GH5188 高溫合金熱變形組織傳遞規律研究

郭續龍 ，蔣世川

（1.成都先進金屬材料產業技術研究院股份有限公司,四川 成都 610303；2.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室,遼寧 鞍山 114009）

0 引言

GH5188 是一種固溶強化型鈷基高溫合金，國外相近牌號為Hayness188[1]。該合金具有良好的高溫耐熱性[2]、高溫抗氧化性[3]，被廣泛地用于制造航空發動機冷卻環、渦輪發動機的燃燒室和噴油嘴等[4]。近年來，航空發動機對發動機葉片、渦輪盤等關鍵零部件的制造精度、服役性能的要求越來越嚴格，這對材料的性能提出了更高的要求。

通過控制熱變形工藝可以調控顯微組織，從而提高其性能[5]。在熱變形過程中，合金的動態再結晶是一種重要的組織演化行為[6]。動態再結晶可軟化合金，提高合金的塑性和延展性，改善合金的塑性加工性能[7]；動態再結晶也是合金細化晶粒，控制顯微組織的關鍵技術[8]。動態再結晶行為的研究是合金高溫變形行為的重要內容。

目前對GH5188 的研究主要集中在壽命分析、硬化和接合等方面，針對熱塑性的研究有待進一步加強，特別是動態再結晶。在探索Co-Ni 超合金的熱變形時，Ouyang Lingxiao[9]揭示了一種新型的動態再結晶，即孿生動態再結晶。Wu[10]等建立了一個FGH96 高溫合金的動態再結晶模型，通過熱模擬試驗和定量微觀結構表征，發現升高溫度或降低應變速率會導致動態再結晶分數和晶粒尺寸的增加。在關于Co-Cr-Ni 合金的應變硬化行為研究時，Guan[11]等人發現更高的應變率導致在900～1 000 ℃時再結晶晶粒的比例較低，而動態再結晶僅在 700 ℃、高應變率的情況下發生，這表明溫度和應變率對動態再結晶的影響復雜。

上述關于GH5188 合金的研究均是基于單道次熱壓縮下保溫溫度和應變速率對動態再結晶的影響，對多道次變形下的影響沒有提及?；诖?，筆者在研究單道次保溫不同時間對變形組織影響的基礎上，對雙道次變形后保溫時間和保溫溫度對組織遺傳性的影響進行了研究，揭示了GH5188 高溫合金多道次變形和保溫過程中的組織傳遞規律，建立了變形速率為0.01～10 s-1，變形量為50%，變形溫度為980～1 230 ℃下的熱加工圖，擬為材料熱加工工藝的制定提供指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用原材料為?150 mm 的GH5188 合金棒材，取自某廠，化學成分見表1。利用線切割方式以合金棒材1/2 半徑位置為中心軸線切取圓柱體熱模擬試樣，尺寸為?8 mm×12 mm。

表1 GH5 188 棒材化學成分Table 1 Chemical conposition of GH5188 superalloy bar %

1.2 試驗方案

1)壓縮試驗：采用Gleeble-3800 熱模擬機進行等溫恒應變速率軸向壓縮，以10 ℃/s 的加熱速度從室溫將試樣加熱到測試溫度并保溫180 s，然后再以不同的應變速率對試樣進行壓縮變形，其中熱變形溫度分別為980、1 030、1 080、1 130、1 180 ℃和1 230 ℃，應變速率分別為0.01、0.1、5 s-1和10 s-1，變形量為50 %，通過對不同變形條件下峰值應力和峰值應變的計算，得到了變形量為50%時的熱加工圖。

2）GH5188 合金多道次變形和保溫過程中的組織傳遞規律試驗：將樣品在1 180 ℃下保溫3 min，保溫后的樣品以0.1～1 s-1的應變速率進行第一次壓縮，壓縮量為20%和40%；之后在該溫度下保溫一定時間（0.5、1、5、15、30 min），接著以0.1～1 s-1的應變速率進行第二次壓縮，壓縮量為40%；然后將不同雙道次壓縮后的試樣在1 180 ℃分別保溫5、15、30、60 min，觀察組織演變規律。

3）雙道次降溫變形和保溫試驗：1 180 ℃保溫3 min 后的樣品以0.1～1 s-1的應變速率進行第一次壓縮，壓縮量40%，然后在該溫度下保溫15 min，接著分別在1 180、1 150 ℃以0.1～1 s-1的應變速率進行第二次壓縮，壓縮量為40%，然后將不同雙道次壓縮后的試樣分別在該溫度下保溫30、60、90、120 min，觀察組織演變規律。

