GH4169材料是一种沉淀强化的镍基高温合金，在－253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，并且具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化和耐腐蚀性能，故常用于航空发动机的耐高温紧固件，以及核能、石油工业高温结构元件［1－3］。但GH4169材料的合金化程度高、导热性能差、切削温度高、加工硬化现象严重、切削力大，造成切削加工效率低、生产成本高，因此，GH4169高温合金螺栓基本均以热镦成形方式加工［4－5］。
本文以航天某型号火箭用超大规格（Ｍ40）GH4169高温合金螺栓为对象，采用数值模拟和实验相结合的方法，对螺栓六角头部热镦成形过程中的金属流动规律、成形过程中的载荷－时间曲线、金属流线分布、等效应力场分布进行了数值模拟分析，并进行了工艺实验，对数值模拟结果和工艺的可行性进行了验证，为该类螺栓热镦成形工艺提供了一定的技术依据。
1、GH4169高温合金高温压缩实验及结果
1.1高温压缩实验
选择GH4169高温合金棒料，截取尺寸为Φ8mm×12mm的试样［６］，如图1所示。
利用Ｇｌｅｅｂｌｅ-1500Ｄ热模拟试验机对试样进行单道次压缩实验。为了研究变形量一定时不同变形温度和应变速率对材料热变形抗力的影响，制定了不同变形温度和应变速率下的高温压缩实验方案，如表1所示。
1.2变形结果分析
1.2.1不同变形温度下的真应力－真应变曲线图2为变形量为70％、应变速率为0.1ｓ-1时，不同变形温度下GH4169高温合金的真应力－真应变曲线。从图2中可以看出，无论在何种变形温度下，真应力－真应变曲线均是先升高而后稍微有所降低。
主要是因为：在变形的初始阶段，位错运动的能力比较弱，其发生攀移的可能性很小，在此阶段材料产生加工硬化作用，其变形抗力逐渐增大，随着变形量的不断增加，材料发生动态再结晶，而动态再结晶具有一定的软化作用，消除了一部分的加工硬化作用，因此，变形抗力又稍有降低。由图2可知，变形温度对GH4169高温合金变形抗力的影响较大，变形温度越高，变形抗力越小。图3为变形量一定、应变速率为0.1ｓ-1时，GH4169高温合金的峰值应力与变形温度的关系。从图3中可以看出，GH4169高温合金的峰值应力与变形温度基本呈线性关系，变形温度越高，峰值应力越小。
1.2.2不同应变速率下的真应力－真应变曲线
图4为变形温度为1050℃、应变速率分别为0.01、0.1、1和10ｓ-1时，GH4169高温合金的真应力－真应变曲线。
从图4中可知，在变形温度和变形量一定时，应变速率越大，材料的变形抗力越大。这主要是因为：在变形初始阶段，变形速度越快，位错的增值速度越快，材料产生的加工硬化作用越明显，其变形抗力也越大。
2、GH4169高温合金螺栓的热镦工艺方案制定
GH4169高温合金螺栓锻件如图5所示，头部和底部的截面尺寸相差较大，变形量较大。
根据等截面原则，选择GH4169高温合金棒料的规格为Φ42mm，为确保锻件不出现缺料、飞边等缺陷，必须合理确定下料长度。
可根据等体积法计算出坯料的长度，计算公式如下［7］：
式中：Ｖｍ为坯料体积；ＶＤ为锻件体积；δ为火耗，对于感应加热来说，一般取δ＝1％。
经过计算，选择下料尺寸为Φ42mm×205mm。
3、GH4169高温合金螺栓热镦工艺数值模拟及结果分析
3.1有限元模型建立
根据GH4169高温合金螺栓锻件图，绘制出锻件三维模型和相应模具模型，主要组成有冲头、坯料和凹模，图６为有限元模型装配图。
3.2模拟参数设置
