氬氣霧化FGH95合金的熱模擬實驗

王旭青，張敏聰，羅俊鵬，彭子超，盛俊英，言 建

(1.北京航空材料研究院 先進高溫結構材料重點實驗室，北京 100095；2.北京航空材料研究院 焊接與塑性成形研究所，北京 100095；3.中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002)

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氬氣霧化FGH95合金的熱模擬實驗

王旭青1，張敏聰2，羅俊鵬3，彭子超1，盛俊英3，言 建3

(1.北京航空材料研究院 先進高溫結構材料重點實驗室，北京 100095；2.北京航空材料研究院 焊接與塑性成形研究所，北京 100095；3.中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002)

采用Gleeble-1500D熱模擬試驗機進行氬氣霧化FGH95合金的熱壓縮實驗，在不同的溫度和應變速率下，獲得FGH95合金的變形應力應變曲線，根據變形數據，建立FGH95合金的變形本構方程，并基于動態材料模型，繪制合金的熱加工圖。計算得到氬氣霧化FGH95合金的變形激活能Q=695.78 kJ/mol，通過建立的本構方程計算得出的峰值應力與實驗值符合較好，平均誤差范圍約6%；根據熱加工圖，確定FGH95合金安全的熱加工區域如下：1070～1100 ℃，0.01～0.001 s-1，當溫度增加到1100 ℃以上后，應變速率可以增大到0.5 s-1。

氬氣霧化FGH95合金;高溫變形;本構方程;熱加工圖

粉末高溫合金是一種廣泛應用于航空發動機熱端部件的高溫材料，與傳統鑄鍛工藝相比，粉末冶金工藝可以消除鑄鍛合金內部的宏觀偏析和組織不均勻，把偏析限制在單個粉末顆粒內；同時粉末高溫合金具有組織均勻、晶粒細小、屈服強度高和疲勞性能好等優點，成為高性能發動機渦輪盤的首選材料[1]。

FGH95粉末高溫合金是一種高溫高強型鎳基高溫合金，其γ′相含量達到45%～55%，屈服強度比GH4169合金提高約30%，是650 ℃使用溫度下強度最高的合金[2]。目前，國內主要采用直接熱等靜壓成型(As-HIP)工藝制備氬氣霧化FGH95(AA-FGH95)粉末盤，該成型方式具有近凈尺寸成型的優點，可以減少部件制造周期和成本。然而，采用氬氣霧化方法制備的FGH95合金粉末表面會吸附較多的氣體，經直接熱等靜壓成型后，會在合金內部產生較為嚴重的原始顆粒邊界(PPB)；另外，熱等靜壓較小的變形量會導致合金組織再結晶不充分[3]。

隨著發動機功重比的提高，對渦輪盤材料提出更高的要求，即在滿足高溫強度的同時，又要保證合金具有良好的塑性和低周疲勞性能[4-5]。20世紀80年代開始，美國GE公司開始采用“熱擠壓+等溫鍛造”工藝的路線制備鎳基粉末高溫合金盤件，“熱擠壓+等溫鍛造”工藝可以通過大變形量實現合金的再結晶，使合金組織細小均勻，提高合金塑性；同時通過擠壓工藝可以有效破碎合金內部的原始顆粒邊界[6]，提高盤件壽命。

本工作通過對HIP態AA-FGH95合金進行熱模擬壓縮實驗，得到1050～1120 ℃，0.001～10 s-1，不同溫度和不同應變速率下材料的真應力應變關系曲線。通過分析曲線特征，選擇適合的經驗方程作為材料本構關系模型，并繪制FGH95合金的變形失穩圖和功率耗散圖。通過AA-FGH95合金的熱模擬實驗研究，計算得到AA-FGH95合金的熱變形參數，為其熱擠壓和等溫鍛造的工藝制定提供理論指導。

1 實驗材料與方法

實驗采用氬氣霧化方法制備FGH95合金粉末(見圖1)，通過篩分將粉末粒度控制在63 μm目以下，然后采用HIP工藝將粉末壓制成實驗錠坯。在實驗錠坯中心區取樣，制成規格為φ8 mm×12 mm圓柱形試樣。在Gleeble-1500D熱模擬試驗機上對試樣進行了4個溫度(1050 ℃，1080 ℃，1100 ℃，1120 ℃)和8個應變速率(0.001 s-1，0.01 s-1，0.1 s-1，0.5 s-1，1 s-1，2 s-1，5 s-1，10 s-1)的熱模擬壓縮實驗，對壓縮試樣進行熱處理，并觀察組織。

