U720Li 高溫合金熱加工圖

陳志遠(yuǎn)

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

DMM 加工圖以大塑性變形連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、不可逆熱力學(xué)和物理系統(tǒng)模擬為基礎(chǔ)。DMM 加工圖將外界作用與材料塑性形變消耗二者的能量聯(lián)系在一起，可以表述外界作用的能量通過工件塑性變形耗散的信息。

利用加工圖，可以更加方便的選區(qū)合適的加工區(qū)間，使得金屬材料在加工后能夠獲得更好的性能

1 U720Li 合金

1.1 U720Li 合金簡(jiǎn)介

“Li”的全稱是“Low interstitial”，意為低間隙原子［1］。U720Li 標(biāo)準(zhǔn)成分見表1。

U720Li 合金強(qiáng)化元素和強(qiáng)化γ′相的含量都非常之高，強(qiáng)化元素含量14%，γ′相含量40%～50%。受益于強(qiáng)化元素與強(qiáng)化γ′相高含量，該合金使用溫度較高，高溫下依舊擁有優(yōu)異性能，基于這一點(diǎn)，該合金主要用于制作工作溫度650～750 ℃的氣壓機(jī)盤和渦輪盤、在900 ℃短時(shí)間工作的渦輪盤，在工作溫度極高，不要求較長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命的戰(zhàn)略導(dǎo)彈和大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力裝置中也有應(yīng)用。

1.2 U720Li 合金的應(yīng)用

鎳基高溫合金由于在高溫下的優(yōu)異性能，主要用于各種高溫環(huán)境工作環(huán)境，而且普遍工作強(qiáng)度也比較高。U720Li 主要用于制造渦輪盤，渦輪盤，整個(gè)渦輪盤在不同的部位，受到的應(yīng)力、工作溫度以及介質(zhì)作用程度都不同。因此，U720Li 合金的高屈服強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度以及良好的耐腐蝕性和組織穩(wěn)定性使其成為渦輪盤材料的不二之選。

渦輪在服役中既處于高溫工作環(huán)境中，又要進(jìn)行高強(qiáng)度的工作，地面燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)于材料的要求低于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，因此U720Li 合金更能夠勝任地面燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪制造材料。

2 U720Li 合金熱加工圖分析

2.1 功率耗散因子曲線圖

耗散效率因子，所代表的是成形過程中組織演變所耗散的能量與線性耗散能量的比例，其值為：

功率耗散效率因子η 在溫度為橫軸，應(yīng)變速率為縱軸的坐標(biāo)圖里用等值曲線表示即為功率耗散圖，通過origin 將橫坐標(biāo)編輯為T，縱坐標(biāo)為lgε 的功率耗散因子η 曲線圖。

2.2 失穩(wěn)判據(jù)

在材料的熱變形過程中，采用的變形機(jī)制不同，則功率耗散系數(shù)也不同，所以不能只通過功率耗散圖來判斷哪些區(qū)域是適合選擇的。

表1 U720Li 合金的標(biāo)準(zhǔn)成分［2］

（1）PRASAD 失穩(wěn)準(zhǔn)則：

（2）GEGEL 失穩(wěn)準(zhǔn)則：

（3）MALAS 失穩(wěn)準(zhǔn)則：

（4）MURTY 失穩(wěn)準(zhǔn)則：

（5）SEMIATIN 失穩(wěn)準(zhǔn)則：

2.2 功率耗散率圖

對(duì)U720Li 合金通過熱壓縮后得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1 所示，結(jié)合得到的流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，用程序繪制相應(yīng)變形溫度與應(yīng)變速率下η 等值曲線，如圖2 所示。橫坐標(biāo)為變形溫度T，縱坐標(biāo)為應(yīng)變速率對(duì)數(shù)lgε，曲線為功率耗散率η。

圖1 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

圖2 U720Li 合金不同溫度、不同應(yīng)變速率的功率耗散圖

從圖2 中可以看出，Ⅰ區(qū)（950～1050 ℃，5×10-4～5×10-2s-1）、Ⅱ區(qū)（1115～1150℃，5×10-4～10-3s-1）。查閱文獻(xiàn)可得當(dāng)功率耗散率值在40%以上時(shí)，合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。這種動(dòng)態(tài)過程同樣伴隨著位錯(cuò)的重組，會(huì)對(duì)合金高溫成形性能有幫助。所以這2 個(gè)區(qū)域?yàn)閁720Li 合金的適合加工區(qū)域。由于斷裂與空穴之類的內(nèi)部缺陷會(huì)對(duì)功率耗散值產(chǎn)生較大的影響，因此不能僅憑借功率耗散圖，還要結(jié)合失穩(wěn)判據(jù)。

2.2 基于失穩(wěn)判據(jù)的熱加工圖

圖3 為U720Li 合金不同條件下，不同失穩(wěn)判據(jù)的動(dòng)態(tài)DMM 熱加工圖。

表2 U720Li 合金不同失穩(wěn)判據(jù)下的流變失穩(wěn)區(qū)間

圖4 為U720Li 合金在圖3 中5 種失穩(wěn)判據(jù)的疊加圖。

圖3 U720Li 合金不同失穩(wěn)判據(jù)的熱加工圖

圖4 U720Li 鎳基高溫合金不同失穩(wěn)判據(jù)加工圖Ⅰ-Prasad；Ⅱ-Gegel；Ⅲ-Malas；Ⅳ-Murty；Ⅴ-Semiatin

從圖4 中可以看出，U720Li 合金在圖中左下區(qū)域，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ判據(jù)出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象；左上區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ判據(jù)出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象；右上區(qū)域中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ判據(jù)出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象；右下區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ判據(jù)出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象。通過觀察圖中的這些重疊部分，可以發(fā)現(xiàn)該合金在高溫和低溫，多種表示失穩(wěn)判據(jù)的陰影相互重疊?？梢缘贸?，U720Li 合金在溫度為975～1050 ℃，應(yīng)變速率為5×10-4～5×10-2s-1區(qū)間內(nèi)，功率耗散值大于40%，成形性能較好，而且不處于失穩(wěn)區(qū)間內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

（1）U720Li 合金適合加工的范圍為變形溫度975～1050 ℃，變形速率5×10-4～5×10-2s-1該區(qū)域內(nèi)合金功率耗散率為40%。

（2）U720Li 合金推薦使用PRASAD 和MURTY 失穩(wěn)判據(jù)。