叶片是汽轮机中的核心零部件,起着能量转换的关键作用。叶片轮廓曲面复杂,所用材料多为变形抗力大的特种合金。叶片锻造是一个受诸多因素影响的复杂工艺过程,且成形期间的变形、传热和微观组织演变之间存在一系列交互作用。由于微观组织在很大程度上决定了叶片的宏观机械性能,所以,预测和控制模锻叶片的微观组织,对于拟定合理的模锻工艺方案、提高叶片的综合机械性能具有重要的现实意义。本文借助有限元数值模拟技术,采用能反映材料流动应力的本构关系和微观组织演变的元胞自动机法,研究叶片的模锻成形过程及其微观组织演变。同时,考虑到始锻温度、始锻能量、模具预热温度和界面摩擦系数等多因素对叶片成形质量及其最终组织的影响,本文引入了正交实验法,以寻求既能保证叶片成形质量又能满足终锻组织和性能要求的模锻工艺方案。研究结果表明:(1)叶片模锻过程中,其叶根和叶身部位的变形量及其分布不尽相同,叶身部位变形较叶根部位大;温度分布也不均匀且叶身部位的不均匀性要比叶根大。相同条件下,较高的始锻温度有利于坯料金属的流动,使之易于充模成形,从而减少锤击次数。良好的润滑条件(即较小的摩擦系数)可以改善金属的流动性,降低坯料与模具接触面的摩擦力,还可以减少接触界面层的坯料不均匀变形,以及由此造成的残余应力。(2)应用元胞自动机法,可以较好地揭示模锻叶片成形过程中的动态再结晶现象,包括晶粒的形核、生长、位向,以及尺寸大小和分布,获得同经典理论和物理实验基本一致的叶片终锻组织结构。(3)由于锤击速度极快,变形瞬间温度对动态再结晶晶粒形核和晶粒尺寸的影响较小,所以模锻叶片动态再结晶晶粒的形核率和晶粒尺寸主要与应变速率有关。(4)无论是叶根截面或是叶身截面,其上不同区域的再结晶晶粒平均尺寸从小到大依次为:自由表面区＜接触界面区＜芯部区,这实际上由三个区域的应变速率、温度变化和摩擦约束等因素所决定。(5)终锻叶片空冷后各区域的平均晶粒尺寸与该区域的温度高低和变化快慢有关。