圖1 AA-FGH95合金粉末形貌Fig.1 Morphology of AA-FGH95 superalloy

2 結果與分析

2.1 組織分析

圖2是AA-FGH95合金的顯微組織照片。圖2(a)是熱等靜壓態組織照片，從圖2(a)中可以看出，AA-FGH95合金經熱等靜壓后的組織再結晶不完全，晶粒粗大，合金內部存在著大量的原始顆粒邊界。圖2(b)是熱等靜壓態試樣經變形后得到的顯微組織，從圖2(b)中可以發現，經變形后，合金晶粒組織再結晶充分，晶粒細化，且原始顆粒邊界已經完全消失，說明通過變形可以有效提高合金的再結晶程度，細化晶粒，并有效消除原始顆粒邊界。

2.2 流變曲線特征

FGH95高溫合金在不同變形溫度下的真應力應變曲線如圖3所示。FGH95合金的流變應力曲線隨著變形量的增加，流變應力迅速達到峰值，然后保持不變或逐漸下降，最終曲線呈現穩態流變特征。合金的變形可分為三個階段：第一階段隨著變形量的增加，流變應力迅速增大，這是因為此時金屬內部的位錯密度不斷增加；第二階段軟化機制開始作用，此時位錯密度也增大，位錯消失速率也增大，流變應力增速趨緩；隨著變形量的增加，金屬內部形變能不斷升高，達到一定程度后將發生動態再結晶導致位錯大量消失，流變應力開始降低，達到了應力應變曲線上的最高點。第三階段，流變應力值開始減小，曲線下降，一直到動態再結晶結束，軟化速率與加工硬化速率才達到平衡，流變應力此時趨于穩定[7-8]。

圖2 AA-FGH95合金的顯微組織 (a)HIP態；(b)變形態Fig.2 Microstructure of AA-FGH95 superalloys (a)HIP；(b)hot deformation

圖3 FGH95高溫合金不同溫度下的真應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of FGH95 superalloys at different temperatures (a)1050 ℃;(b)1080 ℃;(c)1100 ℃;(d)1120 ℃

FGH95合金的流變應力對溫度和速率都比較敏感，在同一溫度下，應變速率越大，流變應力越大；應變速率一定，溫度越高，流變應力越大。

2.2 FGH95合金變形過程中的本構方程

本構方程是指材料的流動應力與溫度、應變速率等熱力參數之間的關系，它表征了材料變形過程中的特征動態響應，是有限元方法對塑性成型過程進行數值模擬的前提條件[9-11]。本工作通過對FGH95合金應力應變曲線的回歸分析，建立FGH95合金的變形本構方程，為材料成形過程數值模擬提供準確材料模型。

目前，最為典型的數學模型是Arrhenius型方程，用其來描述這一熱激活過程中流變應力與應變速率之間的關系，它的數學表達式有指數型、冪函數型和雙曲正弦型，即以下3種表達形式：

(1)

(2)

(3)

假定變形激活能和變形溫度之間沒有任何關系，將上述3式兩邊分別取自然對數，可以得出：

(4)

(5)

(6)

α=β/n1

(7)

假設FGH95合金熱壓縮流變應力與應變速率之間分別滿足以上3種不同的表達關系式。將不同變形溫度下FGH95高溫合金的峰值應力與應變速率的數據帶入(4)～(6)式中，并用一元線性回歸處理，得到如圖4所示的關系圖，其分析結果如表1所示。

圖4 FGH95合金熱壓縮最大應力σp與的關系Fig.(a)σ-ln ε;(b)ln σ-ln ε;(c)on [sinh (ασ)]-ln ε

表1為FGH95合金熱壓鍋降值應力與應變速率關系線性回歸分析結果。從圖4和表1可以看出，FGH95合金在不同變形溫度下的實驗數據線性關系擬合都比較好，其回歸方程的線性相關系數也很高。在這3種不同的關系中，指數型和雙曲正弦型函數關系的線性相關系數較高；但是指數型函數一般適用于應力水平較低的情況(ασ<0.8)，而雙曲正弦型函數適用于所有應力水平；因此，雙曲正弦型函數關系更適合描述FGH95合金在熱變形過程中流變應力與應變速率之間的關系。

表1 FGH95合金熱壓縮峰值應力與應變速率關系的線性回歸分析結果

由式(6)可得材料的變形激活能為：

(8)

圖5 FGH95合金ln[sinh(ασ)]-1000/T關系圖Fig.5 Relationship between ln[sinh(ασ)] and 1000/T of FGH95 superalloys

