鑄態(tài)GH4175合金高溫變形行為及熱加工圖研究

林鶯鶯，東赟鵬，于秋穎，方爽

鑄態(tài)GH4175合金高溫變形行為及熱加工圖研究

林鶯鶯，東赟鵬，于秋穎，方爽

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

建立鑄態(tài)GH4175合金的本構(gòu)模型以預(yù)測材料變形過程中的流動應(yīng)力，繪制其熱加工圖，用于優(yōu)選鑄態(tài)GH4175合金熱變形的工藝參數(shù)。采用Gleeble-3500熱模擬壓縮試驗機對鑄態(tài)GH4175合金試樣在不同的變形溫度和應(yīng)變速率下進行熱模擬壓縮試驗，獲得流動應(yīng)力-應(yīng)變曲線。GH4175合金的流動應(yīng)力隨變形溫度的上升和應(yīng)變速率的下降而下降；計算結(jié)果表明建立的本構(gòu)模型第1道次的流動應(yīng)力試驗值與預(yù)測值的最大相對誤差為13.54%，最小相對誤差為0.38%，平均相對誤差為5.1%；第2道次的最大相對誤差為25.6%，最小相對誤差為0.09%，平均相對誤差為6.8%。熱加工圖中對應(yīng)的可加工區(qū)域：變形溫度為1160～1170 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.1 s–1。建立了GH4175合金預(yù)測精度較高的本構(gòu)模型，在熱加工圖中高能量耗散率區(qū)域所對應(yīng)的工藝參數(shù)下變形后獲得了γ+γ′雙相細(xì)晶組織。

GH4175合金；本構(gòu)模型；熱加工圖；流動應(yīng)力

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，航空發(fā)動機的推重比不斷提高，這使得航空發(fā)動機渦輪盤的服役溫度不斷提高[1-2]。為滿足航空發(fā)動機渦輪盤的要求，我國研發(fā)了可以在800 ℃以上長期服役的新型渦輪盤用變形高溫合金，其中以GH4151，GH4175，GH4975合金為主要代表[3]。為滿足服役要求，此類變形高溫合金的合金化程度高，且γ′相的含量較高，這使得其在變形過程中存在變形抗力大、易開裂等問題，此外，該種合金的微觀組織變化對變形工藝參數(shù)很敏感。因此，為了優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)，獲得更優(yōu)異的服役性能與加工性能，國內(nèi)外學(xué)者對變形高溫合金的變形行為以及變形過程中的微觀組織演化做了大量的研究。Godasu等[4]研究了鑄態(tài)625合金在高溫變形過程中的微觀組織演化行為，結(jié)果表明Σ3型孿晶界的演化行為對γ基體的再結(jié)晶行為有著重要影響。Charpagne等[5]研究了Rene 65 TM合金在高溫變形過程中的微觀組織演化，結(jié)果表明γ′相在變形過程中會引發(fā)γ相的異質(zhì)外延再結(jié)晶（Heteroepitaxial recrystallization）。呂少敏[6-8]研究了GH4151合金的高溫變形行為，建立了GH4151合金的本構(gòu)模型及熱加工圖。張北江等[1]利用多重?zé)釞C械處理，在GH4065和GH4175合金中獲得了γ+γ′雙相細(xì)晶組織（Duplex microstructure），拉伸試驗結(jié)果表明，此種微觀組織大大提高了變形高溫合金的塑性。

雖然國內(nèi)外對變形高溫合金的變形行為進行了廣泛的研究，但是國內(nèi)對鑄態(tài)GH4175合金的高溫變形行為研究尚無報道，為了研究GH4175合金的高溫變形行為，從而便于后續(xù)加工工藝參數(shù)的制定，文中采用熱模擬壓縮試驗獲得了鑄態(tài)GH4175合金的流動應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在此基礎(chǔ)上建立了其本構(gòu)模型，繪制了GH4175的熱加工圖，并利用熱加工圖選擇了鑄態(tài)GH4175合金合理的熱加工工藝參數(shù)。

