镍基高温合金热挤压过程的数值模拟仿真

镍基高温合金热挤压过程的数值模拟仿真

摘要

镍基高温合金以其卓越的高温强度、抗蠕变性能和抗腐蚀性，在航空航天、核能发电等高端制造领域占据不可替代的地位。然而，正是这些优异的服役性能使其热加工难度极高，晶粒粗化、开裂倾向和动态再结晶行为的复杂性构成了工艺控制的核心挑战。热挤压作为一种能够产生大变形并有效细化组织的成形技术，是制备镍基高温合金棒材和管材的关键工序。本文系统研究镍基高温合金热挤压过程的数值模拟仿真方法，从材料热变形机理出发，推导建立适用于有限元分析的弹塑性大变形本构关系，融合热-力-组织多场耦合理论框架，并基于MOOSE多物理场仿真平台，采用Python和Julia语言分别给出了完整的仿真代码实现。数值算例验证了所构建模型的有效性，分析揭示了温度场、应力场、应变场和微观组织演变的耦合机制。

关键词：镍基高温合金；热挤压；数值模拟；有限元法；本构模型；动态再结晶；多物理场耦合

1 引言

镍基高温合金是以镍为基体（含量通常超过50%），添加铬、钴、钼、钨、铝、钛等多种合金元素而形成的奥氏体型合金体系。其面心立方晶格结构赋予了优异的高温力学性能，使得这类材料能够在600–1200℃的严苛环境下长期服役。Inconel 718、GH4169、Inconel 625等牌号已广泛应用于航空发动机涡轮盘、叶片、燃烧室以及核反应堆关键构件中。据估算，单台先进涡扇发动机中镍基高温合金的用量占比可达40%以上。

然而，镍基高温合金的高合金化程度也带来了显著的热加工困难。以GH4169为例，其主要强化相γ′-Ni₃(Al, Ti)的体积分数高达40