由圖5得出直線斜率的平均值，帶入公式(8)就可以求出合金的變形激活能Q=695.78 kJ/mol。

(9)

(10)

將不同變形溫度和應變速率帶入公式(9)中計算出不同變形條件下的Z值，并以ln Z-ln[sinh(ασ)]作圖并進行線性擬合，如圖6所示。

圖6 FGH95合金流變應力與Z參數之間的關系Fig.6 Relationship between flow stress and Z of FGH95 superalloy

根據上圖得到的擬合數據，可計算得到A=3.11×1025，所以得到FGH95合金高溫本構方程可以表示為：

(11)

FGH95合金高溫峰值應力和Z參數的解析式為：

(12)

(13)

為驗證該方程的有效性，采用該方程算出不同溫度及形變速率條件下的峰值應力，同實驗測得數值進行比對，如圖7所示。

圖7 FGH95合金峰值應力與計算值對比Fig.7 Contrast between experiment and simulate data of FGH95 superalloy

由圖7可以看出，由導出的本構方程計算得出的峰值應力與實驗值符合較好，平均誤差范圍約6%。排除測試系統響應方面的問題，試樣組織性能的不穩定性也可能導致測量值不夠精確。

在本實驗中所建立的雙曲正弦型本構方程，能夠比較精確地描述氬氣霧化FGH95合金的熱壓縮流變應力的變化情況，從而為制定FGH95合金的鍛造工藝參數提供理論基礎，也為其有限元模擬分析提供了理論依據。

2.3 熱加工圖

基于動態材料模型(Dynamic Materials Model，DDM)，Prasad等[13]建立了加工圖方法，該方法被廣泛應用于材料的熱加工過程分析[14-15]。根據動態材料模型，進行熱加工變形的工件是一個非線性能量耗散單元。外力輸入的能量主要表現在兩個方面：一個是塑性變形，大部分轉為能量，小部分儲存在材料中；另一個是顯微組織轉變，如相變、回復、再結晶等。用于塑性變形的能量用G表示，用于顯微組織轉變的能量用J表示。

圖8 FGH95的熱加工圖 Fig.8 Processing map of FGH95 superalloy

3 結 論

(1)通過對氬氣霧化FGH95合金進行熱模擬壓縮實驗，得到不同溫度不同應變速率的FGH95合金應力應變曲線。根據應力應變數據，計算了氬氣霧化FGH95合金的高溫材料常數：Q=695.78kJ/mol，α=0.004812MPa-1，n=3.2059，建立了FGH95合金的高溫變形本構方程。按本構方程計算得出的峰值應力與實驗值符合較好，平均誤差范圍約6%。

(2)基于動態材料模型，建立了氬氣霧化FGH95合金熱加工圖。確定了安全的熱加工區域如下：1070～1100 ℃，0.01～0.001s-1，當溫度增加到1100 ℃以上后，應變速率可以增大到0.5s-1。

(3)熱等靜壓態的氬氣霧化FGH95合金經熱變形后，可以使組織再結晶充分，同時可以有效消除合金內部的原始顆粒邊界。

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(責任編輯：徐永祥)

Thermal Simulation Test of AA-FGH95 Superalloy

WANG Xuqing1，ZHANG Mincong2，LUO Junpeng3，PENG Zichao1，SHENG Junying3，YAN Jian3

(1.Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials Laboratory , Beijing Institute of Areonautical Materials，Beijing 100095; 2.Welding and Plastic Forming Research Institute，Beijing Institute of Areonautical Materials, Beijing, 100095; 3.AECC South Aviation Industry Co. Ltd., Zhuzhou, 412002 Hunan, China)

The hot deformation behavior of AA-FGH95 superalloy was investigated by hot compressive tests on Gleeble-1500D thermal simulation test machine in different temperatures and strain rates. The true stress-strain curves were obtained, and based on the deformation data, the constitutive equation and processing map of FGH95 superalloy were built. The deformation active energy of AA-FGH95 isQ=695.78 kJ/mol. The results show that the simulated maximum stresses are in agreement with the experimental data, and the average error is about 6%. Based on the processing map, the safety processing parameters of 1070-1100 ℃ and 0.01-0.001 s-1are confirmed. When the temperature reached 1100 ℃, the maximum strain rate increased to 0.5 s-1.

AA-FGH95 superalloy; hot-deformation; constitutive equation; processing map

2016-03-09；

2016-04-22

王旭青(1973—)，女，碩士，高級工程師，研究方向為粉末高溫合金，(E-mail)wxqcjr@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.6.002

TG316

A

1005-5053(2016)06-0009-06