鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法以及裝置與流程

本發明涉及管材熱擠壓技術領域，具體而言，涉及一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法以及裝置。

背景技術：

隨著我國能源工業和石油化工工業的發展，鎳基合金無縫管材的需求量不斷增大，如700℃超超臨界火電站鍋爐所使用的過熱器管，石油開采所使用的油井套管，核電站蒸汽發生器的傳熱管等。鎳基合金無縫管材的生產主要通過熱擠壓結合冷軋的工藝方式，其中熱擠壓過程是整個生產的核心環節。作為一種特殊的熱變形方式，擠壓變形區三向壓應力狀態可以提高材料的變形能力，但由于鎳基合金自身的合金化程度較高，其高溫下的變形抗力較大，變形抗力隨溫度的變化非常敏感，并且熱擠壓過程本身伴隨著劇烈的局部升溫，所以鎳基合金管材熱擠壓過程涉及到復雜的熱力耦合作用，并同時具有明顯的時間效應。從目前國內企業的生產情況來看，鎳基合金管材熱擠壓的成材率普遍較低，存在荒管無法順利擠出(“悶車”)、荒管內部裂紋、表面質量差和內部組織無法達標等質量問題，且這些問題經常組合出現并存在相互制約。

熱擠壓荒管質量依賴于擠壓參數的優化，鎳基合金管材熱擠壓的核心工藝參數主要包括：擠壓速度，管坯預熱溫度和擠壓比。每種擠壓參數對熱擠壓荒管質量均具有較大的影響，并且各工藝參數之間存在相互作用。對于熱擠壓工藝參數的優化方法主要分兩類：第一類是在擠壓設備上進行實際試擠壓(試錯法)，摸索最優參數組合，此類方法需要消耗大量管坯，造成極高成本和資源浪費；第二類是采用數值模擬技術，通過計算機對擠壓過程進行仿真并調整工藝參數取值進而進行優化。目前，通過數值模擬方法優化管材熱擠壓參數的研究主要針對單一或部分荒管質量問題，并未 對實際生產中出現的問題進行綜合分析。由于各類質量問題存在相互關聯與制約，其中涉及變形、溫升和相變等材料行為，所以針對部分質量問題而優選出的工藝參數范圍較寬泛，無法對實際生產進行有效的指導。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明實施例的目的在于提供一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法以及裝置，能夠針對鎳基合金管材在熱擠壓過程中的多種工藝參數進行更加精確的獲取，對實際生產進行更加有效的指導。

第一方面，本發明實施例提供了一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法，包括：

對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取多組不同熱擠壓工藝參數備選數據下的管坯的優化判據數據；所述熱擠壓工藝參數包括：熱擠壓速度、管坯預熱溫度以及熱擠壓比；所述優化判據數據包括：擠壓全過程中管坯的最高溫度、擠壓全過程中模具的最高溫度、擠壓載荷峰值和荒管的晶粒尺寸；

構建每一種熱擠壓工藝參數與優化判據數據之間的關系曲線，并根據所述關系曲線以及預設的判據選擇條件，確定每一種優化判據數據所對應的熱擠壓工藝參數的取值區間；

對所有優化判據數據所對應的同一種熱擠壓工藝參數的取值區間進行交集處理，獲取熱擠壓工藝參數的優選取值。

結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中：所述對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取多組不同熱擠壓工藝參數取值下的管坯的優化判據數據具體包括：

獲取管坯材料的真應力-真應變曲線或者本構方程，并獲得所述管坯材料所對應的包含動態再結晶過程的組織演化數學模型；

根據所述真應力-真應變曲線或者本構方程，并根據所述組織演化數 學模型，使用有限元分析法對所述熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取每一組熱擠壓工藝參數取值下的管坯的溫度場分布數據、模具的溫度場分布數據、荒管的晶粒度分布數據和擠壓載荷隨時間變化數據；

根據所述管坯的溫度場分布數據、模具的溫度場分布數據、荒管的晶粒度分布數據和擠壓載荷隨時間變化數據，獲取每一組熱擠壓工藝參數取值下的管坯的優化判據數據。

結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中：還包括：調整熱擠壓工藝參數的取值，獲得多組熱擠壓工藝參數備選數據。

結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第三種可能的實施方式，其中：所述預設的判據選擇條件包括：管坯的最高溫度小于管坯材料的初熔溫度；模具的最高溫度小于模具材料的軟化溫度；擠壓峰值載荷不高于設備承載極限；荒管的晶粒尺寸與目標晶粒尺寸相差小于等于10μm。

結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第四種可能的實施方式，其中：所述獲取管坯材料的真應力-真應變曲線具體包括：

