李 卿，郭鴻鎮(zhèn)，趙張龍，王彥偉，姚澤坤

(西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 前言

GH4049是一種難變形的沉淀強(qiáng)化鎳基高溫合金，它在高溫下具有良好的抗氧化、熱腐蝕性能和良好的屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度［1］，已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片制造［2］。然而，由于該合金熱加工參數(shù)范圍比較窄，在熱加工中容易出現(xiàn)晶粒粗化、裂紋等缺陷，因此，需要研究GH4049合金的熱變形特性。

Prasad和 Gegel等人［3-6］根據(jù)大塑性變形連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、物理系統(tǒng)模擬和不可逆熱力學(xué)理論建立了材料的熱加工圖，成功分析了材料的熱變形特性。熱加工圖可以用來(lái)分析和預(yù)測(cè)材料在不同區(qū)域即不同變形條件下的變形特點(diǎn)和變形機(jī)制，進(jìn)而獲得熱加工的安全區(qū)和不安全區(qū)，達(dá)到優(yōu)化加工工藝參數(shù)、避免產(chǎn)生缺陷［7］。近年來(lái)，基于動(dòng)態(tài)材料模型的熱加工圖技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于材料的熱加工性能研究。本文以GH4049合金的熱模擬壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了合金的熱加工圖，分析了合金的熱變形特性，旨在為GH4049合金的熱變形工藝制定提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為熱軋GH4049合金，化學(xué)成分如表1所示，其原始組織為均勻的等軸晶粒。合金加工成Ф8 mm×12 mm的圓柱體試樣，為了減少試樣與壓頭之間的摩擦，試樣兩端加工有貯存高溫潤(rùn)滑劑的淺槽。壓縮試驗(yàn)在Gleebe-1500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中，配有計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算和修正。試驗(yàn)變形溫度為: 1060℃、 1090℃、 1120℃、 1150℃、1180℃; 應(yīng)變速率為:0.1 s－1、1 s－1、10 s－1、50 s－1;最大變形程度為60%。試樣變形結(jié)束后水冷至室溫，以保留高溫變形組織，便于合金的變形特性分析。

表1 GH4049合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of GH4049 used in experiments %

2 熱加工圖理論基礎(chǔ)

動(dòng)態(tài)材料模型是基于大應(yīng)變塑性變形的連續(xù)力學(xué)、物理系統(tǒng)模擬和不可逆熱力學(xué)等方面的基本原理建立起來(lái)的，是熱加工圖建立的基礎(chǔ)。該模型［8-10］將熱加工工件看作一個(gè)非線性能量耗散單元，外力對(duì)工件輸入的能量主要貢獻(xiàn)在兩個(gè)方面:①塑性變形引起的能量耗散，其中大部分轉(zhuǎn)化為熱量，少部分存儲(chǔ)于零件中;②微觀組織演變所消耗的能量，例如相變、回復(fù)、再結(jié)晶等。塑性變形耗散的能量用G表示，微觀組織演變耗散的能量用J表示，則工件熱變形過(guò)程中吸收的總能量P可表示為:

將微觀組織演變耗散能量的J值經(jīng)過(guò)歸一化處理，定義為能量耗散率η值，參數(shù)η是材料成形過(guò)程中顯微組織演變所耗散的能量同線性耗散能量的比例關(guān)系:

式中，m為應(yīng)變速率敏感指數(shù)。

根據(jù)不可逆熱力學(xué)原理，采用參數(shù)ξ表示材料大變形時(shí)的流變失穩(wěn)判據(jù)，當(dāng)ξ＜0時(shí)，為材料發(fā)生非穩(wěn)態(tài)流變，如下所示:

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熱變形流變曲線

圖1為GH4049合金在不同應(yīng)變速率與不同變形溫度下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。從圖中可以明顯看出，各溫度下的流變曲線表現(xiàn)為流變應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾酉仍龃蠛鬁p小，具有明顯的應(yīng)力峰值，這可能是材料發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶或局部流變失穩(wěn)所致。在變形溫度一定的條件下，隨著變形速率的增加，峰值應(yīng)力明顯增大。在同一變形速率下，隨著變形溫度降低，峰值應(yīng)力也逐漸增大。從各圖高于1060℃的流變曲線可以看出，隨著變形程度的增大，流動(dòng)應(yīng)力很快達(dá)到峰值，然后波動(dòng)緩慢下降，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變特征。

