GH4049合金的熱加工圖研究

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度、抗張強度、蠕變強度［1］，已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機渦輪葉片制造［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。熱加工圖可以用來分析和預(yù)測材料在不同區(qū)域即不同變形條件下的變形特點和變形機制，進而獲得熱加工的安全區(qū)和不安全區(qū)，達到優(yōu)化加工工藝參數(shù)、避免產(chǎn)生缺陷［7］。近年來，基于動態(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 實驗方法

實驗所用材料為熱軋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滑劑的淺槽。壓縮試驗在Gleebe-1500型熱模擬試驗機上進行，試驗過程中，配有計算機處理系統(tǒng)的試驗機自動采集試驗數(shù)據(jù)，并進行計算和修正。試驗變形溫度為: 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非線性能量耗散單元，外力對工件輸入的能量主要貢獻在兩個方面: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表示材料大變形時的流變失穩(wěn)判據(jù)，當(dāng)ξ＜0時，為材料發(fā)生非穩(wěn)態(tài)流變，如下所示:

3 實驗結(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)變增加先增大后減小，具有明顯的應(yīng)力峰值，這可能是材料發(fā)生了動態(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，流動應(yīng)力很快達到峰值，然后波動緩慢下降，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，計算出不同變形溫度與應(yīng)變速率下GH4049合金變形時的能量耗散率η值，然后繪制出能量耗散圖。計算不同溫度和應(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)晶粒相對其他區(qū)域特別細小，見圖3。隨著應(yīng)變增加，形成絕熱剪切變形帶，可能產(chǎn)生開裂。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)先在晶界形核并長大，加之應(yīng)變速率較大，晶粒內(nèi)部的晶核來不及長大。

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)為典型的動態(tài)再結(jié)晶組織，見圖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，η達到峰值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其它區(qū)域也較為密集，說明這些區(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，集中在兩個區(qū)域，可見GH4049合金的熱變形參數(shù)范圍較窄。變形失穩(wěn)區(qū)域為溫度范圍為1060～1110℃、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)域在熱變形時應(yīng)該盡量避開。

(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，是合金典型的動態(tài)再結(jié)晶區(qū)，峰值效率為32%。

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