U720Li高溫合金熱變形行為研究

陳志遠

（中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

高溫合金是高工作溫度發動機的重要構成材料，由于使用者對其在高溫高應力下工作的需求日益增長，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，仍能夠承受高強度復雜工作環境，并保持一定表面穩定性的合金，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航空關鍵轉動部件的制備中擔任著重要角色，并且推動著發動機向高推比、高可靠性、低制造成本方向發展[4]。U720Li合金由美國Special Metals公司開發，是鎳基高溫合金的一種，本文就U720Li合金進行了研究。

1 試驗材料及方法

1.1 實驗材料

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。鑄錠通過機械加工為Φ8mm×12mm的圓柱體試樣。

表1 U720Li合金的各化學成分質量分數(ω%)

1.2 實驗方法及參數

通過使用Gleeble-1500熱模擬實驗機通過固定夾頭固定試樣，加熱至預定溫度后再通過移動夾頭的等速移動對試樣進行加載，以此進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℃的條件下進行實驗。具體工藝參數見表2。

表2 U720Li合金熱模擬壓縮試驗工藝參數

圖2 U720Li合金在各變形溫度下不同應變速率的應力-應變曲線

2 U720Li高溫合金熱變形行為

2.1 U720Li高溫合金應力-應變曲線

圖2為U720Li合金在溫度為900℃～1150℃，應變速率為5×10-4s-1～10s-1的條件下時的真應力-真應變曲線。從圖2可以看出這些曲線有一個共同的特點：壓縮初期，應力很快達到最高點，這是因為這個時候合金還沒有開始軟化；到達最高點后，合金開始動態再結晶，應力在動態再結晶的軟化作用下緩慢下降，并逐漸接近穩定。在最高溫度下以最低應變速率變形時，應力最高值與平穩值接近，表現在圖中是上升到最高值后就變得平穩的曲線。

變形初期，合金被壓縮變形，位錯既不斷生長增殖，也會由于相反方向的位錯相遇而消失，位錯的生長增殖會增加應力，消失會減少應力，但抵消幅度遠遠小于位錯增加的幅度，故應力會持續增加。在最高應力值時，其動態回復和動態再結晶中占主導地位的是軟化，它們的軟化作用會使合金更容易變形，應力值會下降。最終位錯的硬化作用與動態再結晶的軟化作用效果接近，應力趨于平穩。當硬化作用強于軟化作用時，流變應力降低；相反，應力升高；兩者相近時，應力平穩。

影響合金應力曲線的兩個主導因素是變形速率和變形溫度，同一溫度下應變速率提高會導致應力曲線升高，說明應變速率對該合金更能產生影響。

2.2 U720Li合金應變速率敏感性指數m

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

式中K為根據材料確定的常數。將上進行取對數之后微分得到下式：

將U720Li合金的在熱壓縮試驗中得到的實驗數據代入式(1)，繪制U720Li合金與lgσ的關系曲線，如圖3所示。圖中直線斜率即為m的值，通過回歸直線方程，計算其合金多個溫度條件下的m值，結果如表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變速率敏感性指數m值

通過上表我們得出，當溫度為900℃時，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m值出現峰值，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為應力，K為常數，ε為變形量，n為硬化指數，˙為應變速率，m為應變速率敏感性指數，Q為變形過程激活能。

當變形溫度恒定時，在式(3)兩端對求導，得：

將式(5)代入式(4)，得：

根據U720Li合金各個溫度與應變速率條件下熱壓縮試驗得到的試驗數據繪制該合金的曲線，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)，即可計算出變形激活能Q值。經過計算，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Q為最小值401.10KJ/mol，變形溫度900℃，變形速率5×10-4s-1時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，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合金本構方程

本文采用Arrhenius方程指數型關系建立本構方程。由于要考慮另一個主要因素變形量，經過式(1-3)的變形，該方程公式如下：

A1，n1同為與溫度無關聯的常數，n3為與應變有關的參數，˙為應變速率(s-1)，σ為流變應力(MPa)，氣體常數R=8.314J/(mol·K)，Q為熱變形激活能(KJ/mol)。式(7)兩邊同時取對數可化為：

因為A1，n1，n3均為與溫度無關的常數，故式(8)可化為：

圖5 U720Li合金相關曲線

通過多元線性回歸方程，計算得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合金的本構方程如式(11)：

3 結語

本文對U720Li合金的高溫變形行為進行了研究并使用Gleeble-1500熱模擬機進行熱壓縮處理，得到了應力應變曲線、應變速率敏感性指數m值、變形激活能Q。并得出以下主要結論：

①U720Li合金在不同變形溫度條件下的應變速率敏感性指數m值在0.163～0.252之間。當變形溫度的升高時，U720Li的應變速率敏感性指數m值呈現出先增大后減小的趨勢，并且當溫度為1100℃時m值出現峰值。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。當變形速率一定時，U720Li合金的變形激活能隨著變形溫度的升高呈現先減后增的趨勢，在1100℃時Q值最小。③U720Li合金的本構方程為：