鎳基耐熱合金熱變形行為的研究現(xiàn)狀

魯 宏，戴魏魏，蔣立鶴，潘 佳，趙 江

（1.中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)南京國(guó)際船舶設(shè)備配件有限公司，江蘇 南京 211121；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

隨著航空航天事業(yè)和船舶制造技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和船舶燃?xì)廨啓C(jī)等關(guān)鍵動(dòng)力構(gòu)件的性能要求也越來(lái)越高。

鎳基耐熱合金由于其優(yōu)秀的抗高溫蠕變，抗氧化性能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥和渦輪盤等高溫?zé)岫肆悴考纳a(chǎn)[1]。

雖然鎳基合金作為一種高合金化的材料擁有優(yōu)良的力學(xué)性能，但是正是由于其高合金化導(dǎo)致了顯微組織的調(diào)控更加困難，其服役性能受熱加工參數(shù)的影響更為敏感。現(xiàn)今人們已經(jīng)對(duì)于鎳基合金的高溫變形行為做出了大量的研究以期望獲得優(yōu)良的鎳基合金產(chǎn)品。很多關(guān)于鎳基合金顯微組織的調(diào)控研究也在相繼進(jìn)行，方法種類也繁多，目前還沒有系統(tǒng)地歸納整理。

本文對(duì)鎳基耐熱合金這種廣泛使用的合金的研究進(jìn)行綜合性敘述。介紹該合金的一些最近的研究進(jìn)展以期望能為廣大鎳基耐熱合金鋼的使用者提供理論化的參考。

1 鎳基合金本構(gòu)模型與加工圖研究現(xiàn)狀

1.1 鎳基合金本構(gòu)模型研究現(xiàn)狀

材料在變形過程中宏觀流變應(yīng)力隨著熱變形工藝參數(shù)而改變，主要的工藝參數(shù)有變形溫度、變形速率和應(yīng)變量，通常認(rèn)為材料的宏觀應(yīng)力和這些變形參數(shù)之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，而這個(gè)函數(shù)關(guān)系就是材料的本構(gòu)模型。而當(dāng)材料在被熱加工時(shí)通常伴隨有兩種相互對(duì)立的材料演化機(jī)制，一種是引起材料宏觀應(yīng)力升高的加工硬化機(jī)制，另一種是使材料的宏觀應(yīng)力降低的動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制。

通常，在材料的熱加工過程中，加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化現(xiàn)象同時(shí)存在，而且這些現(xiàn)象受變形參數(shù)的影響劇烈，因此材料的應(yīng)力隨著材料加工參數(shù)的變化也是復(fù)雜的、高度非線性的。

為了能合理制定出鎳基合金的熱變形工藝方案，目前很多學(xué)者都對(duì)該類合金的本構(gòu)模型進(jìn)行了研究。

當(dāng)前的本構(gòu)模型的構(gòu)建方式主要有三種方式即經(jīng)驗(yàn)型本構(gòu)模型，物理型本構(gòu)模型和計(jì)算機(jī)輔助的人工智能型本構(gòu)模型。

經(jīng)驗(yàn)型模型是通過擬合經(jīng)驗(yàn)公式得到的應(yīng)力與變形參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式，Johnson-Cook(JC)模型、Khan-Huang(KH)模型和Arrhenius模型等都是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＝?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯^為簡(jiǎn)單，使用較為方便，是通過人們大量的研究對(duì)比出來(lái)的，因此對(duì)于實(shí)際工業(yè)的應(yīng)用較合適，而不適合作為進(jìn)一步深入研究的基礎(chǔ)。物理模型是從原理方面來(lái)構(gòu)建材料的本構(gòu)關(guān)系，通常包括熱力學(xué)、位錯(cuò)移動(dòng)和滑移動(dòng)力學(xué)等理論，但是這類方程需要求解的參數(shù)繁多，計(jì)算精度有待提高。

但是物理模型卻能夠?yàn)楹罄m(xù)的研究提供理論支撐，物理模型的參數(shù)都代表了材料某一方面的性能，因此物理本構(gòu)模型對(duì)于材料的內(nèi)稟性能表征的更加具體。而隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，人工智能型本構(gòu)模型已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的使用。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)由于其自身學(xué)習(xí)性能好、自適應(yīng)能力強(qiáng)被廣泛應(yīng)用于材料流變模型的建立。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是一種自主學(xué)習(xí)型模型，其對(duì)非線性關(guān)系的擬合效果較強(qiáng)，因此對(duì)于材料的本構(gòu)關(guān)系這種復(fù)雜模型的擬合較為實(shí)用；但是即使在同樣的參數(shù)下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果都有可能不是一樣的，這對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的運(yùn)用提出了質(zhì)疑。

所以在此基礎(chǔ)上，支持向量回歸機(jī)(SVR)模型由于其高穩(wěn)定性和高精度被引入材料流變行為的研究領(lǐng)域[2]。支持向量機(jī)的主要結(jié)構(gòu)是輸入向量、輸出向量和核函數(shù)，當(dāng)支持向量機(jī)的主要參數(shù)確定以后，通過樣本訓(xùn)練的模型的結(jié)果是保持不變的。

和所有智能模型一樣，這種通過高度非線性擬合得出的模型本身沒有物理意義，而預(yù)測(cè)精度比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ透吆芏唷?/p>