對管坯進行取材，獲取實驗樣品；

對實驗樣品進行高溫壓縮實驗，獲得管坯材料對應的真應力-真應變曲線；

其中，所述高溫壓縮實驗的溫度取值范圍為0.7*Tm～0.9*Tm，應變速率范圍為0.1s-1～10s-1；Tm為合金熔點。

結合第一方面，本發明實施例提供了第一方面的第五種可能的實施方式，其中：所述獲取熱擠壓工藝參數的優選取值之后，還包括：

使用所述優選取值，管坯材料進行實際驗證。

第二方面，本發明實施例還提供一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲 取裝置，包括：

數值模擬分析單元，用于對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取多組不同熱擠壓工藝參數備選數據下的管坯的優化判據數據；所述熱擠壓工藝參數包括：熱擠壓速度、管坯預熱溫度以及熱擠壓比；所述優化判據數據包括：擠壓全過程中管坯的最高溫度、擠壓全過程中模具的最高溫度、擠壓載荷峰值和荒管的晶粒尺寸；

關系曲線構件單元，用于構建每一種熱擠壓工藝參數與優化判據數據之間的關系曲線，

取值區間確定單元，用于根據所述關系曲線以及預設的判據選擇條件，確定每一種優化判據數據所對應的熱擠壓工藝參數的取值區間；

優選取值獲取單元，用于對所有優化判據數據所對應的同一種熱擠壓工藝參數的取值區間進行交集處理，獲取熱擠壓工藝參數的優選取值。

結合第二方面，本發明實施例提供了第二方面的第一種可能的實施方式，其中：所述數值模擬分析單元具體包括：

數據獲取模塊，用于獲取管坯材料的真應力-真應變曲線或者本構方程，并獲得所述管坯材料所對應的包含動態再結晶過程的組織演化數學模型；

有限元分析模塊，用于根據所述真應力-真應變曲線或者本構方程，并根據所述組織演化數學模型，使用有限元分析法對所述熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取每一組熱擠壓工藝參數取值下的管坯的溫度場分布數據、模具的溫度場分布數據、荒管的晶粒度分布數據和擠壓載荷隨時間變化數據；

優化判據數據獲取單元，用于根據所述管坯的溫度場分布數據、模具的溫度場分布數據、荒管的晶粒度分布數據和擠壓載荷隨時間變化數據，獲取每一組熱擠壓工藝參數取值下的管坯的優化判據數據。

結合第二方面，本發明實施例提供了第二方面的第二種可能的實施方式，其中：還包括：

熱擠壓工藝參數備選數據生成單元，調整熱擠壓工藝參數的取值，獲得多組熱擠壓工藝參數備選數據。

結合第二方面，本發明實施例提供了第二方面的第三種可能的實施方式，其中：所述預設的判據選擇條件包括：管坯的最高溫度小于管坯材料的初熔溫度；模具的最高溫度小于模具材料的軟化溫度；擠壓峰值載荷不高于設備承載極限；荒管的晶粒尺寸與目標晶粒尺寸相差小于等于10μm。

本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法以及裝置，在對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析后，分別得到三個熱擠壓工藝參數對應的熱擠壓工藝參數備選數據下的管坯的優化判據數據，再根據該優化判據數據，構建每一種熱擠壓工藝參數與優化判據數據之間的曲線關系，并根據所述關系曲線以及預設的判據閾值，確定每一種優化判據數據所對應的熱擠壓工藝參數的取值區間，然后再對所有優化判據數據所對應的同一種熱擠壓工藝參數的取值區間進行交集處理，獲取熱擠壓工藝參數的優選取值。在這個過程中，使用四種優化判據數據，綜合對三個工藝參數進行優選，能夠針對鎳基合金管材在熱擠壓過程中的多種工藝參數進行更加精確的獲取，對實際生產進行更加有效的指導。

為使本發明的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1示出了本發明實施例所提供的一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法的流程圖；

圖2示出了本發明實施例所提供的另一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法的流程圖；

圖3示出了本發明實施例所提供的一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法中，對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取多組不同熱擠壓工藝參數取值下的管坯的優化判據數據的具體方法的流程圖；

圖4示出了本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法的具體實施例一中，In740H合金的平衡相圖；

圖5示出了本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法的具體實施例一中，管坯的最高溫度與熱擠壓速度之間的關系曲線；

圖6示出了本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法的具體實施例一中，模具的最高溫度與熱擠壓速度之間的關系曲線；

圖7示出了本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法的具體實施例一中，擠壓載荷峰值與熱擠壓速度之間的關系曲線；

圖8示出了本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法的具體實施例一中，荒管的晶粒尺寸與熱擠壓速度之間的關系曲線；

圖9示出了本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法的具體實施例一中，荒管橫截面1/2半徑處的微觀圖；

圖10示出了本發明實施例所提供的一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取裝置的結構示意圖；

圖11示出了本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取裝置中，數值模擬分析單元的具體結構示意圖；

圖12示出了本發明實施例所提供的另一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取裝置的結構示意圖；

圖13示出了本發明實施例所提供的一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法中，所構建的熱擠壓模型的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

目前熱擠壓荒管質量依賴于擠壓參數的優化，鎳基合金管材熱擠壓的核心工藝參數主要包括：擠壓速度，管坯預熱溫度和擠壓比。每種擠壓參數對熱擠壓荒管質量均具有較大的影響，并且各工藝參數之間存在相互作用。通過數值模擬方法優化管材熱擠壓參數的研究主要針對單一或部分荒管質量問題，并未對實際生產中出現的問題進行綜合分析。由于各類質量問題存在相互關聯與制約，其中涉及變形、溫升和相變等材料行為，所以針對部分質量問題而優選出的工藝參數范圍較寬泛，無法對實際生產進行有效的指導。基于此，本申請提供的一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法、裝置以及系統，能夠針對鎳基合金管材在熱擠壓過程中的工藝參數進行更加精確的獲取，對實際生產進行更加有效的指導。

