镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法以及装置

摘要

本发明提供了一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法以及装置，其中，该方法包括：对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取多组不同热挤压工艺参数备选数据下的管坯的优化判据数据；构建每一种热挤压工艺参数与优化判据数据之间的关系曲线，并根据所述关系曲线以及预设的判据选择条件，确定每一种优化判据数据所对应的热挤压工艺参数的取值区间；对所有优化判据数据所对应的同一种热挤压工艺参数的取值区间进行交集处理，获取热挤压工艺参数的优选取值。本发明能够针对镍基合金管材在热挤压过程中的多种工艺参数进行更加精确的获取，对实际生产进行更加有效的指导。

说明书

技术领域

本发明涉及管材热挤压技术领域，具体而言，涉及一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法以及装置。

背景技术

随着我国能源工业和石油化工工业的发展，镍基合金无缝管材的需求量不断增大，如700℃超超临界火电站锅炉所使用的过热器管，石油开采所使用的油井套管，核电站蒸汽发生器的传热管等。镍基合金无缝管材的生产主要通过热挤压结合冷轧的工艺方式，其中热挤压过程是整个生产的核心环节。作为一种特殊的热变形方式，挤压变形区三向压应力状态可以提高材料的变形能力，但由于镍基合金自身的合金化程度较高，其高温下的变形抗力较大，变形抗力随温度的变化非常敏感，并且热挤压过程本身伴随着剧烈的局部升温，所以镍基合金管材热挤压过程涉及到复杂的热力耦合作用，并同时具有明显的时间效应。从目前国内企业的生产情况来看，镍基合金管材热挤压的成材率普遍较低，存在荒管无法顺利挤出(“闷车”)、荒管内部裂纹、表面质量差和内部组织无法达标等质量问题，且这些问题经常组合出现并存在相互制约。

热挤压荒管质量依赖于挤压参数的优化，镍基合金管材热挤压的核心工艺参数主要包括：挤压速度，管坯预热温度和挤压比。每种挤压参数对热挤压荒管质量均具有较大的影响，并且各工艺参数之间存在相互作用。对于热挤压工艺参数的优化方法主要分两类：第一类是在挤压设备上进行实际试挤压(试错法)，摸索最优参数组合，此类方法需要消耗大量管坯，造成极高成本和资源浪费；第二类是采用数值模拟技术，通过计算机对挤压过程进行仿真并调整工艺参数取值进而进行优化。目前，通过数值模拟方法优化管材热挤压参数的研究主要针对单一或部分荒管质量问题，并未 对实际生产中出现的问题进行综合分析。由于各类质量问题存在相互关联与制约，其中涉及变形、温升和相变等材料行为，所以针对部分质量问题而优选出的工艺参数范围较宽泛，无法对实际生产进行有效的指导。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法以及装置，能够针对镍基合金管材在热挤压过程中的多种工艺参数进行更加精确的获取，对实际生产进行更加有效的指导。

第一方面，本发明实施例提供了一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法，包括：

对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取多组不同热挤压工艺参数备选数据下的管坯的优化判据数据；所述热挤压工艺参数包括：热挤压速度、管坯预热温度以及热挤压比；所述优化判据数据包括：挤压全过程中管坯的最高温度、挤压全过程中模具的最高温度、挤压载荷峰值和荒管的晶粒尺寸；

构建每一种热挤压工艺参数与优化判据数据之间的关系曲线，并根据所述关系曲线以及预设的判据选择条件，确定每一种优化判据数据所对应的热挤压工艺参数的取值区间；

对所有优化判据数据所对应的同一种热挤压工艺参数的取值区间进行交集处理，获取热挤压工艺参数的优选取值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中：所述对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取多组不同热挤压工艺参数取值下的管坯的优化判据数据具体包括：

获取管坯材料的真应力-真应变曲线或者本构方程，并获得所述管坯材料所对应的包含动态再结晶过程的组织演化数学模型；

根据所述真应力-真应变曲线或者本构方程，并根据所述组织演化数 学模型，使用有限元分析法对所述热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取每一组热挤压工艺参数取值下的管坯的温度场分布数据、模具的温度场分布数据、荒管的晶粒度分布数据和挤压载荷随时间变化数据；

根据所述管坯的温度场分布数据、模具的温度场分布数据、荒管的晶粒度分布数据和挤压载荷随时间变化数据，获取每一组热挤压工艺参数取值下的管坯的优化判据数据。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中：还包括：调整热挤压工艺参数的取值，获得多组热挤压工艺参数备选数据。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中：所述预设的判据选择条件包括：管坯的最高温度小于管坯材料的初熔温度；模具的最高温度小于模具材料的软化温度；挤压峰值载荷不高于设备承载极限；荒管的晶粒尺寸与目标晶粒尺寸相差小于等于10μm。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中：所述获取管坯材料的真应力-真应变曲线具体包括：

