，并通過試驗驗證了方法的有效性，討論了芯棒材料、擠壓量和摩擦因數對周向殘余應力分布的影響規律，并得到了擠壓量和摩擦因數的優選范圍。

綜上所述，大多數學者都是針對合金熱變形的單一工序進行仿真模擬，并沒有針對一整套工藝流程進行模擬。大規格GH4169合金鍛件的鍛造加工全流程模擬研究也較少。如果通過實際生產方式確定合理的工藝參數，不僅耗時長、成本高，而且難以觀察到鍛件芯部區域的變形情況，難以確定工件芯部性能是否達標。而本研究使用Si-mufact Forming有限元軟件實現了對 GH4169合金完整鍛造過程的仿真模擬4，數值模擬的方法不僅節省了時間和成本，而且獲得了鍛造變形過程中整個鍛件的溫度場和應變場分布情況，對工藝方案的制定提供了幫助，為實際鍛造生產提供參考價值。

1、有限元模型建立

1.1幾何模型

根據某企業生產的工件實際尺寸，在Simufact Forming軟件中設置GH4169工件尺寸為508mm 1000mm，砧子尺寸為450mmx200mmx650mm，機械夾持手尺寸為300mmx100mmx400mm，實際有限元模型、實際鍛造生產過程以及模擬鍛造示意圖如圖1所示，模型劃分網格采用六面體單元,網格數量為30000。

1.2參數的設定

1.2.1材料參數的輸入

在 Simufact Forming材料庫中選擇 Inconel718合金,將 GH4169的化學成分[表 1]以及熱物性參數[圖 2]導入,完成材料的熱導率、比熱容等參數的設定。工件初始溫度設置為  1100 °C、砧子初始溫度設置為  400 °C,根據相關資料選取摩擦系數為  0.4 [15?16],其他參數按照默認不進行修改。

在熱加工過程中,金屬材料應變速率、變形溫度和應變是影響其流變應力的重要因素,而本構方程能夠準確地描述這些參數之間的關系。目前使用最為廣泛的一種模型是 Arrhenius方程  [17],該模型的表達形式如下:

式中 A、  α、n一分別為材料常數,其中  α =  β/n, β為高應力區的應力敏感系數;  ε ˙一應變速率,  s ?1; σ一流變應力, MPa; Q一熱變形激活能, J/mol; R一氣體常數,取值為 8.314 J/[mol-K]; T一變形溫度, K。

在低應力狀態下,該模型可以簡化為如下指數函數形式:

在高應力狀態下,該模型可以簡化為如下指數函數形式:

結合上述GH4169的本構方程,對 Simufact Forming材料庫中 Inconel718材料的屬性進行修正,使其符合模擬 GH4169鍛造所需的流變應力方程。

表 1 GH4169合金化學成分質量分數[單位:%]

1.2.2鍛造工藝的設置

某企業實際鍛造生產工藝由七個火次構成[表 2],該鍛造工藝前三個火次包含了鐓粗、拔長與加熱過程,后四個火次只涉及拔長和加熱過程。使用 Simufact Forming軟件開展模擬時,初始鐓粗過程采用熱鍛模塊[該模塊集成鐓粗功能],而拔長工藝的模擬需調用自由鍛模塊中的開坯鍛造或徑向鍛造功能  [18]。在選取相應模塊開展第一火次鐓粗過程模擬時,需依次導入鍛件三維初始幾何模型、材料參數、初始溫度場、摩擦因子,以及砧子與機械夾持手的幾何模型  [19]。工件、砧子與機械夾持手的位置關系需進行精確定位調整,通過軟件內置的定位功能,借助旋轉、平移及重合約束等操作實現三者空間位置的協同優化  [20]。在設置單火次內的多道次工藝時,由于存在往復鍛造,需在每一道次中選擇軟件的固定送料模式,并對坯料旋轉角度進行參數化設置,以使模擬過程能夠自動識別位置參數,完成道次間的工藝銜接。

實際生產的鍛造流程具有連續性特征[2]。為等效實現模擬過程的工藝,利用 Simufact Forming軟件的多工序耦合功能。具體而言,在完成每個火次模擬,以及同一火次內鐓粗、拔長等不同工步的模擬后,需重新生成包含該階段結束時鍛件的應變、溫度等信息的幾何模型。為后續模擬過程提供可直接調用的幾何模型,從而實現多工序間的數據傳遞與耦合,確保模擬結果的物理真實性。