為便于對本實施例進行理解，首先對本發明實施例所公開的一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法進行詳細介紹。

參見圖1所示，本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法，具體包括：

S101：對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取多組不同熱擠壓工藝參數預值下的管坯的優化判據數據；所述熱擠壓工藝參數包括：熱擠壓速度、管坯預熱溫度以及熱擠壓比；所述優化判據數據包括：擠壓全過程中管坯的最高溫度、擠壓全過程中模具的最高溫度、擠壓載荷峰值和荒管的晶粒尺寸。

鎳基合金管材熱擠壓過程中，會出現諸如荒管無法被擠出、荒管表面和內部出現裂紋、荒管晶粒度不達標等問題，而發明人發現，導致這些問題的因素可以概括如下：引起荒管無法擠出的直接原因是擠壓載荷超過設備承載極限，而擠壓載荷過大可由高擠壓速度，低管坯預熱溫度和大變形量(大擠壓比)引起，或者由于擠壓速度過慢導致管坯過度降溫而使變形抗力升高而引起；引起荒管表面和內部裂紋的直接原因為管坯溫度達到或超過合金的初熔溫度，在管坯局部出現無塑性的液相，管坯溫度過高可由擠壓速度過快、預熱溫度過高或變形量過大引起；引起荒管晶粒度不達標的直接原因為擠壓過程中的再結晶晶粒尺寸與目標晶粒度不符，再結晶晶粒尺寸與變形區應變速率、溫度和變形量有關，并由擠壓速度、預熱溫度和擠壓比決定。由此可知，鎳基合金管材核心的熱擠壓工藝參數應當包括：熱擠壓速度、管坯預熱溫度以及熱擠壓比。本發明最終要獲得這三個熱擠壓工藝參數的取值。其中，熱擠壓速度為：擠壓機推動管坯的運動速度；擠壓比為管坯端面面積與荒管端面面積的比值。

在具體實現的時候，熱擠壓模型是根據管坯的實際尺寸、要熱擠壓成型的荒管的實際尺寸構建的。具體參見圖13所示，其中，區域1為管坯的管壁，區域2為用于對管坯進行熱擠壓的設備，區域3為擠壓筒，區域4為設置在管坯中間的通孔用于支撐管坯的支撐構件，區域5為玻璃墊，區域6為擠壓模具。在擠壓模具中部形成用于管坯被熱擠壓形成荒管的擠壓 空間。

在對該熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析后，能夠獲取多組不同熱擠壓工藝參數備選數據下的管坯的優化判據數據，根據這些優化判據數據與熱擠壓工藝參數之間的關系，獲得熱擠壓工藝參數的最終取值。

具體地，參見圖2所示，在對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析之前，還包括：

S201：調整熱擠壓工藝參數的取值，獲得多組熱擠壓工藝參數備選數據。

具體包括如下兩種方法：

1、確定熱擠壓工藝參數的取值范圍；

依次以熱擠壓工藝參數中的一個參數為變值參數，另外兩個參數為定值參數，調整變值參數所對應的熱擠壓工藝參數的取值，獲取該熱擠壓工藝參數所對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據；其中，定值參數所對應的熱擠壓工藝參數的取值在其取值范圍內。

最終，分別以三個熱擠壓工藝參數為變值參數，最終能夠分別確定三個熱擠壓工藝參數所對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據。

其中，熱擠壓工藝參數的取值范圍可以根據日常生產中參數的常用取值估計得到。

例如，在三個熱擠壓工藝參數中，熱擠壓速度的取值范圍為150-230mm/s，管坯預熱溫度的取值范圍為1000-1500℃，熱擠壓比的取值范圍為3-10。

以熱擠壓速度為變值參數，以管坯預熱溫度和熱擠壓比為定值參數，對管坯預熱溫度和熱擠壓比分別取值為：1200℃和5，調整熱擠壓速度的取 值，使其分別為：25、50、75、100、125、150、175、200、225、250(mm/s)，那么，最終能夠獲得熱擠壓速度對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據為：

(25mm/s，1200℃，5)、(50mm/s，1200℃，5)、(75mm/s，1200℃，5)、(100mm/s，1200℃，5)、……、(250mm/s，1200℃，5)。

然后，再以管坯預熱溫度作為變值參數，以熱擠壓速度和熱擠壓比為定值參數，對熱擠壓速度和熱擠壓比的取值分別為：160mm/s和5，調整管坯預熱溫度的取值，使其分別為：600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600(℃)，那么最終能夠得到管坯預熱溫度對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據為：

(160mm/s，600℃，5)、(160mm/s，700℃，5)、(160mm/s，800℃，5)、……、(160mm/s，1600℃，5)。

最后，再以熱擠壓比作為變值參數，以熱擠壓速度和管坯預熱溫度為定值參數，對熱擠壓速度和管坯預熱溫度的取值分別為：160mm/s和1200℃，調整熱擠壓比的取值，使其分別為：2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10。那么最終能夠得到熱擠壓比對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據為：