对管坯进行取材，获取实验样品；

对实验样品进行高温压缩实验，获得管坯材料对应的真应力-真应变曲线；

其中，所述高温压缩实验的温度取值范围为0.7*Tm～0.9*Tm，应变速率范围为0.1s-1～10s-1；Tm为合金熔点。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中：所述获取热挤压工艺参数的优选取值之后，还包括：

使用所述优选取值，管坯材料进行实际验证。

第二方面，本发明实施例还提供一种镍基合金管材热挤压工艺参数获 取装置，包括：

数值模拟分析单元，用于对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取多组不同热挤压工艺参数备选数据下的管坯的优化判据数据；所述热挤压工艺参数包括：热挤压速度、管坯预热温度以及热挤压比；所述优化判据数据包括：挤压全过程中管坯的最高温度、挤压全过程中模具的最高温度、挤压载荷峰值和荒管的晶粒尺寸；

关系曲线构件单元，用于构建每一种热挤压工艺参数与优化判据数据之间的关系曲线，

取值区间确定单元，用于根据所述关系曲线以及预设的判据选择条件，确定每一种优化判据数据所对应的热挤压工艺参数的取值区间；

优选取值获取单元，用于对所有优化判据数据所对应的同一种热挤压工艺参数的取值区间进行交集处理，获取热挤压工艺参数的优选取值。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中：所述数值模拟分析单元具体包括：

数据获取模块，用于获取管坯材料的真应力-真应变曲线或者本构方程，并获得所述管坯材料所对应的包含动态再结晶过程的组织演化数学模型；

有限元分析模块，用于根据所述真应力-真应变曲线或者本构方程，并根据所述组织演化数学模型，使用有限元分析法对所述热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取每一组热挤压工艺参数取值下的管坯的温度场分布数据、模具的温度场分布数据、荒管的晶粒度分布数据和挤压载荷随时间变化数据；

优化判据数据获取单元，用于根据所述管坯的温度场分布数据、模具的温度场分布数据、荒管的晶粒度分布数据和挤压载荷随时间变化数据，获取每一组热挤压工艺参数取值下的管坯的优化判据数据。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中：还包括：

热挤压工艺参数备选数据生成单元，调整热挤压工艺参数的取值，获得多组热挤压工艺参数备选数据。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中：所述预设的判据选择条件包括：管坯的最高温度小于管坯材料的初熔温度；模具的最高温度小于模具材料的软化温度；挤压峰值载荷不高于设备承载极限；荒管的晶粒尺寸与目标晶粒尺寸相差小于等于10μm。

本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法以及装置，在对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析后，分别得到三个热挤压工艺参数对应的热挤压工艺参数备选数据下的管坯的优化判据数据，再根据该优化判据数据，构建每一种热挤压工艺参数与优化判据数据之间的曲线关系，并根据所述关系曲线以及预设的判据阈值，确定每一种优化判据数据所对应的热挤压工艺参数的取值区间，然后再对所有优化判据数据所对应的同一种热挤压工艺参数的取值区间进行交集处理，获取热挤压工艺参数的优选取值。在这个过程中，使用四种优化判据数据，综合对三个工艺参数进行优选，能够针对镍基合金管材在热挤压过程中的多种工艺参数进行更加精确的获取，对实际生产进行更加有效的指导。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法的流程图；

图2示出了本发明实施例所提供的另一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法的流程图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法中，对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取多组不同热挤压工艺参数取值下的管坯的优化判据数据的具体方法的流程图；

图4示出了本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法的具体实施例一中，In740H合金的平衡相图；

图5示出了本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法的具体实施例一中，管坯的最高温度与热挤压速度之间的关系曲线；

图6示出了本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法的具体实施例一中，模具的最高温度与热挤压速度之间的关系曲线；

图7示出了本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法的具体实施例一中，挤压载荷峰值与热挤压速度之间的关系曲线；

图8示出了本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法的具体实施例一中，荒管的晶粒尺寸与热挤压速度之间的关系曲线；

图9示出了本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法的具体实施例一中，荒管横截面1/2半径处的微观图；

图10示出了本发明实施例所提供的一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取装置的结构示意图；

图11示出了本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取装置中，数值模拟分析单元的具体结构示意图；

图12示出了本发明实施例所提供的另一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取装置的结构示意图；