2 結果與討論

2.1 GH5188 熱加工圖建立

當溫度和應變保持不變，熱變形金屬材料所受的應力σ與應變速率之間存在的動態關系如式（1）所示：

式中，K表示應變速率為1 s-1時的流變應力（單位Pa）；m為應變速率敏感因子，如式（2）所示：

材料在熱變形過程中單位體積內所吸收的總功率(P)可以用兩個互補函數的和來表示，如式（3）、（4）所示：

由式（4）可知應變速率敏感因子m決定了G和J之間的分配。其中G代表由塑性應變引起的功率耗散，其大多數轉化為黏塑性熱；J代表材料變形過程中由于組織結構變化而耗散的功率。取功率耗散余量(J)與理想線性耗散因子(Jmax)的比值得到功率耗散系數η，如式（5）所示：

通過對應變量、應變速率和溫度三者關系作圖，可得到功率耗散圖。在動態材料模型中，將不可逆熱動力學的極大值原理應用于大應變塑性流變中，給出加工失穩區的判據如式（6）所示：

D表示材料本征行為的耗散函數，由于J值反應了冶金學過程的功率耗散，所以可用J代替D，得到了在一定溫度和應變下的微觀組織保持穩定條件的表達式（式（7））：

其中，ξ為變形溫度和應變速率的函數，因此流變失穩同樣與應變速率敏感因子m有關?；谏鲜鰟討B材料模型原理[12-18]，建立GH5188 合金的功率耗散圖和失穩圖。讀取不同變形條件下應變量為50%時的流變應力值，用式（8）的三項多項式擬合lnσ 和 ln的關系曲線，回歸求得多項式系數a、b、c、d的數值。

通過計算得到不同變形條件下應變速率敏感指數m值，見表2。將m值帶入式（5）即可求出功率耗散效率因子η值，見表3。

表2 GH5 188 合金在不同變形條件下應變速率敏感指數mTable 2 The strain rate sensitivity index m of GH5188 alloy under different deformation conditions

表3 GH5 188 合金在不同變形條件下功率耗散效率因子η 值Table 3 The power dissipation efficiency factor η value of GH5188 alloy under different deformation conditions

在GH5188 合金變形溫度和應變速率所構成的平面上繪制功率耗散效率因子的等值輪廓曲線，就得到GH5188 合金應變量50%的功率耗散圖，如圖1 所示。

圖1 GH5188 合金的應變量為50%時的功率耗散圖Fig.1 Power dissipation diagram of GH5188 alloy at 50%strain

將式（9）代入式（7）中，得到：

將m值帶入到式（9）即得到不同變形條件下的流變失穩判據值，見表4。在變形溫度和應變速率所構成的平面上繪制流變失穩判據的等值輪廓曲線，就得到GH5188 合金應變量50%的失穩圖，如圖2 所示。

圖2 GH5188 合金的應變量為50%時的失穩圖Fig.2 Instability diagram of GH5188 alloy at 50% strain

表4 GH5188 合金在不同變形條件下流變失穩判據ζ 值Table 4 Rheological instability criterion ζ value of GH5188 alloy under different deformation conditions

將GH5188 合金應變量為50%的功率耗散圖與失穩圖疊加，就構成了GH5188 合金熱變形應變量為50%的加工圖，如圖3 所示。圖中漸進陰影填充部分是失穩圖中等值線為負的失穩區。

圖3 GH5188 合金變形量為50%時的加工圖Fig.3 Processing drawing of GH5188 alloy at 50% deformation

從應變量為50%的加工圖可以看出兩個高功率耗散率區和兩個低功率耗散率區，高功率耗散率一區處在變形溫度為1 050～1 175 ℃、應變速率為0.01～0.1 s-1，該區域的最大功率耗散率值為56%；高功率耗散率二區處在變形溫度為1 200～1 225 ℃、應變速率為0.01～1 s-1；低功率耗散率一區位置在變形溫度為975～1 150 ℃、應變速率為0.01～10 s-1；低功率耗散率二區位置在變形溫度為1 150～1 225 ℃、應變速率為0.1～10 s-1。兩個高功率耗散率區分別對應低溫低應變速率區、高溫低應變速率區，兩個低功率耗散率區分別對應低溫高應變速率區、高溫高應變速率區。應變量為50%的加工圖中存在失穩區，與圖中的高功率耗散率區和低功率耗散率區重合。

