粉末高溫合金FGH4097熱變形行為研究

袁 波，嚴寶輝，謝 夢，周 宣，2，李宇力，2

（1.西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710018；2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016）

先進高溫合金的變形加工長期以來一直是航空發動機核心部件制造的關鍵難點。相較于傳統變形高溫合金，粉末高溫合金組織成分更加均勻[1]，沒有宏觀偏析、縮孔和疏松等缺陷，但是后者燒結致密化后普遍存在晶粒粗大，存在合金元素含量高的和γ′相含量高的特點，使得粉末高溫變形非常困難，加工窗口較窄。FGH4097合金主要通過直接熱等靜壓成形的工藝制備高壓渦輪盤。現階段，由于合金熱等靜壓性能研究的欠缺，燒結盤尺寸較大，后期機加工時多，合金的原材料和機加成本較大。雖然，直接熱等靜壓渦輪盤有著近凈成形的發展趨勢，但是，近凈成形需要大量基于材料本構性能的數值模擬工作，以確定包套的最優尺寸。目前，FGH4097合金的熱變形行為及其本構方程研究工作較少。此外，FGH4097合金中的γ′相含量更高，對固溶處理方式更為敏感。因此，有必要開展FGH4097合金的熱變形行為研究，以獲得合金的本構方程及熱變形特點。

1 實驗材料及實驗方法

實驗所用材料為過固溶處理的FGH4097合金。利用Gleeble-3800進行熱壓縮實驗，變形溫度分別為1080℃、1120℃、1160℃、1200℃，變形速率為0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1。變形量為40%，變形結束后采用空氣強制冷卻的方式冷卻至接近室溫。

2 實驗結果及分析

2.1 真應力-真應變曲線

圖1為FGH4097合金不同變形條件對應的真應力-真應變曲線。表1為不同變形條件獲得的峰值應力。這些真應力-真應變曲線都是典型的動態再結晶型曲線，且應力水平隨著變形速率的降低而降低，隨著變形溫度的降低而升高。由于溫度越低，應變速率越高，DRX的軟化作用越弱，引起基體中的位錯密度不斷上升，因而導致穩態應力水平越高，亦引起峰值應變εp隨著變形溫度的降低和應變速率的升高而呈現增大的趨勢。

圖1 不同變形條件下的真應力-真應變曲線

2.2 本構方程

金屬材料的熱加工過程主要取決變形溫度T、變形速率和變形量ε等三個參數，其中T和對熱變形過程的影響尤為顯著。利用式（1）～（3）可以用于計算合金本構方程：

圖2 （a）關系曲線和（b）關系曲線

由于粉末高溫合金FGH4097的合金含量接近43%，γ′相穩定性高（完全溶解溫度為1180℃～1190℃），其變形抗力遠高于歐美的一代或者二代粉末高溫合金，導致其表觀熱變形激活能高于FGH4095和FGH4096。FGH4097的表觀應力指數為4.3，對應的變形機制主要為晶格擴散引起的高溫攀移。

圖3 （a）關系曲線和（b）-1000/T關系曲線

2.3 熱加工圖

通常，功率耗散系數η越高的區域代表材料在該區域的加工性能越好。

圖4為真應變為0.2和0.4的功率耗散圖?？梢钥闯?，功率耗散系數的大小取決于應變、應變速率以及變形溫度。真應變為0.2時，功率耗散系數η在1160℃～1200℃/0.001s-1附近獲得極大值；而真應變達到0.4時，功率耗散系數在1120℃/0.001s-1附近達到峰值。

這兩處極值對應的動態轉變機制并不相同，在1160℃～1200℃/0.001s-1范圍內，動態再結晶大量出現，消耗了大量的能力；而在1120℃/0.001s-1附近，除了發生一些動態再結晶外，還伴有二次γ′相轉變[2]，這些析出相的演變成為吸收能量的主要方式。

圖4 FGH4097合金的功率耗散圖

3 結論

（1）FGH4097合金流變曲線呈典型的動態再結晶型，在達到峰值應力后應力水平逐漸下降。流變應力水平隨著變形溫度的升高而降低，而隨著應變速率的增大而升高。

（2）FGH4097合金表觀熱變形激活能Q和表觀應力指數n分別為1636kJ/mol和4.3，較普通FGH4096合金高得多。

（3）功率耗散系數的大小取決于應變、應變速率以及變形溫度，真應變達到0.4時，在動態再結晶和二次γ′相演變的交互作用下，功率耗散系數在1120℃/0.001s-1附近達到峰值。