图13示出了本发明实施例所提供的一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法中，所构建的热挤压模型的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前热挤压荒管质量依赖于挤压参数的优化，镍基合金管材热挤压的核心工艺参数主要包括：挤压速度，管坯预热温度和挤压比。每种挤压参数对热挤压荒管质量均具有较大的影响，并且各工艺参数之间存在相互作用。通过数值模拟方法优化管材热挤压参数的研究主要针对单一或部分荒管质量问题，并未对实际生产中出现的问题进行综合分析。由于各类质量问题存在相互关联与制约，其中涉及变形、温升和相变等材料行为，所以针对部分质量问题而优选出的工艺参数范围较宽泛，无法对实际生产进行有效的指导。基于此，本申请提供的一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法、装置以及系统，能够针对镍基合金管材在热挤压过程中的工艺参数进行更加精确的获取，对实际生产进行更加有效的指导。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法进行详细介绍。

参见图1所示，本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法，具体包括：

S101：对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取多组不同热挤压工艺参数预值下的管坯的优化判据数据；所述热挤压工艺参数包括：热挤压速度、管坯预热温度以及热挤压比；所述优化判据数据包括：挤压全过程中管坯的最高温度、挤压全过程中模具的最高温度、挤压载荷峰值和荒管的晶粒尺寸。

镍基合金管材热挤压过程中，会出现诸如荒管无法被挤出、荒管表面和内部出现裂纹、荒管晶粒度不达标等问题，而发明人发现，导致这些问题的因素可以概括如下：引起荒管无法挤出的直接原因是挤压载荷超过设备承载极限，而挤压载荷过大可由高挤压速度，低管坯预热温度和大变形量(大挤压比)引起，或者由于挤压速度过慢导致管坯过度降温而使变形抗力升高而引起；引起荒管表面和内部裂纹的直接原因为管坯温度达到或超过合金的初熔温度，在管坯局部出现无塑性的液相，管坯温度过高可由挤压速度过快、预热温度过高或变形量过大引起；引起荒管晶粒度不达标的直接原因为挤压过程中的再结晶晶粒尺寸与目标晶粒度不符，再结晶晶粒尺寸与变形区应变速率、温度和变形量有关，并由挤压速度、预热温度和挤压比决定。由此可知，镍基合金管材核心的热挤压工艺参数应当包括：热挤压速度、管坯预热温度以及热挤压比。本发明最终要获得这三个热挤压工艺参数的取值。其中，热挤压速度为：挤压机推动管坯的运动速度；挤压比为管坯端面面积与荒管端面面积的比值。

在具体实现的时候，热挤压模型是根据管坯的实际尺寸、要热挤压成型的荒管的实际尺寸构建的。具体参见图13所示，其中，区域1为管坯的管壁，区域2为用于对管坯进行热挤压的设备，区域3为挤压筒，区域4为设置在管坯中间的通孔用于支撑管坯的支撑构件，区域5为玻璃垫，区域6为挤压模具。在挤压模具中部形成用于管坯被热挤压形成荒管的挤压 空间。

在对该热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析后，能够获取多组不同热挤压工艺参数备选数据下的管坯的优化判据数据，根据这些优化判据数据与热挤压工艺参数之间的关系，获得热挤压工艺参数的最终取值。

具体地，参见图2所示，在对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析之前，还包括：

S201：调整热挤压工艺参数的取值，获得多组热挤压工艺参数备选数据。

具体包括如下两种方法：

1、确定热挤压工艺参数的取值范围；

依次以热挤压工艺参数中的一个参数为变值参数，另外两个参数为定值参数，调整变值参数所对应的热挤压工艺参数的取值，获取该热挤压工艺参数所对应的多组热挤压工艺参数备选数据；其中，定值参数所对应的热挤压工艺参数的取值在其取值范围内。

最终，分别以三个热挤压工艺参数为变值参数，最终能够分别确定三个热挤压工艺参数所对应的多组热挤压工艺参数备选数据。

其中，热挤压工艺参数的取值范围可以根据日常生产中参数的常用取值估计得到。

例如，在三个热挤压工艺参数中，热挤压速度的取值范围为150-230mm/s，管坯预热温度的取值范围为1000-1500℃，热挤压比的取值范围为3-10。

以热挤压速度为变值参数，以管坯预热温度和热挤压比为定值参数，对管坯预热温度和热挤压比分别取值为：1200℃和5，调整热挤压速度的取 值，使其分别为：25、50、75、100、125、150、175、200、225、250(mm/s)，那么，最终能够获得热挤压速度对应的多组热挤压工艺参数备选数据为：

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

然后，再以管坯预热温度作为变值参数，以热挤压速度和热挤压比为定值参数，对热挤压速度和热挤压比的取值分别为：160mm/s和5，调整管坯预热温度的取值，使其分别为：600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600(℃)，那么最终能够得到管坯预热温度对应的多组热挤压工艺参数备选数据为：

