GH4049合金的熱加工圖研究

李 卿，郭鴻鎮，趙張龍，王彥偉，姚澤坤

(西北工業大學材料學院，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］，已廣泛應用于航空發動機渦輪葉片制造［2］。然而，由于該合金熱加工參數范圍比較窄，在熱加工中容易出現晶粒粗化、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］根據大塑性變形連續介質力學、物理系統模擬和不可逆熱力學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測材料在不同區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和不安全區，達到優化加工工藝參數、避免產生缺陷［7］。近年來，基于動態材料模型的熱加工圖技術已經被廣泛應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據為基礎，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。

1 實驗方法

實驗所用材料為熱軋GH4049合金，化學成分如表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的試驗機自動采集試驗數據，并進行計算和修正。試驗變形溫度為: 1060℃、 1090℃、 1120℃、 1150℃、1180℃; 應變速率為: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合金的化學成分Table 1 Chemical composition of GH4049 used in experiments %

2 熱加工圖理論基礎

動態材料模型是基于大應變塑性變形的連續力學、物理系統模擬和不可逆熱力學等方面的基本原理建立起來的，是熱加工圖建立的基礎。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、再結晶等。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值經過歸一化處理，定義為能量耗散率η值，參數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系:

式中，m為應變速率敏感指數。

根據不可逆熱力學原理，采用參數ξ表示材料大變形時的流變失穩判據，當ξ＜0時，為材料發生非穩態流變，如下所示:

3 實驗結果與分析

3.1 熱變形流變曲線

圖1為GH4049合金在不同應變速率與不同變形溫度下的應力－應變曲線。從圖中可以明顯看出，各溫度下的流變曲線表現為流變應力隨應變增加先增大后減小，具有明顯的應力峰值，這可能是材料發生了動態再結晶或局部流變失穩所致。在變形溫度一定的條件下，隨著變形速率的增加，峰值應力明顯增大。在同一變形速率下，隨著變形溫度降低，峰值應力也逐漸增大。從各圖高于1060℃的流變曲線可以看出，隨著變形程度的增大，流動應力很快達到峰值，然后波動緩慢下降，出現穩態流變特征。

3.2 熱加工圖

根據等溫壓縮試驗數據，采用三次樣條函數擬合應力與應變速率之間的關系，得出不同溫度下的應變速率敏感指數m值，計算出不同變形溫度與應變速率下GH4049合金變形時的能量耗散率η值，然后繪制出能量耗散圖。計算不同溫度和應變速率下合金的ξ值，繪制加工失穩圖。將能量耗散圖與失穩圖疊加在一起便構成了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區。

從圖2所示GH4049合金的熱加工圖可以看出，合金的失穩區域 (陰影部分)較大，主要集中在兩個區域。在溫度為1060～1110℃、應變速率為0.7～50 s－1的變形失穩區內，合金變形后的組織表現為局部變形，中間大變形區晶粒相對其他區域特別細小，見圖3。隨著應變增加，形成絕熱剪切變形帶，可能產生開裂。在溫度為1120～1180℃、應變速率為1.8～50 s－1的變形失穩區域內，合金變形后組織可能表現為個別晶粒粗大。由于晶界存在粗大的碳化物，再結晶晶粒優先在晶界形核并長大，加之應變速率較大，晶粒內部的晶核來不及長大。

圖1 GH4049合金在應變速率為0.1 s－1(a)、1 s－1(b)、10 s－1(c)、50 s－1(d) 時的應力－應變曲線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，合金的穩定區域 (非陰影部分)較窄。在溫度為1110～1175℃、應變速率為0.1～1.8 s－1的變形穩定區內，峰值效率為32%，GH4049合金變形后組織表現為典型的動態再結晶組織，見圖4。在溫度為1060～1130℃、應變速率為0.1～0.5 s－1的變形穩定區內，能量耗散率η值較高，特別是在溫度為1060℃、應變速率為0.1 s－1時，η達到峰值55%，而且等值線較為密集，表明該區域可能為潛在裂紋區域。此外，熱加工圖左上和右上角處的等值線相對其它區域也較為密集，說明這些區域能量耗散率隨溫度和應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 結論

(1)GH4049合金在各變形溫度與應變速率下，隨著應變的增加，均發生了典型的流變軟化現象。變形過程中，隨著變形溫度的升高和變形速率的降低，峰值應力和穩態流動應力均顯著下降。

(2)GH4049合金的失穩區域較大，集中在兩個區域，可見GH4049合金的熱變形參數范圍較窄。變形失穩區域為溫度范圍為1060～1110℃、應變速率范圍為0.7～50 s－1區域及溫度范圍為1120～1180℃、應變速率范圍為1.8～50 s－1區域。這些區域在熱變形時應該盡量避開。

(3)GH4049合金的變形穩定區域內，溫度范圍為1110～1175℃、應變速率范圍為0.1～1.8 s－1區域，是合金典型的動態再結晶區，峰值效率為32%。

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