表2 實際鍛造工藝

1.2.3確定劃分網格數量

劃分不同網格數量對第一火次的鐓粗 1、拔長1過程進行模擬。劃分網格數量為[20000、30000、40000]，圖3、圖4為不同網格數量的模擬結果。

從模擬結果分析可得，在30000與40000網格數量下模擬結果相差較小，但與20000網格數量下的模擬結果差別大2。在30000網格數量下，相較于20000網格數量，其等效應變分布能更細致地反映材料變形的局部特征，精準度有較大提升，可更準確地反映鐓粗拔長過程中的變化規律;另一方面，與40000網格數量相比，30000網格數量在保證較高模擬精度以滿足工程分析需求的同時,能有效控制計算規模,降低計算時間與資源消耗，實現了模擬精度與計算效率的較好平衡，更適用于工程實際中的鐓粗拔長工藝模擬分析。

2、模擬結果與分析

2.1鍛件變形分析

如圖5與圖6所示，數值模擬所得的完整鍛造工藝流程和工件外形演變過程，與實際工藝規范呈現高度吻合性[23-24]。模擬結果表明:在鐓粗變形階段,初始圓柱狀坯料因上下端面與砧塊間的摩擦約束效應，導致端面區域金屬流動受阻，等效應變分布呈現顯著梯度。中心區域因變形量較大產生更高的變形熱，促使金屬流動性增強，進而形成中部外凸的鼓形。在多道次拔長工藝實施過程中，坯料經往復鍛造逐步演變為八邊形截面，其軸向長度隨變形累積呈現規律性延展。值得注意的是，當工藝完成后，工件頭尾端出現的中心凹陷，本質上是由于芯部金屬在應力狀態下的流動滯后于表面金屬，在表面變形的牽引作用下，中心區域因金屬補充不充分而形成幾何凹陷。該演變規律與基于金屬流動理論的分析具有良好的一致性，驗證了模擬工藝參數設置的合理性與變形機制分析的準確性。

2.2溫度場分析

鍛造生產中，鍛件溫度對鍛件成形質量至關重要，合理的溫度可以加快鍛造效率和提高產品良率，同時要考慮到由于鍛造引起的內部升溫對芯部區域的影響，確保芯部不會因為溫度太高[過燒]而影響最終性能。

為了更好了解整個鍛件不同部位的溫度、等效應變的變化，從鍛件中選取了標號為2、1和3的三個點，分別位于端面區域、芯部區域和側表面區域，運用后處理點追蹤技術分析三個區域溫度、應變的變化規律。

圖7與圖8所示為模擬結果及鐓粗1階段鍛件特征點追蹤溫度分布曲線，通過分析可知，三次鐓粗過程均呈現顯著的溫度梯度特征:工件外表面溫度較低，且由表層向芯部呈現遞增趨勢。該現象歸因于鐓粗變形過程中，芯部區域經歷了更大的塑性變形，累積的變形功轉化為熱能，導致顯著的溫升效應。與此同時，鍛件端面與低溫砧具及外界空氣直接接觸，通過熱傳導和對流作用形成高效散熱通道，致使表層溫度快速下降;加之鐓粗過程持續時間較短，芯部產生的變形熱尚未形成有效熱傳導至表面區域，從而維持了內外層的溫度差異。特征點溫度演化曲線進一步表明:端面與砧子接觸初期即出現急劇降溫，芯部溫度隨鐓粗進程保持穩定并略有上升，外表面溫度則呈現持續小幅下降趨勢。

在多道次拔長工藝階段，工件芯部溫度場表現出良好的一致性，主體區域溫度波動幅度較小。然而，工件表面因與砧子及環境空氣的散熱作用，形成明顯的低溫邊界。值得關注的是，工件頭尾端與其他部位存在顯著溫度差異，該區域因散熱面積相對較大且約束條件特殊，導致溫度衰減速率高于主體部分，進而在內外層間形成較大的溫度梯度。這種非均勻溫度分布可能導致材料邊緣與芯部的顯微組織和力學性能出現顯著差異，對獲得組織均勻、性能優異的鍛件產生不利影響。此外，部分芯部區域溫度的上升現象，可解釋為隨著變形量的累積，塑性變形能轉化的熱能逐漸超過熱耗散速率，使得材料內部溫度因變形功的持續輸入而呈現階段性升高。