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

最后，再以热挤压比作为变值参数，以热挤压速度和管坯预热温度为定值参数，对热挤压速度和管坯预热温度的取值分别为：160mm/s和1200℃，调整热挤压比的取值，使其分别为：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。那么最终能够得到热挤压比对应的多组热挤压工艺参数备选数据为：

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

本领域技术人员应当明白，上述示例仅仅为了说明热挤压工艺参数备选数据的获得方式，而不对实现过程中热挤压工艺参数备选数据的取值做任何的约束，实际操作时，针对不同的镍基管材，热挤压工艺参数备选数据的取值均有多种。

2、确定热挤压工艺参数的取值范围；假设热挤压工艺参数包括：第一参数、第二参数和第三参数，

以第一参数为变值参数，以第二参数和第三参数为定值参数，调整第 一参数的取值，获取第一参数所对应的多组热挤压工艺参数备选数据；其中，定值参数所对应的第二参数和第三参数的取值在其取值范围内。

针对该第一参数所对应的热挤压工艺参数备选数据，分别进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，最终能够得到该第一参数的优选取值。

再以热挤压工艺参数中的第二参数为变值参数，剩余第一参数和第三参数为定值参数，然后调整第二参数的取值，获取该第二参数所对应的多组热挤压工艺参数备选数据；其中，第一参数的取值为其优选取值，第二参数的取值在其取值范围内。需要注意的是，优选取值通常是一个范围值，第一参数作为定值时，其取值在该范围内。

针对该第二参数所对应的热挤压工艺参数备选数据，分别进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，最终能够得到该第二参数的优选取值。

再以热挤压工艺参数中的第三参数为变值参数，剩余第一参数和第二参数为定值参数，然后调整第三参数的取值，获取该第三参数所对应的多组热挤压工艺参数备选数据；其中，第一参数和第二参数的取值均为其优选取值。需要注意的是，第一参数的优选取值和第二参数的优选取值通常均是范围值，第一参数和第二参数作为定值时，其取值在范围之内进行选定。

例如，在三个热挤压工艺参数中，热挤压速度的取值范围为150-230mm/s，管坯预热温度的取值范围为1000-1500℃，热挤压比的取值范围为3-10。

以热挤压速度为变值参数，以管坯预热温度和热挤压比为定值参数，对管坯预热温度和热挤压比分别取值为：1200℃和5，调整热挤压速度的取值，使其分别为：25、50、75、100、125、150、175、200、225、250(mm/s)，那么，最终能够获得热挤压速度对应的多组热挤压工艺参数备选数据为：

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

对上述热挤压速度对应的多组热挤压工艺参数备选数据分别进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，最终能够得到该热挤压速度参数的优选取值，假设其为67.0mm/s-133.6mm/s。

然后，再以管坯预热温度作为变值参数，以热挤压速度和热挤压比为定值参数，对热挤压速度和热挤压比的取值分别为：100mm/s和5，调整管坯预热温度的取值，使其分别为：600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600(℃)，那么最终能够得到管坯预热温度对应的多组热挤压工艺参数备选数据为：

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

对上述热管坯预热温度所对应的多组热挤压工艺参数备选数据分别进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，最终能够得到该管坯预热温度参数的优选取值，假设其为1130～1170℃。

最后，再以热挤压比作为变值参数，以热挤压速度和管坯预热温度为定值参数，对热挤压速度和管坯预热温度的取值分别为：100mm/s和1150℃，调整热挤压比的取值，使其分别为：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。那么最终能够得到热挤压比对应的多组热挤压工艺参数备选数据为：

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

本领域技术人员应当明白，上述示例仅仅为了说明热挤压工艺参数备选数据的获得方式，而不对实现过程中热挤压工艺参数备选数据的取值做任何的约束，实际操作时，针对不同的镍基管材，热挤压工艺参数备选数据的取值均有多种。

另外，参见图3所示，本发明实施例还提供一种对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取多组不同热挤压工艺参数取值下的管坯的优化判据数据的具体方法，包括：

S301：获取管坯材料的真应力-真应变曲线或者本构方程，并获得所述管坯材料所对应的包含动态再结晶过程的组织演化数学模型；

在具体实现的时候，真应力-真应变曲线可以采用在管坯上进行取材，获取实验样品，然后针对实验样品进行高温压缩实验获得。本构方程与真应力-真应变曲线之间有对应的转化关系，因此，只要能够得到真应力-真应变曲线，就可以将之转化为本构方程。因此，真应力-真应变曲线或者本构方程只要获得其中一项即可。然后针对管坯材料，建立其包含动态再结晶过程的组织演化数学模型。其中，高温压缩实验的温度取值范围为0.7Tm～0.9Tm(Tm为合金熔点)，应变速率范围为0.1s-1～10s-1。