1 試驗

材料為鑄態(tài)GH4175合金，其名義成分如表1所示，其微觀組織如圖1所示。由圖1可知，鑄態(tài)GH4175合金中的γ′相呈花瓣狀分布在γ基體上。將其加工成10 mm×15 mm的標(biāo)準(zhǔn)熱模擬壓縮試樣，在Gleeble-3500熱模擬試驗機上進行熱模擬壓縮試驗，變形溫度為1120，1140，1160，1180 ℃，應(yīng)變速率為0.001，0.01，0.1 s–1。由于鑄態(tài)試樣容易在變形過程中開裂，文中采用雙道次壓縮的方法：第1道次的變形程度為30%，對應(yīng)的真應(yīng)變?yōu)?.35，間隔20 s后（變形溫度不變）變形；第2道次的變形程度為20%，對應(yīng)的真應(yīng)變?yōu)?.22，累計真應(yīng)變?yōu)?.57。用焊在試樣中部的熱電偶監(jiān)測試驗過程中的變形溫度，采用鉭片墊在試樣與壓頭之間以降低變形過程中的摩擦。

表1 GH4175合金名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

圖1 GH4175合金鑄態(tài)組織

將熱模擬壓縮的試樣沿其軸向切開，利用水磨砂紙將其剖面逐級打磨后機械拋光，直至試樣的表面無明顯劃痕后進行腐蝕。采用的腐蝕劑配比為5 g CuCl2+10 mL HCl+10 mL CH3OH，采用Leica DMI 3000M金相顯微鏡對變形后試樣的大變形區(qū)域進行微觀組織的觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)試樣流動應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為不同變形溫度下GH4175合金的流動應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2可以看出，第1道次和第2道次的流動行為略有不同。在第1道次的變形過程中，如圖2a所示，變形溫度為1120 ℃時，在試驗條件的應(yīng)變速率下，其流動應(yīng)力值都先迅速上升，然后緩慢上升至最大值，隨后有所下降，這除了與GH4175合金的動態(tài)回復(fù)以及動態(tài)再結(jié)晶相關(guān)以外，還與γ′相的溶解行為有關(guān)[9-11]。在變形的初期，由于大量的位錯增殖與塞積，使合金發(fā)生加工硬化，流動應(yīng)力升高，隨著變形程度的升高，動態(tài)回復(fù)以及動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生使材料內(nèi)部位錯密度下降，流動應(yīng)力下降；除此以外，γ'相的溶解使其對位錯的釘扎效應(yīng)降低，也起到一定的軟化效果[12]。如圖2b所示，在1140 ℃、0.1 s–1時，合金在第1道次的變形行為與1120 ℃下的相似，而在應(yīng)變速率為0.01 s–1和0.001 s–1時，其流動應(yīng)力達到最大值后基本不發(fā)生變化。相比于1120 ℃，隨著變形溫度的升高，動態(tài)再結(jié)晶更容易發(fā)生，因而在0.01 s–1和0.001 s–1時，加工硬化行為和動態(tài)軟化行為已經(jīng)達到平衡[4,13]，其流動應(yīng)力值基本不變。如圖2c和d所示，在1160 ℃和1180 ℃變形時，當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s?1時，第1道次的變形過程中流動應(yīng)力值一直上升，而應(yīng)變速率為0.01 s–1和0.001 s–1時，除1160 ℃，0.01 s–1條件下稍有下降之外，其余條件下的流動應(yīng)力值均基本保持不變。這表明當(dāng)應(yīng)變小于0.35時，即使是在1160 ℃和1180 ℃的高溫下，在應(yīng)變速率為0.1 s–1時，材料的加工硬化和動態(tài)軟化仍然未達到平衡；而較低的應(yīng)變速率有利于動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，故在應(yīng)變速率為0.001 s–1和0.01 s–1時，流動應(yīng)力更容易達到穩(wěn)定。

