1-6、集成计算材料工程在装备制造的应用

李萌蘖

昆明理工大学材料科学与工程学院

摘要：集成计算材料工程把材料性能参数和计算模型集成到材料制备加工过程数值模拟仿真，预测材料在制备加工过程中的微观结构和性能变化，评价材料加工性能和产品使用性能，进而设计和优化材料成分、制造工艺流程和产品性能，是集成产品研发的关键环节。

集成计算材料工程广泛应用于装备制造业的产品研发和工艺优化。材料成分设计通过正交设计材料成分组合和性能计算结果进行统计分析进行优化。装备构件制造过程中材料铸造凝固、锻造成形、热处理改性及焊接组装整个工艺流程以有限元分析为平台，结合二次开发子程序包定义加工过程的边界条件和材料本构关系集成到有限元传热和应力计算模型，预测材料在加工过程中的温度、组织转变、性能、应力与变形。

镍基合金成分控制是保证其精密铸件结构完整性，减少缺陷和补焊工作量的一个关键。研究选取718合金中包括Al、B、C、Fe、Ti和Nb的6个合金元素设计3水平成分组合，利用JMatPro计算不同成分组合的凝固性能，统计分析导出计算其液相温度、固相温度、凝固潜热，凝固收缩率的计算公式，结果表明Ti同时降低液温度、固相温度和凝固收缩率，Fe增大凝固潜热，Al增大凝固收缩率，因此必须严格控制Al含量，适当提高Ti含量，防止718合金精密铸件的热撕裂。

钢锭模设计是保证大型钢锭品质，提高钢锭利用率的一个关键。研究借助有限元软件ProCAST进行凝固模拟计算，系统分析钢锭模锥度、棱数、高径比对110吨钢锭凝固过程的影响，确定有利于夹杂物上浮和减少缩孔疏松的最佳锥度、棱数、高径比的范围，同时对冒口保温的层的设计进行优化。

数值模拟仿真是设计和优化大锻件热处理工艺提高锻件温度和组织性能均匀性、避免开裂的强有力的方法。研究借助有限元软件ABAQUS进行传热-应力耦合模拟计算，利用二次开发子程序film定义热处理过程中锻件与外部介质的换热边界条件，自定义状态变量表征微观组织参量和应力应变分量，在材料传本构模型UMATHT里的动力学计算与力学本构模型UMAT里的应力应变计算模型里进行计算更新，同步计算锻件内部温度、微观组织和性能、应力与变形，以温度均匀性、奥氏体化程度、微观组织与性能均匀性、应力与变形为判据对热处理工艺进行设计和优化。

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.106