(160mm/s，1200℃，2)、(160mm/s，1200℃，2.5)、(160mm/s，1200℃，3)、(160mm/s，1200℃，3.5)、……、(160mm/s，1200℃，10)。

本領域技術人員應當明白，上述示例僅僅為了說明熱擠壓工藝參數備選數據的獲得方式，而不對實現過程中熱擠壓工藝參數備選數據的取值做任何的約束，實際操作時，針對不同的鎳基管材，熱擠壓工藝參數備選數據的取值均有多種。

2、確定熱擠壓工藝參數的取值范圍；假設熱擠壓工藝參數包括：第一參數、第二參數和第三參數，

以第一參數為變值參數，以第二參數和第三參數為定值參數，調整第 一參數的取值，獲取第一參數所對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據；其中，定值參數所對應的第二參數和第三參數的取值在其取值范圍內。

針對該第一參數所對應的熱擠壓工藝參數備選數據，分別進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，最終能夠得到該第一參數的優選取值。

再以熱擠壓工藝參數中的第二參數為變值參數，剩余第一參數和第三參數為定值參數，然后調整第二參數的取值，獲取該第二參數所對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據；其中，第一參數的取值為其優選取值，第二參數的取值在其取值范圍內。需要注意的是，優選取值通常是一個范圍值，第一參數作為定值時，其取值在該范圍內。

針對該第二參數所對應的熱擠壓工藝參數備選數據，分別進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，最終能夠得到該第二參數的優選取值。

再以熱擠壓工藝參數中的第三參數為變值參數，剩余第一參數和第二參數為定值參數，然后調整第三參數的取值，獲取該第三參數所對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據；其中，第一參數和第二參數的取值均為其優選取值。需要注意的是，第一參數的優選取值和第二參數的優選取值通常均是范圍值，第一參數和第二參數作為定值時，其取值在范圍之內進行選定。

例如，在三個熱擠壓工藝參數中，熱擠壓速度的取值范圍為150-230mm/s，管坯預熱溫度的取值范圍為1000-1500℃，熱擠壓比的取值范圍為3-10。

以熱擠壓速度為變值參數，以管坯預熱溫度和熱擠壓比為定值參數，對管坯預熱溫度和熱擠壓比分別取值為：1200℃和5，調整熱擠壓速度的取值，使其分別為：25、50、75、100、125、150、175、200、225、250(mm/s)，那么，最終能夠獲得熱擠壓速度對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據為：

(25mm/s，1200℃，5)、(50mm/s，1200℃，5)、(75mm/s，1200℃，5)、(100mm/s，1200℃，5)、……、(250mm/s，1200℃，5)。

對上述熱擠壓速度對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據分別進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，最終能夠得到該熱擠壓速度參數的優選取值，假設其為67.0mm/s-133.6mm/s。

然后，再以管坯預熱溫度作為變值參數，以熱擠壓速度和熱擠壓比為定值參數，對熱擠壓速度和熱擠壓比的取值分別為：100mm/s和5，調整管坯預熱溫度的取值，使其分別為：600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600(℃)，那么最終能夠得到管坯預熱溫度對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據為：

(100mm/s，600℃，5)、(100mm/s，700℃，5)、(100mm/s，800℃，5)、……、(100mm/s，1600℃，5)。

對上述熱管坯預熱溫度所對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據分別進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，最終能夠得到該管坯預熱溫度參數的優選取值，假設其為1130～1170℃。

最后，再以熱擠壓比作為變值參數，以熱擠壓速度和管坯預熱溫度為定值參數，對熱擠壓速度和管坯預熱溫度的取值分別為：100mm/s和1150℃，調整熱擠壓比的取值，使其分別為：2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10。那么最終能夠得到熱擠壓比對應的多組熱擠壓工藝參數備選數據為：

(100mm/s，1150℃，2)、(100mm/s，1150℃，2.5)、(100mm/s，1150℃，3)、(100mm/s，1150℃，3.5)、……、(100mm/s，1150℃，10)。

本領域技術人員應當明白，上述示例僅僅為了說明熱擠壓工藝參數備選數據的獲得方式，而不對實現過程中熱擠壓工藝參數備選數據的取值做任何的約束，實際操作時，針對不同的鎳基管材，熱擠壓工藝參數備選數據的取值均有多種。

另外，參見圖3所示，本發明實施例還提供一種對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取多組不同熱擠壓工藝參數取值下的管坯的優化判據數據的具體方法，包括：

S301：獲取管坯材料的真應力-真應變曲線或者本構方程，并獲得所述管坯材料所對應的包含動態再結晶過程的組織演化數學模型；

在具體實現的時候，真應力-真應變曲線可以采用在管坯上進行取材，獲取實驗樣品，然后針對實驗樣品進行高溫壓縮實驗獲得。本構方程與真應力-真應變曲線之間有對應的轉化關系，因此，只要能夠得到真應力-真應變曲線，就可以將之轉化為本構方程。因此，真應力-真應變曲線或者本構方程只要獲得其中一項即可。然后針對管坯材料，建立其包含動態再結晶過程的組織演化數學模型。其中，高溫壓縮實驗的溫度取值范圍為0.7Tm～0.9Tm(Tm為合金熔點)，應變速率范圍為0.1s-1～10s-1。