3.2 熱加工圖

根據(jù)等溫壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用三次樣條函數(shù)擬合應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系，得出不同溫度下的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m值，計(jì)算出不同變形溫度與應(yīng)變速率下GH4049合金變形時(shí)的能量耗散率η值，然后繪制出能量耗散圖。計(jì)算不同溫度和應(yīng)變速率下合金的ξ值，繪制加工失穩(wěn)圖。將能量耗散圖與失穩(wěn)圖疊加在一起便構(gòu)成了GH4049合金的熱加工圖，如圖2所示。圖中等值線表示變形過(guò)程中的能量耗散率η，陰影部分表示變形失穩(wěn)區(qū)。

從圖2所示GH4049合金的熱加工圖可以看出，合金的失穩(wěn)區(qū)域 (陰影部分)較大，主要集中在兩個(gè)區(qū)域。在溫度為1060～1110℃、應(yīng)變速率為0.7～50 s－1的變形失穩(wěn)區(qū)內(nèi)，合金變形后的組織表現(xiàn)為局部變形，中間大變形區(qū)晶粒相對(duì)其他區(qū)域特別細(xì)小，見(jiàn)圖3。隨著應(yīng)變?cè)黾樱纬山^熱剪切變形帶，可能產(chǎn)生開(kāi)裂。在溫度為1120～1180℃、應(yīng)變速率為1.8～50 s－1的變形失穩(wěn)區(qū)域內(nèi)，合金變形后組織可能表現(xiàn)為個(gè)別晶粒粗大。由于晶界存在粗大的碳化物，再結(jié)晶晶粒優(yōu)先在晶界形核并長(zhǎng)大，加之應(yīng)變速率較大，晶粒內(nèi)部的晶核來(lái)不及長(zhǎng)大。

圖1 GH4049合金在應(yīng)變速率為0.1 s－1(a)、1 s－1(b)、10 s－1(c)、50 s－1(d) 時(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-strain flow curves of GH4049 alloy at 0.1 s－1(a)，1 s－1(b)，10 s－1(c)and 50 s－1(d)

從圖2合金的熱加工圖中可以看出，合金的穩(wěn)定區(qū)域 (非陰影部分)較窄。在溫度為1110～1175℃、應(yīng)變速率為0.1～1.8 s－1的變形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，峰值效率為32%，GH4049合金變形后組織表現(xiàn)為典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，見(jiàn)圖4。在溫度為1060～1130℃、應(yīng)變速率為0.1～0.5 s－1的變形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，能量耗散率η值較高，特別是在溫度為1060℃、應(yīng)變速率為0.1 s－1時(shí)，η達(dá)到峰值55%，而且等值線較為密集，表明該區(qū)域可能為潛在裂紋區(qū)域。此外，熱加工圖左上和右上角處的等值線相對(duì)其它區(qū)域也較為密集，說(shuō)明這些區(qū)域能量耗散率隨溫度和應(yīng)變速率增加的變化均較快。

圖4 GH4049合金在1150℃、1 s－1時(shí)的變形組織Fig.4 Microstructure for GH4049 alloy processed at 1150℃ and 1 s－1

4 結(jié)論

(1)GH4049合金在各變形溫度與應(yīng)變速率下，隨著應(yīng)變的增加，均發(fā)生了典型的流變軟化現(xiàn)象。變形過(guò)程中，隨著變形溫度的升高和變形速率的降低，峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力均顯著下降。

(2)GH4049合金的失穩(wěn)區(qū)域較大，集中在兩個(gè)區(qū)域，可見(jiàn)GH4049合金的熱變形參數(shù)范圍較窄。變形失穩(wěn)區(qū)域?yàn)闇囟确秶鸀?060～1110℃、應(yīng)變速率范圍為0.7～50 s－1區(qū)域及溫度范圍為1120～1180℃、應(yīng)變速率范圍為1.8～50 s－1區(qū)域。這些區(qū)域在熱變形時(shí)應(yīng)該盡量避開(kāi)。

(3)GH4049合金的變形穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，溫度范圍為1110～1175℃、應(yīng)變速率范圍為0.1～1.8 s－1區(qū)域，是合金典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)，峰值效率為32%。

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