S302：根据所述真应力-真应变曲线或者所述本构方程，并根据所述组织演化数学模型，使用有限元分析法对所述热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取多组不同热挤压工艺参数取值下的管坯的温度场分布数据、模具的温度场分布数据、荒管的晶粒度分布数据和挤压载荷随时间变化数据。

在具体实现的时候，有限元分析法还需要输入其他的参数，例如挤压筒、玻璃垫、挤压模具整体与管坯的摩擦系数等，由于这些并非影响荒管质量的主要因素，而且在实际过程中，这些参数一般都是确定的值，因此，在进行数值模拟分析的时候，直接输入这些参数即可。在使用有限元分析法对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析的时候，热挤压模型采用四边形单元进行网格化离散。而具体在进行有限元分析的时候，可以直接在有限元软件进行。

S303：根据所述管坯的温度场分布数据、模具的温度场分布数据、荒管的晶粒度分布数据和挤压载荷随时间变化数据，获取每一组热挤压工艺 参数取值下的管坯的优化数据判据数据。

在具体实现的时候，每一组热挤压工艺数据，都对应有温度场分布数据、模具的温度场分布数据、荒管的晶粒度分布数据和挤压载荷随时间变化数据，温度场分布数据中，最高的温度数值即为挤压全过程中管坯的最高温度；模具温度场分布数据中，最高的温度数值即为挤压全过程中模具的最高温度；将荒管上预设位置的晶粒度数据，作为荒管的晶粒尺寸，该预设位置可以根据实际需要进行具体的设定，例如，将热挤压荒管(非端部)1/2壁厚处的晶粒尺寸作为荒管的晶粒尺寸；挤压载荷随时间变化的峰值数值，即为挤压载荷峰值。

最终，每一组热挤压工艺数据，都可以得到一组与之对应的优化判据数据。

S102：构建每一种热挤压工艺参数与优化判据数据之间的关系曲线，并根据所述关系曲线以及预设的判据选择条件，确定每一种优化判据数据所对应的热挤压工艺参数的取值区间。

S103：对所有优化判据数据所对应的同一种热挤压工艺参数的取值区间进行交集处理，获取热挤压工艺参数的优选取值。

在具体实现的时候，由于在调整热挤压工艺参数的取值，获得多组热挤压工艺参数备选数据的时候，是以其中一个参数作为变值参数，以其他的两个参数作为定值参数，对变值参数的取值进行调整，最终分别得到三个参数所对应的热挤压工艺参数备选数据的，因此，变值参数每取一个值，就能够得到一组优化数据判据，该变值参数对应了多少组热挤压工艺参数备选数据，那么就能够得到多少组优化判据数据，然后可以分别构建该变值参数与优化判据数据之间的关系曲线。在该关系曲线中，以预设的判据阈值作为判别标准，可以确定每一种优化判据数据所对应的热挤压工艺参数的取值区间，由于优化数据包括了四种，那么最终所确定的每一种热挤 压工艺参数的取值区间就分别有四个，然后每一种热挤压工艺参数的四个取值区间进行交集处理，最终得到的取值区间，就是热挤压工艺参数的优选取值。

其中，预设的选择条件包括：管坯的最高温度小于管坯材料的初熔温度；模具的最高温度小于模具材料的软化温度；挤压峰值载荷不高于设备承载极限；荒管的晶粒尺寸与目标晶粒尺寸相差小于等于10μm。

其中，需要注意的是，设备承载极限并非设备真正的承载极限，而是经过安全换算后，所得到的安全承载极限。

另外，在具体执行的时候，管坯合金的初熔温度由热力学相图计算获得，所述的设备承载极限由实际设备工况决定，所述的模具材料软化温度以目前普遍使用的热挤压模具材料H13热作模具钢为准，软化温度为650℃，所述的目标晶粒尺寸由管材用途决定。

本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法中，在对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析后，分别得到三个热挤压工艺参数对应的热挤压工艺参数备选数据下的管坯的优化判据数据，再根据该优化判据数据，构建每一种热挤压工艺参数与优化判据数据之间的曲线关系，并根据所述关系曲线以及预设的判据阈值，确定每一种优化判据数据所对应的热挤压工艺参数的取值区间，然后再对所有优化判据数据所对应的同一种热挤压工艺参数的取值区间进行交集处理，获取热挤压工艺参数的优选取值。在这个过程中，使用四种优化判据数据，综合对三个工艺参数进行优选，能够针对镍基合金管材在热挤压过程中的多种工艺参数进行更加精确的获取，对实际生产进行更加有效的指导。