2.3等效應變分析

等效應變的大小是評價鍛件鍛透性的重要指標，鍛件芯部發生較大的應變，有助于消除缺陷，改善組織性能。通過鐓粗工藝增加芯部應變，也可以改善后續拔長初期表面應變高而芯部應變低引起的不均勻變形，提高拔長過程中材料整體變形均勻性。

圖9、圖10為不同道次等效應變分布圖及鐓粗1階段特征區域應變變化趨勢圖，由圖可知，鐓粗變形過程中存在顯著的應變梯度:上下端面因受砧面摩擦約束作用，金屬徑向流動受阻，形成低應變區[應變值基本維持初始狀態]，而芯部區域因受邊界摩擦影響較小，成為主要變形區，其等效應變值顯著高于端面及表層區域。這種由摩擦導致的變形不均勻性，使得應變在截面內呈現“X”型分布特征，與砧子接觸的端面區域幾乎無變形，應變值由邊緣向中心逐漸增大，最終導致圓柱體坯料形成典型的鼓形畸變。

從應變幅值演變規律來看，鐓粗1、2、3階段的應變范圍分別為0.00~0.66、0.05~4.63、0.36~5.15,后兩個鐓粗過程的峰值應變與平均應變顯著高于首次鐓粗。這是由于在鐓粗 2和鐓粗 3前經歷了拔長工序，前期累積的塑性變形與當前道次應變發生疊加，體現了多工序耦合作用下的應變累積效應。

在拔長過程的等效應變分布中,坯料經鐓粗-拔長循環后，整體應變水平顯著提升，主體區域等效應變可達1.75以上，僅頭尾局部區域因邊界約束保持較低應變值。各拔長道次的峰值應變均出現在工件上下表面，這是由于砧面接觸時的摩擦阻力不僅限制了表面金屬的橫向流動，還促使變形能量在接觸區域集中釋放。芯部作為傳統認知中的“難變形區”，其應變值隨拔長次數增加而逐步增大，且沿工件軸向呈現近似周期性分布特征，表明多次拔長工藝有效促進了芯部材料的塑性流動。對比拔長階段可見，首道拔長的芯部應變幅值最小,而最后兩道次的芯部應變分布更為均勻,標志著工件芯部在多道次變形中逐漸實現“鍛透”，其截面應變分布呈現典型的“X”型分層特征，反映出表面強變形區與芯部弱變形區的動態演化過程。

2.4關鍵點溫度變化分析

在 Simufact Forming軟件中選取工件的芯部、端面以及表面三點，如圖11所示。在后處理中提取三點在整個鍛造過程中的溫度數據，分析整理出溫度隨時間變化的曲線圖，見圖12。

GH4169圓柱件鍛造時，芯部、表面及端面溫度隨時間呈周期性波動，與火次工藝緊密相關。前三個火次中，鐓粗、拔長階段塑性變形產生，變形熱使各部位升溫，芯部因變形熱直接作用且熱傳導滯后，升溫更顯著;保溫階段，表面和端面因與外界熱交換強而降溫更明顯，芯部溫度相對穩定，形成芯部與表、端面的溫度差。后四個火次，拔長變形生熱使溫度上升，保溫階段熱傳遞與熱交換規律同前，表面、端面散熱快，中心溫度仍相對更高。整體上，多次塑性變形生熱與保溫階段熱傳導、熱散失的交互作用，驅動溫度場隨工藝動態演化，中心溫度因熱傳導滯后和變形熱直接作用，始終相對高于表面與端面，表面和端面溫度更易受外界熱交換影響。

3、結論

1]基于Simufact Forming有限元平臺，構建了包含工件、砧子及機械夾持手的三維熱力耦合模型，針對GH4169合金開坯鍛造工藝，成功模擬了鐓粗-拔長多工序耦合過程。通過數值模擬獲得的鍛件溫度場與等效應變場分布。對實際生產工藝的改進優化具有指導意義，為復雜合金鍛造過程的工藝優化提供了可靠的數值分析依據。

