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.中遠海運集團南京國際船舶設備配件有限公司，江蘇 南京 211121；2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044)

隨著航空航天事業(yè)和船舶制造技術的高速發(fā)展，對于航空發(fā)動機和船舶燃氣輪機等關鍵動力構件的性能要求也越來越高。

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)被廣泛應用于渦輪葉片、導向葉片、發(fā)動機氣閥和渦輪盤等高溫熱端零部件的生產(chǎn)[1]。

雖然鎳基合金作為一種高合金化的材料擁有優(yōu)良的力學性能，但是正是由于其高合金化導致了顯微組織的調(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。很多關于鎳基合金顯微組織的調(diào)控研究也在相繼進行，方法種類也繁多，目前還沒有系統(tǒng)地歸納整理。

本文對鎳基耐熱合金這種廣泛使用的合金的研究進行綜合性敘述。介紹該合金的一些最近的研究進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 鎳基合金本構模型與加工圖研究現(xiàn)狀

1.1 鎳基合金本構模型研究現(xiàn)狀

材料在變形過程中宏觀流變應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、變形速率和應變量，通常認為材料的宏觀應力和這些變形參數(shù)之間存在一定的函數(shù)關系，而這個函數(shù)關系就是材料的本構模型。而當材料在被熱加工時通常伴隨有兩種相互對立的材料演化機制，一種是引起材料宏觀應力升高的加工硬化機制，另一種是使材料的宏觀應力降低的動態(tài)軟化機制。

通常，在材料的熱加工過程中，加工硬化和動態(tài)軟化現(xiàn)象同時存在，而且這些現(xiàn)象受變形參數(shù)的影響劇烈，因此材料的應力隨著材料加工參數(shù)的變化也是復雜的、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，目前很多學者都對該類合金的本構模型進行了研究。

當前的本構模型的構建方式主要有三種方式即經(jīng)驗型本構模型，物理型本構模型和計算機輔助的人工智能型本構模型。

經(jīng)驗型模型是通過擬合經(jīng)驗公式得到的應力與變形參數(shù)之間的函數(shù)關系式，Johnson-Cook(JC)模型、Khan-Huang(KH)模型和Arrhenius模型等都是經(jīng)驗模型。經(jīng)驗模型往往較為簡單，使用較為方便，是通過人們大量的研究對比出來的，因此對于實際工業(yè)的應用較合適，而不適合作為進一步深入研究的基礎。物理模型是從原理方面來構建材料的本構關系，通常包括熱力學、位錯移動和滑移動力學等理論，但是這類方程需要求解的參數(shù)繁多，計算精度有待提高。

但是物理模型卻能夠為后續(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，因此物理本構模型對于材料的內(nèi)稟性能表征的更加具體。而隨著人工智能技術的發(fā)展，計算機性能的不斷提高，人工智能型本構模型已經(jīng)得到了越來越廣泛的使用。

神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)由于其自身學習性能好、自適應能力強被廣泛應用于材料流變模型的建立。

神經(jīng)網(wǎng)絡模型是一種自主學習型模型，其對非線性關系的擬合效果較強，因此對于材料的本構關系這種復雜模型的擬合較為實用；但是即使在同樣的參數(shù)下神經(jīng)網(wǎng)絡的預測結(jié)果都有可能不是一樣的，這對神經(jīng)網(wǎng)絡模型的運用提出了質(zhì)疑。

所以在此基礎上，支持向量回歸機(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域[2]。支持向量機的主要結(jié)構是輸入向量、輸出向量和核函數(shù)，當支持向量機的主要參數(shù)確定以后，通過樣本訓練的模型的結(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，而預測精度比經(jīng)驗模型和物理模型高很多。

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，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，一類是基于動態(tài)材料模型建立的加工圖，對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)構受到工藝參數(shù)的變化規(guī)律，它依據(jù)不可逆熱力學原理，可以很快的識別出材料在各種變形參數(shù)下的變形機制和微觀演化機制，可以幫助設計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應的熱變形參數(shù)組合。另一類加工圖是由Raj等人綜合考慮了硬質(zhì)點周圍的空洞形核、動態(tài)再結(jié)晶、絕熱剪切帶以及三角晶界點的楔形開裂這四種原子活動機制所建立的。該類加工圖是基于原子模型建立的，其推導過程及其復雜，而且需要求解的參數(shù)非常多，而且對于很多變形機制在該模型中沒有求解，因此該類加工圖對于變形機制的識別能力有限。

目前，最廣泛使用的加工圖是由Prasad等人發(fā)展的熱加工圖。

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

關于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，并且識別了最優(yōu)的熱加工參數(shù)區(qū)間，成功獲得了細化的晶粒組織[4]。

2 鎳基合金顯微組織調(diào)控研究現(xiàn)狀

2.1 目標函數(shù)法在鎳基合金中的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)如今對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)有很多國內(nèi)外學者將對鎳基耐熱合金構件的最終組織調(diào)節(jié)作為主要目標進行調(diào)節(jié)。

C.M.Sellar等人通過實驗數(shù)據(jù)擬合求解出了材料在熱變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)模型和晶粒長大模型，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等人對依據(jù)鎳基合金的壓縮實驗，求解了Yada動態(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模擬結(jié)果進行了驗證[6]。

S.K.Lee等人將平均晶粒尺寸與實際晶粒尺寸的差值作為優(yōu)化目標，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)品微觀組織為目標的優(yōu)化問題。除此之外，大量的學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)律實現(xiàn)對目標零件組織的精準定向調(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件的使用要求越來越苛刻，僅僅對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]。當前雖然對于鎳基合金中的晶界工程調(diào)控已經(jīng)取得了進展，但是對于特殊晶界的密度的量化研究以及精準調(diào)控方面還未有廣泛的研究和應用。

3 結(jié)語

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

對于熱變形顯微組織研究方面，本文介紹了目標函數(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用。