实施例一：

本例采用数值模拟方法优选镍基高温合金In740H合金管材热挤压工艺 参数。

本实施例中所述的高温合金In740H的化学组成成分重量百分比为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。

根据本发明所述的目的和工作原理，具体技术方案为：

高温热压缩实验样品取自In740H合金锻棒的1/2半径处，加工成Φ8×12mm圆柱，高温压缩实验在Gleeble热模拟试验机上进行，热压缩温度选择1000℃、1050℃、1100℃和1150℃，应变速率选择0.1s-1、1s-1和10s-1，压缩真应变量为0.16、0.35、0.7和0.9，共48组变形条件，得到合金的流变曲线、本构方程及包含动态再结晶的组织演化数学模型。

根据In740H合金管材实际尺寸在商用软件Deform中建立有限元模型，示意图如图13所示。管坯尺寸外径Φ218mm，内径Φ70mm，长度610mm，模型中各部件采用四边形单元进行网格化离散。

对In740H合金管材热挤压过程进行数值模拟，得到挤压全过程管坯和模具的温度分布、管坯的应变量分布、挤压结束时荒管的晶粒尺寸分布和挤压载荷随时间的变化曲线，并从中确定该次模拟过程中工艺参数优化判据的具体取值，即管坯最高温度、模具最高温度、挤压载荷峰值和热挤压荒管(非端部)1/2壁厚处的晶粒尺寸。

改变挤压工艺参数的取值(包括：挤压速度、管坯预热温度和挤压比)，对每种工艺参数组合进行一次数值模拟，在改变一种工艺参数取值时，其他参数保持不变。

确定每一次数值模拟计算过程中的优化判据取值，并绘制以下曲线：以挤压速度为横坐标，以不同挤压速度下的管坯最高温度为纵坐标绘制曲线，按照同样方法绘制挤压速度-模具最高温度曲线，挤压速度-挤压载荷峰值曲线，挤压速度-1/2壁厚处的晶粒尺寸曲线。另外两种挤压工艺参数 ——管坯预热温度和挤压比的对应曲线采用与挤压速度相同的方法，总计绘制12条曲线。

利用热力学相图软件计算In740H合金的平衡相图，确定合金的初熔温度为1300℃(图4)，确定热挤压模具材料H13热作模具钢的软化温度为650℃，确定实际挤压设备的承载极限为3800吨(38MN)，确定In740H合金热挤压荒管的目标晶粒尺寸为55μm。

采用上述标准对每种挤压工艺参数进行优选：挤压过程中管坯最高温度不高于合金的初熔温度(1300℃)，模具最高温度不高于模具材料的软化温度(650℃)，挤压载荷峰值不高于设备的承载极限，荒管1/2壁厚处的晶粒尺寸与目标值相差不大于10μm；

确定每种工艺参数使所有优化判据满足标准的取值范围，并对四种取值范围取交集，进而优化工艺参数。以挤压速度为例，具体如图5-图9所示：挤压速度的备选值为25、50、75、100、125、150和200mm/s，数值模拟结果表明当挤压速度低于133.6mm/s时，管坯最高温度低于In740合金初熔温度1300℃(图5)；当挤压速度低于191.1mm/s时，模具最高温度低于模具软化温度650℃(图6)；在所有备选挤压速度下，挤压峰值载荷均低于设备承载极限38MN(图7)；当挤压速度在67.0mm/s～161.6mm/s范围时，荒管1/2壁厚处的晶粒尺寸与目标晶粒尺寸的差值不大于10μm(图8)。对以上优选范围进行叠加，取交集可得In740H合金管材热挤压过程中挤压速度的优选范围为67.0mm/s～133.6mm/s。

采用相同方法对其他工艺参数进行优选，同时使四个优化判据满足标准的管坯预热温度范围为1130～1170℃，挤压比小于7.2。

在6000吨挤压机上对In740H合金管材进行热挤压试制，以验证优选工艺参数的正确性。试制管坯尺寸为外径Φ218mm，内径Φ70mm，长度610mm，荒管尺寸为外径Φ105mm，内径Φ61mm，经计算挤压比为5.8。结合工艺参 数优选范围，选定挤压速度100mm/s，管坯预热温度1160℃。整个挤压过程顺利，挤压结束后得到的荒管表面质量高，无内部裂纹，横截面1/2半径处的晶粒尺寸为61μm(图9)。

实施例二：

本例采用数值模拟方法优选镍基耐蚀合金In690合金管材热挤压工艺参数。

本实施例中所述的耐蚀合金In690的化学组成成分重量百分比为C≤0.05％，Cr：27～31％，Fe：7％～1.0％，Si≤0.5％，Cu≤0.5％，Ni：余量。