如圖2所示，在第2道次的加載過程中，在試驗的各變形溫度下，應(yīng)變速率為0.001 s–1時的應(yīng)力值相比于第1道次的應(yīng)力值有所上升，而其余應(yīng)變速率下第2道次的流動應(yīng)力值低于第1道次在相同應(yīng)變速率下的流動應(yīng)力。出現(xiàn)此現(xiàn)象最主要的原因是：在道次間的保溫過程中，合金發(fā)生了亞動態(tài)再結(jié)晶，使合金內(nèi)部組織發(fā)生了變化。在第1道次變形過程中已經(jīng)形核的動態(tài)再結(jié)晶晶粒會在保溫過程繼續(xù)消耗位錯，在實現(xiàn)再結(jié)晶晶粒長大的同時大大降低位錯密度，從而減小了位錯塞積對位錯滑移的阻礙作用，使GH4175合金發(fā)生軟化。而應(yīng)變速率為0.001 s–1時，由于應(yīng)變速率較小，位錯的增殖速率小，因此位錯的塞積量也很少，從流動應(yīng)力-應(yīng)變曲線來看，在應(yīng)變速率為0.001 s–1時，第1道次變形過程中發(fā)生的動態(tài)軟化與應(yīng)變硬化已經(jīng)達到平衡，說明在第1道次的變形完成后，合金基本完全再結(jié)晶，合金中的位錯密度已經(jīng)在相對較低的水平，在保溫的過程中，僅僅發(fā)生晶粒的靜態(tài)長大，此過程位錯密度未發(fā)生大幅度降低，故在第2道次的壓縮過程中需要重新開動位錯的滑移和增殖，導(dǎo)致其流動應(yīng)力值有所上升。若在保溫的過程中，合金組織未發(fā)生明顯的變化，則其流動應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示出不同道次間連續(xù)變化的特征，如文中的1140 ℃，0.001 s–1以及1140 ℃，0.01 s–1的曲線所示。第2道次的變形過程中，在1120 ℃時，隨著應(yīng)變的增加，各個應(yīng)變速率下的流動應(yīng)力值均有所下降，說明在1120 ℃下，第1道次變形過程中沒有發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶；而1180 ℃、0.01 s–1下，隨著應(yīng)變的增加，第2道次變形過程的流動應(yīng)力值略有上升，說明在此條件下，第1道次變形過程中，合金已經(jīng)基本完全再結(jié)晶，第2道次的變形過程中，合金略有硬化；其余變形條件下，第2道次變形過程的流動應(yīng)力值基本保持不變。

通常采用補償法[14-15]來計算亞動態(tài)軟化分?jǐn)?shù)，從而量化亞動態(tài)再結(jié)晶的軟化程度，其計算方法如圖3a以及式（1）所示。

式中：m為第1道次壓縮完畢后的流動應(yīng)力值；1和2分別為第1道次和第2道次的屈服應(yīng)力，通常取塑性應(yīng)變?yōu)?.2%的所對應(yīng)的點，做一斜率與彈性變形階段相同的直線，此直線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的交點所對應(yīng)的應(yīng)力值。

圖3 對GH4175亞動態(tài)再結(jié)晶軟化分?jǐn)?shù)的影響

2.2 GH4175合金的本構(gòu)模型

Fields-Backofen模型[16-17]將流動應(yīng)力與變形溫度、應(yīng)變速率以及應(yīng)變之間的關(guān)系表示為如下形式：

式中：和分別為應(yīng)變硬化指數(shù)與應(yīng)變速率敏感性指數(shù)；為塑性模量。這3個參數(shù)均被表示為溫度的函數(shù)。

試驗表明[18]，應(yīng)變和應(yīng)變速率也會對和值產(chǎn)生影響，考慮到應(yīng)變和應(yīng)變速率對和的影響，文中將一定溫度下的和分別表示為如下形式：

式中：，，，，，為與，有關(guān)的積分常數(shù)；為流動應(yīng)力（MPa）；為真應(yīng)變。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，，，，，，也隨之變化。

采用多元非線性擬合，利用文中的流動應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)求得不同溫度下的積分常數(shù)如表2所示。

缺齒蓑蘚(Macromitrium gymnostomum Sull. & Lesq.)為木靈蘚科(Orthotrichaceae)蓑蘚屬(Macromitrium)植物。該物種主莖匍匐、側(cè)枝短，枝葉中上部細(xì)胞近方形、密被多疣，細(xì)胞間界線模糊；下部和基部細(xì)胞光滑無疣，細(xì)胞壁直；孢蒴蒴口下皺縮，蒴口下有縱棱，蒴齒退化；蒴帽兜形，光滑無毛。主要分布于我國華東、華南和西南地區(qū)，在亞洲的日本、朝鮮半島、中南半島也有分布[1]。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，在第1道次和第2道次下分別作出積分常數(shù)隨溫度變化的散點圖，并用二次函數(shù)按照式（5）的形式進行擬合，得到積分常數(shù)隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系式，擬合的結(jié)果如圖4所示，其中不同條件下的擬合系數(shù)的值如表3所示。

式中：為溫度（℃）；0—2，0—2，0—2，0—2，0—2，0—2為擬合系數(shù)。

綜上所述，將表2—3中的參數(shù)代入式（5）以及式（6）中計算，可以得到各個變形條件下的流動應(yīng)力值，其試驗值與預(yù)測值的對比如圖5所示。通過計算，第1道次的流動應(yīng)力試驗值與預(yù)測值的最大相對誤差為13.54%，最小相對誤差為0.38%，平均相對誤差為5.1%；第2道次的最大相對誤差為25.6%，最小相對誤差為0.09%，平均相對誤差為6.8%，以上計算結(jié)果表明，文中建立的本構(gòu)模型具有較好的預(yù)測精度。

