U720Li高溫合金熱變形行為研究

陳志遠(yuǎn)

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

高溫合金是高工作溫度發(fā)動(dòng)機(jī)的重要構(gòu)成材料，由于使用者對(duì)其在高溫高應(yīng)力下工作的需求日益增長(zhǎng)，高溫合金的合金化程度日益提高[1-3]。高溫合金是指在600℃上高溫條件下，仍能夠承受高強(qiáng)度復(fù)雜工作環(huán)境，并保持一定表面穩(wěn)定性的合金，這些合金在成份上屬于高合金化鐵基、鎳基、鈷基奧氏體金屬材料，鎳基變形高溫合金在先進(jìn)航空關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)部件的制備中擔(dān)任著重要角色，并且推動(dòng)著發(fā)動(dòng)機(jī)向高推比、高可靠性、低制造成本方向發(fā)展[4]。U720Li合金由美國(guó)Special Metals公司開發(fā)，是鎳基高溫合金的一種，本文就U720Li合金進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究中使用的材料為U720Li合金鑄錠，U720Li合金其元素組成見表1。鑄錠通過機(jī)械加工為Φ8mm×12mm的圓柱體試樣。

表1 U720Li合金的各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ω%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及參數(shù)

通過使用Gleeble-1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)通過固定夾頭固定試樣，加熱至預(yù)定溫度后再通過移動(dòng)夾頭的等速移動(dòng)對(duì)試樣進(jìn)行加載，以此進(jìn)行恒溫等變形速率的壓縮變形，試樣裝置如圖1所示。

圖1 壓縮式樣裝置

本研究通過將Φ8mm×12mm圓柱形U720Li合金試樣在變形量60%、變形速度5×10-4～10s-1、變形溫度900℃～1150℃的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體工藝參數(shù)見表2。

表2 U720Li合金熱模擬壓縮試驗(yàn)工藝參數(shù)

圖2 U720Li合金在各變形溫度下不同應(yīng)變速率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 U720Li高溫合金熱變形行為

2.1 U720Li高溫合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為U720Li合金在溫度為900℃～1150℃，應(yīng)變速率為5×10-4s-1～10s-1的條件下時(shí)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。從圖2可以看出這些曲線有一個(gè)共同的特點(diǎn)：壓縮初期，應(yīng)力很快達(dá)到最高點(diǎn)，這是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候合金還沒有開始軟化；到達(dá)最高點(diǎn)后，合金開始動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，應(yīng)力在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用下緩慢下降，并逐漸接近穩(wěn)定。在最高溫度下以最低應(yīng)變速率變形時(shí)，應(yīng)力最高值與平穩(wěn)值接近，表現(xiàn)在圖中是上升到最高值后就變得平穩(wěn)的曲線。

變形初期，合金被壓縮變形，位錯(cuò)既不斷生長(zhǎng)增殖，也會(huì)由于相反方向的位錯(cuò)相遇而消失，位錯(cuò)的生長(zhǎng)增殖會(huì)增加應(yīng)力，消失會(huì)減少應(yīng)力，但抵消幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于位錯(cuò)增加的幅度，故應(yīng)力會(huì)持續(xù)增加。在最高應(yīng)力值時(shí)，其動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶中占主導(dǎo)地位的是軟化，它們的軟化作用會(huì)使合金更容易變形，應(yīng)力值會(huì)下降。最終位錯(cuò)的硬化作用與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用效果接近，應(yīng)力趨于平穩(wěn)。當(dāng)硬化作用強(qiáng)于軟化作用時(shí)，流變應(yīng)力降低；相反，應(yīng)力升高；兩者相近時(shí)，應(yīng)力平穩(wěn)。

影響合金應(yīng)力曲線的兩個(gè)主導(dǎo)因素是變形速率和變形溫度，同一溫度下應(yīng)變速率提高會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力曲線升高，說明應(yīng)變速率對(duì)該合金更能產(chǎn)生影響。

2.2 U720Li合金應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m

應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m是能夠表示材料在變形過程中成型能力的重要參數(shù)之一。根據(jù)Backofen公式[5,6]，流變應(yīng)力σ與應(yīng)變速率之間關(guān)系如下：