S302：根據所述真應力-真應變曲線或者所述本構方程，并根據所述組織演化數學模型，使用有限元分析法對所述熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取多組不同熱擠壓工藝參數取值下的管坯的溫度場分布數據、模具的溫度場分布數據、荒管的晶粒度分布數據和擠壓載荷隨時間變化數據。

在具體實現的時候，有限元分析法還需要輸入其他的參數，例如擠壓筒、玻璃墊、擠壓模具整體與管坯的摩擦系數等，由于這些并非影響荒管質量的主要因素，而且在實際過程中，這些參數一般都是確定的值，因此，在進行數值模擬分析的時候，直接輸入這些參數即可。在使用有限元分析法對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析的時候，熱擠壓模型采用四邊形單元進行網格化離散。而具體在進行有限元分析的時候，可以直接在有限元軟件進行。

S303：根據所述管坯的溫度場分布數據、模具的溫度場分布數據、荒管的晶粒度分布數據和擠壓載荷隨時間變化數據，獲取每一組熱擠壓工藝 參數取值下的管坯的優化數據判據數據。

在具體實現的時候，每一組熱擠壓工藝數據，都對應有溫度場分布數據、模具的溫度場分布數據、荒管的晶粒度分布數據和擠壓載荷隨時間變化數據，溫度場分布數據中，最高的溫度數值即為擠壓全過程中管坯的最高溫度；模具溫度場分布數據中，最高的溫度數值即為擠壓全過程中模具的最高溫度；將荒管上預設位置的晶粒度數據，作為荒管的晶粒尺寸，該預設位置可以根據實際需要進行具體的設定，例如，將熱擠壓荒管(非端部)1/2壁厚處的晶粒尺寸作為荒管的晶粒尺寸；擠壓載荷隨時間變化的峰值數值，即為擠壓載荷峰值。

最終，每一組熱擠壓工藝數據，都可以得到一組與之對應的優化判據數據。

S102：構建每一種熱擠壓工藝參數與優化判據數據之間的關系曲線，并根據所述關系曲線以及預設的判據選擇條件，確定每一種優化判據數據所對應的熱擠壓工藝參數的取值區間。

S103：對所有優化判據數據所對應的同一種熱擠壓工藝參數的取值區間進行交集處理，獲取熱擠壓工藝參數的優選取值。

在具體實現的時候，由于在調整熱擠壓工藝參數的取值，獲得多組熱擠壓工藝參數備選數據的時候，是以其中一個參數作為變值參數，以其他的兩個參數作為定值參數，對變值參數的取值進行調整，最終分別得到三個參數所對應的熱擠壓工藝參數備選數據的，因此，變值參數每取一個值，就能夠得到一組優化數據判據，該變值參數對應了多少組熱擠壓工藝參數備選數據，那么就能夠得到多少組優化判據數據，然后可以分別構建該變值參數與優化判據數據之間的關系曲線。在該關系曲線中，以預設的判據閾值作為判別標準，可以確定每一種優化判據數據所對應的熱擠壓工藝參數的取值區間，由于優化數據包括了四種，那么最終所確定的每一種熱擠 壓工藝參數的取值區間就分別有四個，然后每一種熱擠壓工藝參數的四個取值區間進行交集處理，最終得到的取值區間，就是熱擠壓工藝參數的優選取值。

其中，預設的選擇條件包括：管坯的最高溫度小于管坯材料的初熔溫度；模具的最高溫度小于模具材料的軟化溫度；擠壓峰值載荷不高于設備承載極限；荒管的晶粒尺寸與目標晶粒尺寸相差小于等于10μm。

其中，需要注意的是，設備承載極限并非設備真正的承載極限，而是經過安全換算后，所得到的安全承載極限。

另外，在具體執行的時候，管坯合金的初熔溫度由熱力學相圖計算獲得，所述的設備承載極限由實際設備工況決定，所述的模具材料軟化溫度以目前普遍使用的熱擠壓模具材料H13熱作模具鋼為準，軟化溫度為650℃，所述的目標晶粒尺寸由管材用途決定。

本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法中，在對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析后，分別得到三個熱擠壓工藝參數對應的熱擠壓工藝參數備選數據下的管坯的優化判據數據，再根據該優化判據數據，構建每一種熱擠壓工藝參數與優化判據數據之間的曲線關系，并根據所述關系曲線以及預設的判據閾值，確定每一種優化判據數據所對應的熱擠壓工藝參數的取值區間，然后再對所有優化判據數據所對應的同一種熱擠壓工藝參數的取值區間進行交集處理，獲取熱擠壓工藝參數的優選取值。在這個過程中，使用四種優化判據數據，綜合對三個工藝參數進行優選，能夠針對鎳基合金管材在熱擠壓過程中的多種工藝參數進行更加精確的獲取，對實際生產進行更加有效的指導。