根据本发明所述的目的和工作原理，具体技术方案为：

高温热压缩实验样品取自In690合金锻棒的1/2半径处，加工成Φ8×12mm圆柱，高温压缩实验在Gleeble热模拟试验机上进行，热压缩温度选择1050℃、1100℃、1150℃和1200℃，应变速率选择0.1s-1、1s-1和10s-1，压缩真应变量为0.16、0.35、0.7和0.9，共48组变形条件，得到合金的流变曲线、本构方程及包含动态再结晶的组织演化数学模型。

根据In690合金管材实际尺寸在商用软件Deform中建立有限元模型。管坯尺寸外径Φ204mm，内径Φ77.5mm，长度600mm，模型中各部件采用四边形单元进行网格化离散。

对In690合金管材热挤压过程进行数值模拟，得到挤压全过程管坯和模具的温度分布、管坯的应变量分布、挤压结束时荒管的晶粒尺寸分布和挤压载荷随时间的变化曲线，并从中确定该次模拟过程中工艺参数优化判据的具体取值，即管坯最高温度、模具最高温度、挤压载荷峰值和热挤压荒管(非端部)1/2壁厚处的晶粒尺寸。

改变挤压工艺参数的取值(包括：挤压速度、管坯预热温度和挤压比)，对每种工艺参数组合进行一次数值模拟，在改变一种工艺参数取值时，其他参数保持不变。

确定每一次数值模拟计算过程中的优化判据取值，并绘制以下曲线：以挤压速度为横坐标，以不同挤压速度下的管坯最高温度为纵坐标绘制曲线，按照同样方法绘制挤压速度-模具最高温度曲线，挤压速度-挤压载荷峰值曲线，挤压速度-1/2壁厚处的晶粒尺寸曲线。另外两种挤压工艺参数——管坯预热温度和挤压比的对应曲线采用与挤压速度相同的方法，总计绘制12条曲线。

利用热力学相图软件计算In690合金的平衡相图，确定合金的初熔温度为1387℃，确定热挤压模具材料H13热作模具钢的软化温度为650℃，确定实际挤压设备的承载极限为3500吨(35MN)，确定In690合金热挤压荒管的目标晶粒尺寸为65μm。

采用上述标准对每种挤压工艺参数进行优选：挤压过程中管坯最高温度不高于合金的初熔温度(1387℃)，模具最高温度不高于模具材料的软化温度(650℃)，挤压载荷峰值不高于设备的载荷极限(35MN)，荒管1/2壁厚处的晶粒尺寸与目标值相差不大于10μm；

确定每种工艺参数使所有优化判据满足标准的取值范围，并对四个取值范围取交集，进而优化工艺参数。具体过程与实施例1相同，经过优选得到In690合金管材热挤压的优选挤压速度范围为：183.5mm/s～277.0mm/s，管坯预热温度范围为：1183℃～1251℃，挤压比范围为：8.8～17.4。

在3500吨挤压机上对In690合金管材进行热挤压试制，以验证优选工艺参数的正确性。试制管坯尺寸为外径Φ204mm，内径Φ77.5mm，长度600mm，荒管尺寸为外径Φ87.5mm，内径Φ72.5mm，经计算挤压比为14.8。结合工艺参数优选范围，选定挤压速度200mm/s，管坯预热温度1200℃。整个挤压过程顺利，挤压结束后得到的荒管表面质量高，无内部裂纹，横截面1/2半径处的晶粒尺寸为70μm。

本发明又一实施例还提供一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取装置，参见图10所示，该装置包括：

数值模拟分析单元，用于对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取多组不同热挤压工艺参数备选数据下的管坯的优化判据数据；所述热挤压工艺参数包括：热挤压速度、管坯预热温度以及热挤压比；所述优化判据数据包括：挤压全过程中管坯的最高温度、挤压全过程中模具的最高温度、挤压载荷峰值和荒管的晶粒尺寸；