1.2 鎳基合金加工圖研究現(xiàn)狀

金屬或合金在熱變形過程中所能被成形的能力常用材料的加工性表示，加工性指的是材料在不發(fā)生破壞時(shí)所發(fā)生的最大變形能力。

材料的加工性可分為外在加工性和內(nèi)稟加工性，外在加工性與工件的形狀受力狀態(tài)有關(guān)，而內(nèi)稟加工性這是材料本身的性能，通常用熱加工圖反映。從加工圖建立至今，常用的加工圖類型有兩類，一類是基于動(dòng)態(tài)材料模型建立的加工圖，對(duì)該種加工圖研究較深入的是Prasad等人。該類加工圖著重考慮的是顯微結(jié)構(gòu)受到工藝參數(shù)的變化規(guī)律，它依據(jù)不可逆熱力學(xué)原理，可以很快的識(shí)別出材料在各種變形參數(shù)下的變形機(jī)制和微觀演化機(jī)制，可以幫助設(shè)計(jì)者或研究員快速制定合理的熱加工方案，也能迅速獲得理想組織所對(duì)應(yīng)的熱變形參數(shù)組合。另一類加工圖是由Raj等人綜合考慮了硬質(zhì)點(diǎn)周圍的空洞形核、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、絕熱剪切帶以及三角晶界點(diǎn)的楔形開裂這四種原子活動(dòng)機(jī)制所建立的。該類加工圖是基于原子模型建立的，其推導(dǎo)過程及其復(fù)雜，而且需要求解的參數(shù)非常多，而且對(duì)于很多變形機(jī)制在該模型中沒有求解，因此該類加工圖對(duì)于變形機(jī)制的識(shí)別能力有限。

目前，最廣泛使用的加工圖是由Prasad等人發(fā)展的熱加工圖。

在鎳基耐熱合金領(lǐng)域，加工圖已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，而且已經(jīng)與實(shí)際相結(jié)合，成功運(yùn)用加工圖找到了優(yōu)化后的熱加工區(qū)間。

關(guān)于Nimonic 80A，90，75三種鎳基耐熱合金的熱加工圖已經(jīng)建立，并且比較了這三種材料的加工圖數(shù)值水平，區(qū)間分布之間的差異[3]。

基于動(dòng)態(tài)材料模型，呂亞臣等人建立了inconel690鎳基耐蝕合金的熱加工圖，并且識(shí)別了最優(yōu)的熱加工參數(shù)區(qū)間，成功獲得了細(xì)化的晶粒組織[4]。

2 鎳基合金顯微組織調(diào)控研究現(xiàn)狀

2.1 目標(biāo)函數(shù)法在鎳基合金中的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)如今對(duì)于鎳基合金的成形件的要求已經(jīng)不再止步于形狀上的可控，而更多的要求組織上的可調(diào)節(jié)。已經(jīng)有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者將對(duì)鎳基耐熱合金構(gòu)件的最終組織調(diào)節(jié)作為主要目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

C.M.Sellar等人通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合求解出了材料在熱變形過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)模型和晶粒長(zhǎng)大模型，并將模型植入于數(shù)值模擬中去，觀察了材料在熱軋過程中的組織演化規(guī)律[5]。

S..Jang等人對(duì)依據(jù)鎳基合金的壓縮實(shí)驗(yàn)，求解了Yada動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒演化模型，將求解的模型植入于數(shù)值模擬軟件中模擬了顯微演化的結(jié)果，并用鐓粗試樣的最終金相組織對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[6]。

S.K.Lee等人將平均晶粒尺寸與實(shí)際晶粒尺寸的差值作為優(yōu)化目標(biāo)，借助剛-粘塑性有限元法建立擠壓模型，求解以模具形狀與產(chǎn)品微觀組織為目標(biāo)的優(yōu)化問題。除此之外，大量的學(xué)者都研究了鎳基耐熱合金在不同加工工藝參數(shù)下的組織演變規(guī)律，并依據(jù)所求得的規(guī)律實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)零件組織的精準(zhǔn)定向調(diào)控[7]。

2.2 鎳基合金晶界工程調(diào)控研究現(xiàn)狀

由于鎳基耐熱合金構(gòu)件的使用要求越來(lái)越苛刻，僅僅對(duì)合金中晶粒尺寸大小的調(diào)節(jié)已經(jīng)不再滿足要求，研究者們開始將目光轉(zhuǎn)移到特殊晶界的調(diào)控。國(guó)外Visit等人通過使用晶界工程提高Σ3n晶界的比例提高了Ni-16Cr-9Fe合金的抗蠕變性能[8]。

Bechtle等人通過調(diào)整熱變形及熱處理參數(shù)提高純鎳內(nèi)部特殊孿晶界比例約30%，最終達(dá)到75%，最后該鎳的延伸率增加了100%，斷裂韌度值提高了20%～30%[9]。

Krupp等人經(jīng)過循環(huán)的晶界工程調(diào)控處理，將IN718的Σ1～29的晶界比例從20.9%提高到41.0%，有效地降低了氧誘發(fā)晶界脆性斷裂的敏感性[10]。當(dāng)前雖然對(duì)于鎳基合金中的晶界工程調(diào)控已經(jīng)取得了進(jìn)展，但是對(duì)于特殊晶界的密度的量化研究以及精準(zhǔn)調(diào)控方面還未有廣泛的研究和應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了鎳基耐熱合金熱變形行為的研究現(xiàn)狀，主要包括對(duì)鎳基耐熱合金材料的本構(gòu)模型和熱加工圖的研究現(xiàn)狀分析。

對(duì)于熱變形顯微組織研究方面，本文介紹了目標(biāo)函數(shù)法在顯微組織調(diào)控中的研究現(xiàn)狀，并介紹了晶界工程調(diào)控在鎳基耐熱合金中應(yīng)用。