2]鐓粗變形階段，工件端面因與低溫砧具接觸產生強烈熱傳導，同時受邊界摩擦約束導致變形量受限，形成溫度與等效應變的雙低值區;芯部區域則因集中的塑性變形產生顯著的變形熱效應，且熱量難以向表面耗散，使得該區域的溫度與等效應變均顯著高于周邊區域，呈現典型的“中心高、邊緣低”的梯度分布特征。

3]拔長過程中，工件表面因直接參與砧面接觸變形及環境熱交換，表現為高應變值與低溫度值的耦合特征;芯部作為難變形區，其塑性應變隨拔長道次增加而逐步累積，隨著變形能量的深入傳遞，芯部材料逐漸被“鍛透”，等效應變呈現沿軸向的周期性分布規律。這種多工序耦合作用下的變形一傳熱行為，揭示了復雜鍛件內部組織性能調控的關鍵機制。

參考文獻

[1]董兆偉，徐奎奎，孫立輝，等.大型GH4169合金鍛造棒組織缺陷分析[J].鑄造技術，2021,42[3]:180-183+187.

DONG Z W,XU K K,SUN L H,et al. Defect analysis of large GH4169 alloy forged bar[]. Foundry Technology,2021,42[3]:180-183+187.

[2]張士宏，劉家旭，張海燕，等.GH4169合金塑性加工成形與組織調控方法綜述[J].塑性工程學報,2024,31[4]:74-91.

ZHANG S H, LIU J X, ZHANG H Y, et al. Review of plastic processing and microstructure control method of GH4169 alloy[J]. Journal of Plasticity Engineering,2024,31[4]:74-91.

[3] WANG J G, LIU D, YUAN Y J, et al. Deformation characteristic and microstructure evolution of GH4169 alloy induced by axial upsetting and axial rotary forging.Materials Characterization,2022,191:112136.

[4]裴丙紅.GH4169合金鍛造工藝對晶粒尺寸影響研究[].特鋼技術,2015,21[2]:34-37.

PEI B H. Influence of forging process on grain size of GH4169 alloy[J]. Special Steel Technology,2015,21[2]:34-37.

[5]姚彥軍，葉寧.鍛造參數對GH4169葉片成形及組織的影響[J].鍛造與沖壓，2022[23]:30+32+34+36+38.

YAO Y J,YE N. Effect of forging parameters on the formability and microstructure of GH4169 steel blade[J].Forging& Metalforming,2022[23]:30+32+34+36+38.

[6] WANG Z B,HOU G S,ZHAO Y,et al. Characterization of residual stresses and grain structure in hot forging of GH4169[]]. Aerospace,2022,9[2]:92.

[7] MA B Q, JIN W J, KANG J,et al. Hot deformation behavior of GH4169 superalloy with high proportion of recycled material addition and initial dendrite structure[J].Journal of Alloys and Compounds,2024,1007:176352.

[8]喬世昌，王巖，呂良星，等.Ni-Co-Cr基粉末高溫合金動態再結晶的有限元模擬與實驗研究[].中南大學學報[自然科學版]，2021,52[10]:3405-3418.

QIAO S C,WANG Y,LYU L X,et al. Finite element simulation and experimental research on dynamic recrystallization of Ni-Co-Cr-based PM superalloy[]. Journal of Central South University[ Science and Technology],2021,52[10]:3405-3418.

[9] CHAMANFAR A, VALBERG H S, TEMOLIN B, et al.Development and validation of a finite-element model for isothermal forging of a nickel-base superalloy[J]. Materialia,2019,6:100319.

[10]魏振，李昕，江河，等.GH4169合金環軋過程組織模型適配性研究及應用[J/OL].金屬學報，1-18[2025-05-10]. https://link.cnki.net/urlid/21.1139.tg.20241125.1700.004.

WEI Z,LI X,JIANG H,et al. Study on the adaptability of microstructure models in the ring rolling process of GH4169 alloy and its application[J/OL]. Acta Metallurgica Sinica, 1-18[2025-05-10]. https://link.cnki.net/urlid/21.1139.tg.20241125.1700.004.

