时变工况下航空发动机涡轮盘热成形过程中的微观组织演变机制与多尺度建模

During the hot working of aeroengine turbine disks, different locations in the work material undergo a continuously varying thermal-mechanical conditions. However, laboratory tests are usually carried out under constant thermal-mechanical conditions. The corresponding results can not apply in the accurate prediction of microstructure evolution during industrial hot working. This project aims to reveal the hot deformation mechanism of turbine disk under varying thermal-mechanical conditions. Detailed research contents are as follows: 1) the evolutions of and interaction between flow stress, grain structure, subgrain, precipitation and dislocation density in turbine disk material will be studied; 2) constitutive models for dislocation density, nucleation and grain growth under varying thermal-mechanical conditions will be proposed based on the interaction between these micro features; 3) a multi-scale numerical model that could comprehensively describe the hot working of turbine disk will be established. The implementation of this program will provide important theoretical guidance for the manufacturing of high-quality aircraft engine turbine disk.

在航空发动机涡轮盘热成形过程中，材料内部各处变形温度和应变速率具有极强的时变性。然而，现有实验研究主要是在恒定工况下开展的，相关研究结果难以准确预测工业热成形强时变工况下的微观组织演变。因此，本项目拟通过实验和理论分析，研究航空发动机涡轮盘在时变工况下的热成形机理及形性协同制造规律。具体内容如下：1) 研究时变工况下涡轮盘材料流变应力、晶粒组织、第二相、亚晶、位错等宏微观特征的演变规律及相互作用机制；2) 基于微观特征的相互作用机制，纳入亚晶及取向差角的演变，建立考虑时变工况影响的位错密度演变模型、形核模型以及晶界迁移模型；3) 搭建可以全面描述涡轮盘在实际热成形过程中宏观形状以及微观组织演变的多尺度数值模拟平台，探索涡轮盘在热成形过程中的形性演变规律及机理。本项目旨在揭示复杂时变工况下航空发动机涡轮盘的形性协同制造规律，项目的研究成果可为航空发动机涡轮盘的品质提升提供理论指导。

在航空发动机涡轮盘热成形过程中，材料内部各处变形温度和应变速率具有极强的时变性。时变工况条件下的热变形特征与恒定工况条件下的有所不同，特别是当工况条件的变化十分剧烈时。为了能更精确地进行微观组织调控，本项目研究了时变工况条件下典型涡轮盘材料的热变形规律及机理，验证了“伪亚动态再结晶”现象，即应变速率突增后动态再结晶速度减缓的行为；将亚晶、取向差角以及位错密度演变纳入了动态再结晶元胞自动机模型的形核模型中，建立了可以全面描述涡轮盘材料热变形行为的数值模型；耦合了宏观有限元软件与所建立的动态再结晶元胞自动机模型，实现了涡轮盘热成形过程的多尺度模拟，模拟结果显示模锻成形中应注意避免伪亚动态再结晶的发生。这些研究成果可以为高品质航空发动机涡轮盘热成形工艺的制定提供理论指导。