由于Ｄｅｆｏｒｍ3Ｄ材料库中没有GH4169高温合金的真应力－真应变曲线，为了模拟结果的准确性，首先进入Ｄｅｆｏｒｍ-3Ｄ前处理，将高温压缩实验得到的GH4169高温合金的真应力－真应变曲线数据导入到Ｄｅｆｏｒｍ-3Ｄ材料库，然后将有限元模型导入Ｄｅｆｏｒｍ-3Ｄ中，坯料温度设定为1050℃，冲头速度根据实际工况设定为20mm·ｓ－1，为了研究摩擦因数μ对成形载荷的影响，分别设定μ＝0.3和μ＝0.5进行模拟［8］。
3.3模拟结果分析
3.3.1不同摩擦因数下的载荷－时间曲线图7为μ＝0.3和μ＝0.5时，GH4169高温合金螺栓在热镦成形过程中的载荷－时间曲线。从图7中可以看出：在变形的初始阶段，两条曲线基本重合，且载荷较小，主要是因为该阶段为自由镦粗阶段，坯料与模具并未接触，成形力较小；随着变形的进行，金属逐渐与模具型腔接触，随着接触面积的增大，金属流动阻力也逐渐增大，因此载荷迅速增大；在最后阶段，金属材料与模具型腔形成封闭空间，金属难以流动，因此成形力急剧增加。从图7中可以看出，摩擦因数越大，最后阶段的成形力越大，μ＝0.3时，最大载荷为3.5６×10６Ｎ，μ＝0.5时，最大载荷为4.11×10６Ｎ。这说明在GH4169高温合金螺栓的热镦成形过程中，模具润滑十分重要，润滑条件直接影响最后的成形力，良好的润滑不仅可以显著降低成形力，并且有利于金属流动［９］。
3.3.2等效应力分布
通过等效应力分布可以看出在成形过程中金属容易产生应力集中的部位，从而有针对性地设计模具结构，例如：将易损坏的模具采用分体结构，从而降低模具成本［10］。图8为 GH4169高温合金螺栓热镦成形过程中的等效应力分布。
从图8中可以看出，在自由镦粗变形阶段，只有冲头和坯料接触，等效应力较大的地方出现在坯料上端面，随着变形的进行，凹模、冲头全部与坯料接触，形成封闭模腔，等效应力也随之变大，最大等效应力出现在坯料的上端面位置，最大等效应力为275MPa。
这主要是因为：在热镦成形过程中，冲头轴向挤压力的主要作用面为坯料的上端面所致。
3.3.3损伤值分布
通过损伤值分布可以预测在成形过程中容易出现裂纹的区域，然后通过改变成形工艺来减少该部位产生裂纹的倾向［11］。图９为GH4169高温合金螺栓在热镦成形过程中的损伤值分布，其中，损伤值是交叉孔洞面积与原始面积的比值。
从图９中可以看出，最大损伤值总是出现在螺栓头部与凹模接触的区域，特别是６个棱角处的损伤值最大，因此，在进行模具设计时需要考虑增加圆角。
3.3.4金属流线分布
良好的金属流线一般沿着零件的轮廓方向，可以使零件的力学性能显著提高［12］。图10为成形最后GH4169高温合金螺栓的金属流线分布，从图10中可以看出，其头部金属流线基本沿着其轮廓分布。
4、GH4169高温合金螺栓热镦工艺实验
利用数值模拟分析得到的热镦工艺参数，结合现有成形设备，设计并加工相应模具，进行了工艺实验，实验得到的GH4169高温合金螺栓锻件充填饱满，经过测量，尺寸符合设计要求。图11为实验过程中不同压下量下得到的GH4169高温合金螺栓实物，图12为与之对应的数值模拟过程中坯料在不同压下量下的成形示意图，可以看出数值模拟结果和实验结果基本一致。图13为GH4169高温合金螺栓头部的金属流线分布，其流线基本沿锻件的轮廓方向分布，与模拟得到的金属流线分布基本一致，未出现流线缺陷。
5、结论
（1）通过高温压缩实验，得到了GH4169高温合金的真应力－真应变曲线，为热镦工艺模拟提供了接近实际工况的数据，使得模拟结果更加准确。
（2）应变速率一定时，随着变形温度的升高，材料的变形抗力逐渐降低。变形温度一定时，随应变速率的增大，材料的变形抗力逐渐增大。
（3）模拟结果和实验结果基本一致，工艺实验得到的GH4169高温合金螺栓锻件充填饱满，尺寸和性能均达到了航天某型号火箭的使用需求，为该类产品的实际生产提供了一定的技术依据。
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