實施例一：

本例采用數值模擬方法優選鎳基高溫合金In740H合金管材熱擠壓工藝 參數。

本實施例中所述的高溫合金In740H的化學組成成分重量百分比為C≤0.05％，Cr：23～26％，Co：19％～21％，Mo：0.4～0.7％，Fe≤1.0％，Al：0.8～1.6％，Ti：1.0～2.0％，Nb：1.0～2.0％，Ni：余量。

根據本發明所述的目的和工作原理，具體技術方案為：

高溫熱壓縮實驗樣品取自In740H合金鍛棒的1/2半徑處，加工成Φ8×12mm圓柱，高溫壓縮實驗在Gleeble熱模擬試驗機上進行，熱壓縮溫度選擇1000℃、1050℃、1100℃和1150℃，應變速率選擇0.1s-1、1s-1和10s-1，壓縮真應變量為0.16、0.35、0.7和0.9，共48組變形條件，得到合金的流變曲線、本構方程及包含動態再結晶的組織演化數學模型。

根據In740H合金管材實際尺寸在商用軟件Deform中建立有限元模型，示意圖如圖13所示。管坯尺寸外徑Φ218mm，內徑Φ70mm，長度610mm，模型中各部件采用四邊形單元進行網格化離散。

對In740H合金管材熱擠壓過程進行數值模擬，得到擠壓全過程管坯和模具的溫度分布、管坯的應變量分布、擠壓結束時荒管的晶粒尺寸分布和擠壓載荷隨時間的變化曲線，并從中確定該次模擬過程中工藝參數優化判據的具體取值，即管坯最高溫度、模具最高溫度、擠壓載荷峰值和熱擠壓荒管(非端部)1/2壁厚處的晶粒尺寸。

改變擠壓工藝參數的取值(包括：擠壓速度、管坯預熱溫度和擠壓比)，對每種工藝參數組合進行一次數值模擬，在改變一種工藝參數取值時，其他參數保持不變。

確定每一次數值模擬計算過程中的優化判據取值，并繪制以下曲線：以擠壓速度為橫坐標，以不同擠壓速度下的管坯最高溫度為縱坐標繪制曲線，按照同樣方法繪制擠壓速度-模具最高溫度曲線，擠壓速度-擠壓載荷峰值曲線，擠壓速度-1/2壁厚處的晶粒尺寸曲線。另外兩種擠壓工藝參數 ——管坯預熱溫度和擠壓比的對應曲線采用與擠壓速度相同的方法，總計繪制12條曲線。

利用熱力學相圖軟件計算In740H合金的平衡相圖，確定合金的初熔溫度為1300℃(圖4)，確定熱擠壓模具材料H13熱作模具鋼的軟化溫度為650℃，確定實際擠壓設備的承載極限為3800噸(38MN)，確定In740H合金熱擠壓荒管的目標晶粒尺寸為55μm。

采用上述標準對每種擠壓工藝參數進行優選：擠壓過程中管坯最高溫度不高于合金的初熔溫度(1300℃)，模具最高溫度不高于模具材料的軟化溫度(650℃)，擠壓載荷峰值不高于設備的承載極限，荒管1/2壁厚處的晶粒尺寸與目標值相差不大于10μm；

確定每種工藝參數使所有優化判據滿足標準的取值范圍，并對四種取值范圍取交集，進而優化工藝參數。以擠壓速度為例，具體如圖5-圖9所示：擠壓速度的備選值為25、50、75、100、125、150和200mm/s，數值模擬結果表明當擠壓速度低于133.6mm/s時，管坯最高溫度低于In740合金初熔溫度1300℃(圖5)；當擠壓速度低于191.1mm/s時，模具最高溫度低于模具軟化溫度650℃(圖6)；在所有備選擠壓速度下，擠壓峰值載荷均低于設備承載極限38MN(圖7)；當擠壓速度在67.0mm/s～161.6mm/s范圍時，荒管1/2壁厚處的晶粒尺寸與目標晶粒尺寸的差值不大于10μm(圖8)。對以上優選范圍進行疊加，取交集可得In740H合金管材熱擠壓過程中擠壓速度的優選范圍為67.0mm/s～133.6mm/s。

采用相同方法對其他工藝參數進行優選，同時使四個優化判據滿足標準的管坯預熱溫度范圍為1130～1170℃，擠壓比小于7.2。

在6000噸擠壓機上對In740H合金管材進行熱擠壓試制，以驗證優選工藝參數的正確性。試制管坯尺寸為外徑Φ218mm，內徑Φ70mm，長度610mm，荒管尺寸為外徑Φ105mm，內徑Φ61mm，經計算擠壓比為5.8。結合工藝參 數優選范圍，選定擠壓速度100mm/s，管坯預熱溫度1160℃。整個擠壓過程順利，擠壓結束后得到的荒管表面質量高，無內部裂紋，橫截面1/2半徑處的晶粒尺寸為61μm(圖9)。

實施例二：

本例采用數值模擬方法優選鎳基耐蝕合金In690合金管材熱擠壓工藝參數。

本實施例中所述的耐蝕合金In690的化學組成成分重量百分比為C≤0.05％，Cr：27～31％，Fe：7％～1.0％，Si≤0.5％，Cu≤0.5％，Ni：余量。