2.2 單道次變形后保溫時間對雙道次變形組織的影響

圖4為GH5188合金在1180℃以0.1s-1的應變速率變形40%后，經不同保溫時間的顯微組織和不同保溫時間后再進行第二道次40%變形量的顯微組織。從圖4 可以看出，GH5188 合金在1 180 ℃變形40%后經不同保溫時間，合金發生了不同程度動態再結晶；在進行第二道次變形中合金繼續發生動態再結晶。如圖4（e），當保溫30 s 后進行第二道次變形時，樣品發生了完全再結晶；如圖4（f），保溫60 s 時樣品出現了未完全再結晶現象；隨著保溫時間的延長，如圖4(h)，保溫30 min 后樣品中出現了項鏈組織。對比單道次和雙道次的變形組織，發現隨著第一道次變形后保溫時間的延長，晶粒尺寸逐漸增加，在第二道次壓縮中動態再結晶比例逐漸減少。這主要是由于晶界是動態再結晶的主要形核位置，晶粒尺寸過大，動態再結晶形核點減少，所以第二道次熱變形過程中動態再結晶發生越困難。因此，第一道次變形后保溫時間過長不利于第二道次熱變形過程中動態再結晶的發生。

圖4 單道次變形40%后經不同保溫時間再變形40%前后的顯微組織Fig.4 The microstructure before and after deforming 40% in a single pass and then deforming 40% after different holding times

2.3 雙道次變形后保溫時間和保溫溫度對組織遺傳性的影響

圖5 為GH5188 合金經不同雙道次變形條件變形后在1 180 ℃保溫30 min 和60 min 的顯微組織，從圖5 可以看出，在1 180 ℃保溫過程中晶粒尺寸未發生明顯的長大，但發生了明顯的靜態再結晶現象；雙道次變形后未再結晶組織越多，保溫過程發生完全靜態再結晶所需要的時間越長[19]。除1180℃-40%+30min+1180℃-40%雙道次變形條件下，保溫60 min 還未發生完全靜態再結晶外，其余變形條件在保溫時間內均發生了完全再結晶。

圖5 不同雙道次變形條件變形后保溫30 min 和60 min 的顯微組織Fig.5 The microstructure of different two-pass deformation conditions after deformation and holding for 30 min and 60 min

圖6 為GH5188 合金在1 180 ℃-40%+15 min+1 180 ℃-40%條件下雙道次變形后保溫不同時間的顯微組織，從圖6 可以看出，在該變形條件下，在1 180℃保溫5 min 時雙道次變形形成的未再結晶組織發生了完全再結晶，顯微組織全部為細小的奧氏體晶粒，隨著保溫時間的延長，晶粒未發生明顯的長大，這是由于在1 180 ℃保溫時，變形后形成的未再結晶組織比例較少，很快發生了完全再結晶，且隨著時間的延長，晶界上形成的大量碳化物包裹著再結晶晶粒，阻礙了奧氏體晶粒的長大[20]。

圖6 不同雙道次變形條件變形后保溫30 min 和60 min 的顯微組織Fig.6 The microstructure of different two-pass deformation conditions after deformation and holding for 30 min and 60 min

2.4 雙道次降溫變形和保溫時間對顯微組織的影響

圖7 為1 180 ℃-40%+15 min+1 150 ℃-40%雙道次變形保溫不同時間的顯微組織。對比圖6 和圖7 可以看出，GH5188 合金在其他變形條件相同的條件下，隨著第二道次變形溫度的降低，試樣再結晶比例降低。

圖7 1 180 ℃-40%+15 min+1 150 ℃-40%雙道次變形后保溫不同時間的顯微組織Fig.7 The microstructure of 1 180 ℃-40%+15 min+1 150 ℃-40% double-pass deformation and heat preservation for a different times

對比雙道次變形后保溫溫度對顯微組織的影響，當保溫溫度由1 180 ℃降低到1 150 ℃，發生靜態再結晶的能力顯著下降，隨著保溫溫度的降低，不容易發生靜態再結晶；在1 150 ℃保溫時，當保溫時間由30 min 延長到90 min時，發生靜態再結晶的現象不明顯，當時間延長到120 min 時可觀察到明顯的靜態再結晶。

3 結論

1)GH5188 合金變形量為50%的熱加工圖中存在兩個高功率耗散率區和兩個低功率耗散率區：高功率耗散率區的邊界條件分別為1 050～1 175 ℃、0.01～0.1 s-1和1 200～1 225 ℃、0.01～1 s-1；低功率耗散率區的邊界條件分別為975～1 150 ℃、0.01～10 s-1和1 150～1 225 ℃、0.1～10 s-1。

2)第一道次變形后保溫時間過長不利于第二道次變形過程中動態再結晶的發生。

3)雙道次變形后進行保溫時，發生了明顯的再結晶現象，且隨著保溫時間的增加，晶粒未發生明顯的長大。

4)隨著第二道次變形溫度的降低，試樣再結晶比例降低，隨著保溫溫度的降低，越不容易發生靜態再結晶。