表2 不同溫度下積分常數(shù)的值

圖4 不同道次下溫度系數(shù)的擬合結(jié)果

圖5 GH4175合金流動應(yīng)力試驗值與預(yù)測值的對比

2.3 GH4175合金的熱加工圖

Prasad等[19-20]構(gòu)建的動態(tài)材料模型（Dynamic material modeling，DMM）將產(chǎn)生塑性變形的材料看作一個非線性耗散能量單元。DMM模型將材料發(fā)生塑性變形時，外力對材料輸入的能量分為2大部分：

表3 不同道次下的溫度系數(shù)

塑性變形消耗的能量以及微觀組織演變耗散的能量。與的分配關(guān)系體現(xiàn)了用于塑性變形以及組織演變的能量之比，可以用下式表示：

將非線性能量耗散單元的值經(jīng)過線性能量耗散單元max值歸一化處理后可以得到能量耗散率值，其表達式如式（8），值的大小反映了在一定變形條件下的各種微觀組織變化機制[21-22]。

式中：為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)。

由式（8）可以看出，材料的值越大，則材料在熱變形過程中的能量耗散率值越大，即在變形過程中用于微觀組織演變的能量越多，在變形過程中可能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶或超塑性流動[23-24]，材料的熱加工性能越好。一般而言，選取熱變形工藝參數(shù)時應(yīng)當(dāng)選取值較大的工藝參數(shù)。

Zielger[25]利用不可逆熱力學(xué)極值原理，建立了塑性流動失穩(wěn)準(zhǔn)則，其表達式如式（9）所示：

一般而言，在失穩(wěn)區(qū)域所對應(yīng)的工藝條件下變形會導(dǎo)致材料發(fā)生流動失穩(wěn)、楔形裂紋以及絕熱剪切帶[25—27]等。為保證材料在變形過程中不發(fā)生失穩(wěn)，應(yīng)當(dāng)避免在失穩(wěn)區(qū)域變形。

基于以上理論，由熱模擬壓縮試驗所得的數(shù)據(jù)，可以分別計算得到某一應(yīng)變下的能量耗散分布圖以及塑性流動失穩(wěn)圖，將這2種圖疊加，可以得到熱加工圖。根據(jù)文中所得的流動應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到如圖6所示的熱加工圖。

圖6 不同應(yīng)變下GH4175合金高溫變形時的熱加工圖

如圖6所示的熱加工圖中，紅色區(qū)域代表失穩(wěn)區(qū)，綠色區(qū)域代表能量耗散率高的區(qū)域。從圖6可以看出，在高溫高應(yīng)變速率的條件下，出現(xiàn)了高能量耗散區(qū)域，其最大能量耗散率約為0.57，隨著應(yīng)變的增大，熱加工圖中高能量耗散區(qū)域減小；在1120 ℃和1140～1180 ℃分別出現(xiàn)了2個失穩(wěn)區(qū)，隨著應(yīng)變的升高，失穩(wěn)區(qū)域由2個區(qū)域合并為一個區(qū)域。

熱加工圖中不同區(qū)域所對應(yīng)的變形后的組織如圖7和圖8所示。圖7是在熱加工圖的低溫失穩(wěn)區(qū)域變形后試樣的宏觀形貌。從圖7可以看出，在低溫失穩(wěn)區(qū)變形時，發(fā)生了宏觀開裂，其中在1100 ℃，0.001 s–1變形后試樣出現(xiàn)了與壓縮方向約呈45°的宏觀裂紋，且該裂紋貫穿整個試樣，在1120 ℃，0.001 s–1的變形工藝參數(shù)下，變形后的試樣僅在鼓肚處出現(xiàn)了與壓縮方向呈45°的裂紋；如圖8a是高溫失穩(wěn)區(qū)變形后的微觀組織，在高溫失穩(wěn)區(qū)域變形后的γ基體晶粒尺寸不均勻：整體以大尺寸的γ晶粒為主，其平均直徑大于20 μm，在大晶粒的周圍有尺寸較小的晶粒，其平均直徑約為10 μm。這種組織的形成與再結(jié)晶晶粒的異常長大行為有關(guān)[28-29]：動態(tài)再結(jié)晶完成后，為了降低界面能，晶粒會自發(fā)的長大，由于變形溫度很高且沒有γ′對晶界的釘扎作用，某些晶粒會急劇長大，隨后吞并周圍較細(xì)小的晶粒。這種混晶組織不利于合金后續(xù)的加工以及服役。在實際工藝中應(yīng)當(dāng)避免在這些失穩(wěn)的工藝參數(shù)下變形，以保證其變形后組織的均勻性。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.55時，從圖8b可以看出，在熱加工圖中高能量耗散率的區(qū)域，由于動態(tài)再結(jié)晶完成，γ基體的晶粒尺寸很小（<10 μm），在晶界上存在細(xì)小的殘余γ'相，可以對晶界起到有效的釘扎作用，阻止了γ晶粒的異常長大行為，因此變形后的組織細(xì)小均勻，呈現(xiàn)γ+γ′雙相細(xì)晶組織。張北江等[2]的研究表明，此種組織易于獲得超塑性，便于后續(xù)的加工。