根據本發明所述的目的和工作原理，具體技術方案為：

高溫熱壓縮實驗樣品取自In690合金鍛棒的1/2半徑處，加工成Φ8×12mm圓柱，高溫壓縮實驗在Gleeble熱模擬試驗機上進行，熱壓縮溫度選擇1050℃、1100℃、1150℃和1200℃，應變速率選擇0.1s-1、1s-1和10s-1，壓縮真應變量為0.16、0.35、0.7和0.9，共48組變形條件，得到合金的流變曲線、本構方程及包含動態再結晶的組織演化數學模型。

根據In690合金管材實際尺寸在商用軟件Deform中建立有限元模型。管坯尺寸外徑Φ204mm，內徑Φ77.5mm，長度600mm，模型中各部件采用四邊形單元進行網格化離散。

對In690合金管材熱擠壓過程進行數值模擬，得到擠壓全過程管坯和模具的溫度分布、管坯的應變量分布、擠壓結束時荒管的晶粒尺寸分布和擠壓載荷隨時間的變化曲線，并從中確定該次模擬過程中工藝參數優化判據的具體取值，即管坯最高溫度、模具最高溫度、擠壓載荷峰值和熱擠壓荒管(非端部)1/2壁厚處的晶粒尺寸。

改變擠壓工藝參數的取值(包括：擠壓速度、管坯預熱溫度和擠壓比)，對每種工藝參數組合進行一次數值模擬，在改變一種工藝參數取值時，其他參數保持不變。

確定每一次數值模擬計算過程中的優化判據取值，并繪制以下曲線：以擠壓速度為橫坐標，以不同擠壓速度下的管坯最高溫度為縱坐標繪制曲線，按照同樣方法繪制擠壓速度-模具最高溫度曲線，擠壓速度-擠壓載荷峰值曲線，擠壓速度-1/2壁厚處的晶粒尺寸曲線。另外兩種擠壓工藝參數——管坯預熱溫度和擠壓比的對應曲線采用與擠壓速度相同的方法，總計繪制12條曲線。

利用熱力學相圖軟件計算In690合金的平衡相圖，確定合金的初熔溫度為1387℃，確定熱擠壓模具材料H13熱作模具鋼的軟化溫度為650℃，確定實際擠壓設備的承載極限為3500噸(35MN)，確定In690合金熱擠壓荒管的目標晶粒尺寸為65μm。

采用上述標準對每種擠壓工藝參數進行優選：擠壓過程中管坯最高溫度不高于合金的初熔溫度(1387℃)，模具最高溫度不高于模具材料的軟化溫度(650℃)，擠壓載荷峰值不高于設備的載荷極限(35MN)，荒管1/2壁厚處的晶粒尺寸與目標值相差不大于10μm；

確定每種工藝參數使所有優化判據滿足標準的取值范圍，并對四個取值范圍取交集，進而優化工藝參數。具體過程與實施例1相同，經過優選得到In690合金管材熱擠壓的優選擠壓速度范圍為：183.5mm/s～277.0mm/s，管坯預熱溫度范圍為：1183℃～1251℃，擠壓比范圍為：8.8～17.4。

在3500噸擠壓機上對In690合金管材進行熱擠壓試制，以驗證優選工藝參數的正確性。試制管坯尺寸為外徑Φ204mm，內徑Φ77.5mm，長度600mm，荒管尺寸為外徑Φ87.5mm，內徑Φ72.5mm，經計算擠壓比為14.8。結合工藝參數優選范圍，選定擠壓速度200mm/s，管坯預熱溫度1200℃。整個擠壓過程順利，擠壓結束后得到的荒管表面質量高，無內部裂紋，橫截面1/2半徑處的晶粒尺寸為70μm。

本發明又一實施例還提供一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取裝置，參見圖10所示，該裝置包括：

數值模擬分析單元，用于對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取多組不同熱擠壓工藝參數備選數據下的管坯的優化判據數據；所述熱擠壓工藝參數包括：熱擠壓速度、管坯預熱溫度以及熱擠壓比；所述優化判據數據包括：擠壓全過程中管坯的最高溫度、擠壓全過程中模具的最高溫度、擠壓載荷峰值和荒管的晶粒尺寸；

關系曲線構件單元，用于構建每一種熱擠壓工藝參數與優化判據數據之間的關系曲線，

取值區間確定單元，用于根據所述關系曲線以及預設的判據選擇條件，確定每一種優化判據數據所對應的熱擠壓工藝參數的取值區間；

優選取值獲取單元，用于對所有優化判據數據所對應的同一種熱擠壓工藝參數的取值區間進行交集處理，獲取熱擠壓工藝參數的優選取值。

本實施例中，數值模擬分析單元、關系曲線構件單元、取值區間確定單元和優選取值獲取單元的具體功能和交互方式，可參見圖1對應的實施例的記載，在此不再贅述。

本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取裝置中，在對熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析后，分別得到三個熱擠壓工藝參數對應的熱擠壓工藝參數備選數據下的管坯的優化判據數據，再根據該優化判據數據，構建每一種熱擠壓工藝參數與優化判據數據之間的曲線關系，并根據所述關系曲線以及預設的判據閾值，確定每一種優化判據數據所對應的熱擠壓工藝參數的取值區間，然后再對所有優化判據數據所對應的同一種熱擠壓工藝參數的取值區間進行交集處理，獲取熱擠壓工藝參數的優選取值。在這個過程中，使用四種優化判據數據，綜合對三個工藝參數進行優選，能夠針對鎳基合金管材在熱擠壓過程中的多種工藝參 數進行更加精確的獲取，對實際生產進行更加有效的指導。