式中K為根據(jù)材料確定的常數(shù)。將上進(jìn)行取對(duì)數(shù)之后微分得到下式：

將U720Li合金的在熱壓縮試驗(yàn)中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(1)，繪制U720Li合金與lgσ的關(guān)系曲線，如圖3所示。圖中直線斜率即為m的值，通過回歸直線方程，計(jì)算其合金多個(gè)溫度條件下的m值，結(jié)果如表3所示。

圖3 U720Li合金的lgσ-lg曲線

表3 U720Li合金不同變形條件下的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值

通過上表我們得出，當(dāng)溫度為900℃時(shí)，m值最小，并且隨著變形溫度的升高，該合金的m值增大，在1100℃時(shí)m值出現(xiàn)峰值，為0.252，然后m值開始下降。

2.3 U720Li合金變形激活能Q

U720Li合金高溫的熱激活過程，通過式(3)：

式中，σ為應(yīng)力，K為常數(shù)，ε為變形量，n為硬化指數(shù)，˙為應(yīng)變速率，m為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)，Q為變形過程激活能。

當(dāng)變形溫度恒定時(shí)，在式(3)兩端對(duì)求導(dǎo)，得：

將式(5)代入式(4)，得：

根據(jù)U720Li合金各個(gè)溫度與應(yīng)變速率條件下熱壓縮試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制該合金的曲線，如圖4所示。

圖4 U720Li合金的lgσ-l/T曲線

將圖中曲線斜率代入式(6)，即可計(jì)算出變形激活能Q值。經(jīng)過計(jì)算，U720Li合金的變形激活能Q值如表4所示。從表4中可以看出，在上述條件下U720Li合金的變形激活能Q值在變形溫度1100℃，變形速率10s-1時(shí)Q為最小值401.10KJ/mol，變形溫度900℃，變形速率5×10-4s-1時(shí)Q為最大值828.85KJ/mol。并且在同一溫度下，變形速率越大，Q越低，同一變形速率下，Q隨溫度的增大降低，在1100℃降至最低點(diǎn)，隨后開始上升。

表4 U720Li合金高溫變形過程中的變形激活能Q值(單位：KJ/mol)

2.4 U720Li合金本構(gòu)方程

本文采用Arrhenius方程指數(shù)型關(guān)系建立本構(gòu)方程。由于要考慮另一個(gè)主要因素變形量，經(jīng)過式(1-3)的變形，該方程公式如下：

A1，n1同為與溫度無(wú)關(guān)聯(lián)的常數(shù)，n3為與應(yīng)變有關(guān)的參數(shù)，˙為應(yīng)變速率(s-1)，σ為流變應(yīng)力(MPa)，氣體常數(shù)R=8.314J/(mol·K)，Q為熱變形激活能(KJ/mol)。式(7)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可化為：

因?yàn)锳1，n1，n3均為與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，故式(8)可化為：

圖5 U720Li合金相關(guān)曲線

通過多元線性回歸方程，計(jì)算得B0=-5.75803，B1=0.19895，B2=-0.00183，B3=0.00177，B4=14.30622，B5=-0.14879，B6=-0.89422，B7=-0.25726，B8=-0.2107。將它們代入式(10)，得到U720Li合金的本構(gòu)方程如式(11)：

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)U720Li合金的高溫變形行為進(jìn)行了研究并使用Gleeble-1500熱模擬機(jī)進(jìn)行熱壓縮處理，得到了應(yīng)力應(yīng)變曲線、應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值、變形激活能Q。并得出以下主要結(jié)論：

①U720Li合金在不同變形溫度條件下的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值在0.163～0.252之間。當(dāng)變形溫度的升高時(shí)，U720Li的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并且當(dāng)溫度為1100℃時(shí)m值出現(xiàn)峰值。②U720Li合金在不同變形溫度條件下的變形激活能Q值在401.10kJ/mol～828.85kJ/mol之間。當(dāng)變形速率一定時(shí)，U720Li合金的變形激活能隨著變形溫度的升高呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，在1100℃時(shí)Q值最小。③U720Li合金的本構(gòu)方程為：