航空发动机涡轮盘的(近)等温模锻成形及组织性能精确控制机理研究

The manufacturing of the high quality turbine disks is the pivotal task for the development of advanced aeroengines. The die forging using package insulation is currently used to manufacture turbine disks in our country. However, there are some shortcomings, such as low material utilization ratio and instable quality (e.g., poor uniformity of microstructure, unreasonable state/ morphology/distribution of precipitated phase, easily crack, and deformation). According to these bottlenecks of the manufacturing of turbine disks, the synergy mechanisms of the shape and quality during (near) isothermal-forging process will be investigated in this project. The main contents include: (1) the synergy mechanisms of high-temperature flow law and microstructures-properties evolution of the typical nickel-based superalloy will be studied and the thermal-mechanical coupling conditions for controlling the best forged microstructures will be determined; (2) the mechanisms of damage nucleation and propagation in the forgings during the forming process of turbine disks will be studied, and the method to control damage will be proposed; (3) Multi-field and multi-scale numerical simulation platform will be carried out to study the forming process of turbine disks. The genetic characteristics of microstructures during the overall forging process will be studied, and the control mechanisms for the best final microstructures and properties will be obtained; (4) Models will be established to describe the temperature changes of the forgings and dies, and the method to compensate the temperatures for forgings will be proposed for the best flow lines and microstructures. Based on the above investigations,the manufacturing law to describe the microstructural evolution, properties generation, shape forming and precision creation will be revealed for the overall manufacturing process of turbine disks. These mechanisms and laws obtained from this project can be used as the theoretical basis of (near) isothermal-forging process of turbine disks for the advanced aroengines.

高性能涡轮盘的制造是先进航空发动机研制的关键任务。本项目拟针对目前涡轮盘模锻成形技术（用包套保温）所面临的材料利用率低、品质不稳（如晶粒组织均匀性差、沉淀相的种类/大小/分布不合理、局部区域易开裂/变形）等瓶颈问题，深入研究涡轮盘（近）等温模锻成形的形性协同机制，拟开展如下工作：（1）研究典型镍基变形高温合金的高温流变规律与组织性能演变的协同机制，确立生成最佳锻件基体组织的热力耦合条件；（2）研究涡轮盘成形过程中坯件损伤萌生－扩展机理，提出抑制损伤的方法；（3）建立涡轮盘成形成性的多场多尺度数值仿真模型，研究热加工全流程组织遗传特征与最终状态控制机理；（4）建立成形过程中坯件温度场与模具温度场的关联模型，提出基于最佳流线分布与组织特征的坯件温度补偿策略。揭示涡轮盘模锻件全制造过程从微观组织演变与性能生成到宏观成型及精度创成的制造规律，为完善和推动航空发动机涡轮盘的制造技术提供理论依据。

高性能涡轮盘的制造是先进航空发动机研制的关键任务。本项目针对目前涡轮盘锻造成形技术所面临的材料利用率低、品质不稳等瓶颈问题，深入研究了涡轮盘（近）等温模锻成形的形性协同机制，具体工作包括以下几方面：（1）研究了典型镍基变形高温合金的高温流变规律与组织性能演变的协同机制，建立了精确地流变应力本构模型与微观组织预测模型，确立了生成最佳锻件基体组织的热力耦合条件；（2）研究了涡轮盘用高温合金的高温拉伸变形特性，讨论了变形参数及δ相对材料拉伸断裂机理的影响，揭示了成形过程中坯件损伤萌生－扩展机理，提出了抑制损伤的方法；（3）建立了涡轮盘成形成性的多场多尺度数值仿真模型，研究了热加工全流程组织遗传特征与最终状态控制机理；（4）建立了成形过程中坯件温度场与模具温度场的关联模型，提出了模具、锻坯温度场的重构方法，形成了基于最佳流线分布与组织特征的坯件温度补偿与控制策略。本项目的研究揭示了涡轮盘模锻件全制造过程从微观组织演变与性能生成到宏观成型及精度创成的制造规律，为完善和推动航空发动机涡轮盘的制造技术提供理论依据。项目负责人以第一作者或通讯作者发表学术论文58篇（其中SCI收录55篇、EI收录58篇）、申请国家发明专利21项（授权11项）、获湖南省自然科学一等奖1项，培养出站博士后1名、在站博士后1名、毕业博士生3名、毕业硕士生6名。项目负责人获国家万人计划领军人才（2017年）、教育部长江学者奖励计划（青年学者，2015年）、科技部中青年领军人才（2016年）、湖南省科技领军人才（2016年）、湖南省杰出青年基金获得者（2015年）、中国高被引学者（爱思唯尔公司公布，2015年、2016年）等荣誉。