參見圖10所示，本發明又一實施例還提供鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取裝置中，數值模擬分析單元的具體結構，包括：

數據獲取模塊，用于獲取管坯材料的真應力-真應變曲線或者本構方程，并獲得所述管坯材料所對應的包含動態再結晶過程的組織演化數學模型；

有限元分析模塊，用于根據所述真應力-真應變曲線或者本構方程，并根據所述組織演化數學模型，使用有限元分析法對所述熱擠壓模型進行管坯熱擠壓過程的數值模擬分析，獲取每一組熱擠壓工藝參數取值下的管坯的溫度場分布數據、模具的溫度場分布數據、荒管的晶粒度分布數據和擠壓載荷隨時間變化數據；

優化判據數據獲取模塊，用于根據所述管坯的溫度場分布數據、模具的溫度場分布數據、荒管的晶粒度分布數據和擠壓載荷隨時間變化數據，獲取每一組熱擠壓工藝參數取值下的管坯的優化判據數據。

本實施例中，數據獲取模塊、有限元分析模塊和優化判據數據獲取模塊的具體功能和交互方式，可參見圖3對應的實施例的記載，在此不再贅述。

參見圖12所示，本發明又一實施例還提供另外一種鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取裝置，還包括：熱擠壓工藝參數備選數據生成單元，調整熱擠壓工藝參數的取值，獲得多組熱擠壓工藝參數備選數據。

本實施例中，熱擠壓工藝參數備選數據生成單元具體功能和交互方式，可參見圖2對應的實施例的記載，在此不再贅述。

在上述幾個實施例中，所述預設的判據選擇條件包括：管坯的最高溫度小于管坯材料的初熔溫度；模具的最高溫度小于模具材料的軟化溫度；擠壓峰值載荷不高于設備承載極限；荒管的晶粒尺寸與目標晶粒尺寸相差 小于等于10μm。

本發明有益效果：

(1)對鎳基合金管材熱擠壓過程進行數值模擬可以跟蹤工藝全過程，給出管坯和模具在擠壓各個階段的溫度場、應變場和應力場分布以及擠壓載荷隨時間的變化曲線，進而直接確定優化判據的具體數值。同時，工藝參數的變化和組合是在計算機上行模擬實現的，節省了大量實際試擠壓所帶來的成本。

(2)本發明中優化判據的提出充分結合了鎳基合金的特點，該類合金管材的服役條件要求其具有優異的高溫強度和耐蝕性，為此在合金設計時加入了大量的合金元素，由此引出該類管材熱擠壓生產的主要技術難點：1)合金化程度的提高會通過固溶強化機制增大材料的熱變形抗力，在擠壓參數選擇不當時導致擠壓載荷大于設備承載極限而使管材無法順利擠出(即“悶車”)；2)Al、Ti等合金元素的加入會明顯降低合金的初熔溫度，由于管材擠壓在密閉的擠壓筒內進行，且管坯表面涂覆了具有保溫效果的潤滑劑，因此擠壓過程中坯料會出現劇烈的溫升，這一溫升會使材料變形抗力降低而有利于擠壓，但如果溫升過大會使坯料局部溫度超過合金初熔溫度而形成局部液相，該區域在后續變形和冷卻過程中成為裂紋萌生點，引起內部和表面質量問題甚至導致管材局部碎裂；3)合金元素的大量加入使鎳基合金具有較低的層錯能，進而在變形量較大的熱擠壓過程中傾向于以動態再結晶作為主要軟化和晶粒細化方式，使熱擠壓荒管的組織決定于擠壓過程中動態再結晶發生的程度以及再結晶的晶粒尺寸，因此本發明通過高溫熱壓縮實驗獲得包括動態再結晶的組織演化數學模型。

由此可知，本發明分析了鎳基合金管材熱擠壓實際過程中主要問題的本質原因，并建立其與實際工藝參數之間的關系，通過數值模擬對每種工藝參數針對每個實際問題進行優化并將優化范圍疊加，最終給出同時解決各種問題的優選參數范圍。

本發明實施例所提供的鎳基合金管材熱擠壓工藝參數獲取方法以及裝置的計算機程序產品，包括存儲了程序代碼的計算機可讀存儲介質，所述程序代碼包括的指令可用于執行前面方法實施例中所述的方法，具體實現可參見方法實施例，在此不再贅述。

所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統和裝置的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。

所述功能如果以軟件功能單元的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基于這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟件產品的形式體現出來，該計算機軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應所述以權利要求的保護范圍為準。