圖7 低溫失穩(wěn)區(qū)域變形試樣的宏觀形貌

圖8 應(yīng)變?yōu)?.55時不同變形工藝參數(shù)對應(yīng)的組織

按照熱加工圖理論，合理的熱加工工藝參數(shù)應(yīng)該滿足能量耗散率較高而且不會發(fā)生失穩(wěn)，從圖6中可以優(yōu)選出GH4175合金的熱加工工藝參數(shù)：變形溫度為1160～1170 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.1 s–1。

3 結(jié)論

在雙道次的壓縮過程中，鑄態(tài)GH4175合金的流動應(yīng)力隨變形溫度的上升而下降，且在高溫低應(yīng)變速率下容易達到穩(wěn)定流動。在道次間的保溫過程中，當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s–1和0.01 s–1時，亞動態(tài)再結(jié)晶造成的軟化效應(yīng)較為明顯，且溫度越低，應(yīng)變速率越高，軟化效應(yīng)越大；而應(yīng)變速率為0.001 s–1時未產(chǎn)生明顯軟化。

建立了GH4175合金第1道次和第2道次變形的本構(gòu)模型。其中，第1道次的流動應(yīng)力試驗值與預(yù)測值的最大相對誤差為13.54%，最小相對誤差為0.38%，平均相對誤差為5.1%；第2道次的最大相對誤差為25.6%，最小相對誤差為0.09%，平均相對誤差為6.8%。

建立了GH4175合金的熱加工圖，在熱加工圖中的高能量耗散率區(qū)域變形的材料發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，在此區(qū)域變形后獲得了γ+γ′雙相細(xì)晶組織。在較低變形溫度的失穩(wěn)區(qū)變形時，合金在此過程中發(fā)生了開裂；而在高溫失穩(wěn)區(qū)變形時，合金雖未開裂，但是變形后組織為晶粒尺寸不均勻的混晶組織。

根據(jù)熱加工圖以及微觀組織表征得出鑄態(tài)GH4175合金合適的熱加工工藝參數(shù)：真應(yīng)變不大于0.57的條件下，變形溫度為1160～1170 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.1 s–1。

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High Temperature Deformation Behavior and Hot Processing Map of As-Cast GH4175 Alloy

LIN Ying-ying, DONG Yun-peng, YU Qiu-ying, FANG Shuang

(AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

The work aims to establish the constitutive model of as-cast GH4175 alloy to predict the flow stress during deformation and prepare hot processing map, so as to optimize the deformation parameters of the alloy. The isothermal compression tests were carried out to the as-cast GH4175 alloy by Gleeble-3500 simulated machine at different deformation temperature and strain rates, to obtain the flow stress-strain curve. The flow stress of GH4175 alloy decreased with increase of deformation temperature and decrease of strain rate. The calculation results showed that the maximum relative error between the flow stress test value and the predicted value by the constitutive model in the first pass was 13.54%, the minimum relative error was 0.38%, and the average relative error was 5.1%. The maximum relative error in the second pass was 25.6%, the minimum relative error was 0.09%, and the average relative error was 6.8%. In the processable area of the hot processing map, of the deformation temperature was 1160-1170 ℃ and the strain rate was 0.01-0.1 s–1. The constitutive model of GH4175 alloy with high prediction accuracy is established, and the γ+γ′ dual-phase fine grain structure is obtained after deformation under the process parameters corresponding to the high power dissipation rate region in the hot processing map.

GH4175 alloy; constitutive model; processing map; flow stress

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.016

TG319

A

1674-6457(2022)01-0133-08

2021-07-06

林鶯鶯（1981—），女，博士，高級工程師，主要研究方向為難變形金屬材料塑性成形加工。