[11]靳盛哲,胡殿印,劉輝,等.鎳基高溫合金GH4169孔擠壓強化數值模擬方法及參數影響[1].航空動力學報,2020,35[1]:30-40.

JIN S Z,HU D Y,LIU H,et al. Numerical simulation method and investigation of cold expansion processing parameters of nickel-based superalloy GH4169[I]. Journal of Aerospace Power,2020,35[ 1]:30-40.

[12] WEI Z,JIANG H,DONG J X. A new evaluation method of mixed-grain in finite element simulation during ring-rolling of superalloy[J]. Journal of Materials Research and Technology,2025,36:1912-1916.

[13]張炯，華成強.基于Simufact Forming的細長軸連續徑向鍛造數值仿真[].熱加工工藝，2019,48[23]:126-129.

ZHANG J,HUA C Q. Numerical simulation of continuous radial forging for slender shaft based on Simufact Forming[I]. Hot Working Technology,2019,48[23]:126-129.

[14]曲雪苓.基于Simufact Forming的渦輪葉片熱鍛模具磨損計算機仿真分析[J].熱加工工藝，2018，47[21]:196-198+202.

QU X L. Computer simulation analysis on wear of hot forging die for turbine blade based on Simufact Forming[J].Hot Working Technology,2018,47[21]:196-198+202.

[15] YANG X W,LI W Y,LI J,et al. FEM analysis of temperature distribution and experimental study of microstructure evolution in friction interface of GH4169 superalloy[]. Materials& Design,2015,84:133-143.

[16]劉明哲.資源節約型GH4169合金熱變形行為及鍛造模擬研究[D].秦皇島:燕山大學，2022.

LIU M Z. Study on hot deformation behavior and forging simulation of resource-saving GH4169 alloy[D]. Qin-huangdao: Yanshan University,2022.

[17] SELLARS C M,MCTEGART W J. On the mechanism of hot deformation[J]. Acta Metallurgica,1966,14[9]:1136-1138.

[18]劉宇，徐亮，左世斌，等.GH4169高溫合金十二角頭螺栓鍛造工藝數值模擬研究[].機電產品開發與創新,2025,38[1]:161-164.

LIU Y,XU L,ZUO S B,et al. Numerical simulation research on forging processing of GH4169 high temperature alloy 12-point head bolt[1]. Development& Innovation of Machinery& Electrical Products, 2025, 38[1]:161-164.

[19] JIAO Y X,QI Q Q,GONG Y M,et al. Research on hot deformation behavior and microstructure evolution mechanism of GH4169 superalloy[J]. Materials Today Communications,2024,40:109958.

[20]馮璐，馮曉花，宗師，等.GH4169合金大型渦輪盤模鍛件環軋制坯鍛造工藝研究[J].鍛造與沖壓，2022[11]:59-62.

FENG L, FENG X H, ZONG S,et al. Study on forging process of a heavy GH4169 alloy turbine disk forging with a preform made by ring rolling[]. Forging& Metalforming,2022[11]:59-62.

[21] WANG J G, LIU D, YUAN Y J,et al. Deformation characteristic and microstructure evolution of GH4169 alloy induced by axial upsetting and axial rotary forging[J].Materials Characterization,2022,191:112136.

[22] BARTON G,LI X,HIRT G. Finite-element modeling of multi-pass forging of nickel-base alloys using a multi-mesh method[J]. Materials Science Forum, 2007, 539/540/541/542/543:2503-2508.

[23]楊杰.大鍛件用26Cr  2 Ni  4 MoV鋼熱變形行為研究[D].馬鞍山:安徽工業大學，2021.

YANG J. Research on hot deformation behavior of 26Cr2Ni4MoV steel used for large forgings[D]. Ma'an-shan: Anhui University of Technology,2021.

[24]馬小麗，孫紅旗.高溫合金GH4169高速銑削力試驗研究[].佳木斯大學學報[自然科學版]，2017,35[4]:611-613+636.

MA X L,SUN H Q. The high-speed milling force experiments on high temperature alloy GH4169[]. Journal of Jiamusi University[Natural Science Edition],2017,35[4]:611-613+636.

（注，原文標題：大規格GH4169合金棒材鍛造過程數值模擬研究_袁嘉澳）