U720Li 高溫合金熱加工圖

陳志遠

（中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

DMM 加工圖以大塑性變形連續介質力學、不可逆熱力學和物理系統模擬為基礎。DMM 加工圖將外界作用與材料塑性形變消耗二者的能量聯系在一起，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合適的加工區間，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 合金簡介

“Li”的全稱是“Low interstitial”，意為低間隙原子［1］。U720Li 標準成分見表1。

U720Li 合金強化元素和強化γ′相的含量都非常之高，強化元素含量14%，γ′相含量40%～50%。受益于強化元素與強化γ′相高含量，該合金使用溫度較高，高溫下依舊擁有優異性能，基于這一點，該合金主要用于制作工作溫度650～750 ℃的氣壓機盤和渦輪盤、在900 ℃短時間工作的渦輪盤，在工作溫度極高，不要求較長時間的使用壽命的戰略導彈和大推力火箭發動機的動力裝置中也有應用。

1.2 U720Li 合金的應用

鎳基高溫合金由于在高溫下的優異性能，主要用于各種高溫環境工作環境，而且普遍工作強度也比較高。U720Li 主要用于制造渦輪盤，渦輪盤，整個渦輪盤在不同的部位，受到的應力、工作溫度以及介質作用程度都不同。因此，U720Li 合金的高屈服強度、高疲勞強度以及良好的耐腐蝕性和組織穩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境中，又要進行高強度的工作，地面燃氣輪機對于材料的要求低于航空發動機，因此U720Li 合金更能夠勝任地面燃氣輪機的渦輪制造材料。

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，應變速率為縱軸的坐標圖里用等值曲線表示即為功率耗散圖，通過origin 將橫坐標編輯為T，縱坐標為lgε 的功率耗散因子η 曲線圖。

2.2 失穩判據

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

表1 U720Li 合金的標準成分［2］

（1）PRASAD 失穩準則：

（2）GEGEL 失穩準則：

（3）MALAS 失穩準則：

（4）MURTY 失穩準則：

（5）SEMIATIN 失穩準則：

2.2 功率耗散率圖

對U720Li 合金通過熱壓縮后得到應力-應變曲線如圖1 所示，結合得到的流動應力數據，用程序繪制相應變形溫度與應變速率下η 等值曲線，如圖2 所示。橫坐標為變形溫度T，縱坐標為應變速率對數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變速率的應力-應變曲線

圖2 U720Li 合金不同溫度、不同應變速率的功率耗散圖

從圖2 中可以看出，Ⅰ區（950～1050 ℃，5×10-4～5×10-2s-1）、Ⅱ區（1115～1150℃，5×10-4～10-3s-1）。查閱文獻可得當功率耗散率值在40%以上時，合金發生動態再結晶。這種動態過程同樣伴隨著位錯的重組，會對合金高溫成形性能有幫助。所以這2 個區域為U720Li 合金的適合加工區域。由于斷裂與空穴之類的內部缺陷會對功率耗散值產生較大的影響，因此不能僅憑借功率耗散圖，還要結合失穩判據。

2.2 基于失穩判據的熱加工圖

圖3 為U720Li 合金不同條件下，不同失穩判據的動態DMM 熱加工圖。

表2 U720Li 合金不同失穩判據下的流變失穩區間

圖4 為U720Li 合金在圖3 中5 種失穩判據的疊加圖。

圖3 U720Li 合金不同失穩判據的熱加工圖

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

從圖4 中可以看出，U720Li 合金在圖中左下區域，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ判據出現流變失穩現象；左上區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ判據出現流變失穩現象；右上區域中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ判據出現流變失穩現象；右下區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ判據出現流變失穩現象。通過觀察圖中的這些重疊部分，可以發現該合金在高溫和低溫，多種表示失穩判據的陰影相互重疊。可以得出，U720Li 合金在溫度為975～1050 ℃，應變速率為5×10-4～5×10-2s-1區間內，功率耗散值大于40%，成形性能較好，而且不處于失穩區間內，不會出現流變失穩現象。

3 結 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該區域內合金功率耗散率為40%。

（2）U720Li 合金推薦使用PRASAD 和MURTY 失穩判據。