关系曲线构件单元，用于构建每一种热挤压工艺参数与优化判据数据之间的关系曲线，

取值区间确定单元，用于根据所述关系曲线以及预设的判据选择条件，确定每一种优化判据数据所对应的热挤压工艺参数的取值区间；

优选取值获取单元，用于对所有优化判据数据所对应的同一种热挤压工艺参数的取值区间进行交集处理，获取热挤压工艺参数的优选取值。

本实施例中，数值模拟分析单元、关系曲线构件单元、取值区间确定单元和优选取值获取单元的具体功能和交互方式，可参见图1对应的实施例的记载，在此不再赘述。

本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取装置中，在对热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析后，分别得到三个热挤压工艺参数对应的热挤压工艺参数备选数据下的管坯的优化判据数据，再根据该优化判据数据，构建每一种热挤压工艺参数与优化判据数据之间的曲线关系，并根据所述关系曲线以及预设的判据阈值，确定每一种优化判据数据所对应的热挤压工艺参数的取值区间，然后再对所有优化判据数据所对应的同一种热挤压工艺参数的取值区间进行交集处理，获取热挤压工艺参数的优选取值。在这个过程中，使用四种优化判据数据，综合对三个工艺参数进行优选，能够针对镍基合金管材在热挤压过程中的多种工艺参 数进行更加精确的获取，对实际生产进行更加有效的指导。

参见图10所示，本发明又一实施例还提供镍基合金管材热挤压工艺参数获取装置中，数值模拟分析单元的具体结构，包括：

数据获取模块，用于获取管坯材料的真应力-真应变曲线或者本构方程，并获得所述管坯材料所对应的包含动态再结晶过程的组织演化数学模型；

有限元分析模块，用于根据所述真应力-真应变曲线或者本构方程，并根据所述组织演化数学模型，使用有限元分析法对所述热挤压模型进行管坯热挤压过程的数值模拟分析，获取每一组热挤压工艺参数取值下的管坯的温度场分布数据、模具的温度场分布数据、荒管的晶粒度分布数据和挤压载荷随时间变化数据；

优化判据数据获取模块，用于根据所述管坯的温度场分布数据、模具的温度场分布数据、荒管的晶粒度分布数据和挤压载荷随时间变化数据，获取每一组热挤压工艺参数取值下的管坯的优化判据数据。

本实施例中，数据获取模块、有限元分析模块和优化判据数据获取模块的具体功能和交互方式，可参见图3对应的实施例的记载，在此不再赘述。

参见图12所示，本发明又一实施例还提供另外一种镍基合金管材热挤压工艺参数获取装置，还包括：热挤压工艺参数备选数据生成单元，调整热挤压工艺参数的取值，获得多组热挤压工艺参数备选数据。

本实施例中，热挤压工艺参数备选数据生成单元具体功能和交互方式，可参见图2对应的实施例的记载，在此不再赘述。

在上述几个实施例中，所述预设的判据选择条件包括：管坯的最高温度小于管坯材料的初熔温度；模具的最高温度小于模具材料的软化温度；挤压峰值载荷不高于设备承载极限；荒管的晶粒尺寸与目标晶粒尺寸相差 小于等于10μm。

本发明有益效果：

(1)对镍基合金管材热挤压过程进行数值模拟可以跟踪工艺全过程，给出管坯和模具在挤压各个阶段的温度场、应变场和应力场分布以及挤压载荷随时间的变化曲线，进而直接确定优化判据的具体数值。同时，工艺参数的变化和组合是在计算机上行模拟实现的，节省了大量实际试挤压所带来的成本。

(2)本发明中优化判据的提出充分结合了镍基合金的特点，该类合金管材的服役条件要求其具有优异的高温强度和耐蚀性，为此在合金设计时加入了大量的合金元素，由此引出该类管材热挤压生产的主要技术难点：1)合金化程度的提高会通过固溶强化机制增大材料的热变形抗力，在挤压参数选择不当时导致挤压载荷大于设备承载极限而使管材无法顺利挤出(即“闷车”)；2)Al、Ti等合金元素的加入会明显降低合金的初熔温度，由于管材挤压在密闭的挤压筒内进行，且管坯表面涂覆了具有保温效果的润滑剂，因此挤压过程中坯料会出现剧烈的温升，这一温升会使材料变形抗力降低而有利于挤压，但如果温升过大会使坯料局部温度超过合金初熔温度而形成局部液相，该区域在后续变形和冷却过程中成为裂纹萌生点，引起内部和表面质量问题甚至导致管材局部碎裂；3)合金元素的大量加入使镍基合金具有较低的层错能，进而在变形量较大的热挤压过程中倾向于以动态再结晶作为主要软化和晶粒细化方式，使热挤压荒管的组织决定于挤压过程中动态再结晶发生的程度以及再结晶的晶粒尺寸，因此本发明通过高温热压缩实验获得包括动态再结晶的组织演化数学模型。

由此可知，本发明分析了镍基合金管材热挤压实际过程中主要问题的本质原因，并建立其与实际工艺参数之间的关系，通过数值模拟对每种工艺参数针对每个实际问题进行优化并将优化范围叠加，最终给出同时解决各种问题的优选参数范围。

本发明实施例所提供的镍基合金管材热挤压工艺参数获取方法以及装置的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。