陳志遠(yuǎn)

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

DMM 加工圖以大塑性變形連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、不可逆熱力學(xué)和物理系統(tǒng)模擬為基礎(chǔ)。DMM 加工圖將外界作用與材料塑性形變消耗二者的能量聯(lián)系在一起，可以表述外界作用的能量通過(guò)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(qū)合適的加工區(qū)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(jiǎn)介

“Li”的全稱是“Low interstitial”，意為低間隙原子［1］。U720Li 標(biāo)準(zhǔn)成分見(jiàn)表1。

U720Li 合金強(qiáng)化元素和強(qiáng)化γ′相的含量都非常之高，強(qiáng)化元素含量14%，γ′相含量40%～50%。受益于強(qiáng)化元素與強(qiáng)化γ′相高含量，該合金使用溫度較高，高溫下依舊擁有優(yōu)異性能，基于這一點(diǎn)，該合金主要用于制作工作溫度650～750 ℃的氣壓機(jī)盤(pán)和渦輪盤(pán)、在900 ℃短時(shí)間工作的渦輪盤(pán)，在工作溫度極高，不要求較長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命的戰(zhàn)略導(dǎo)彈和大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力裝置中也有應(yīng)用。

1.2 U720Li 合金的應(yīng)用

鎳基高溫合金由于在高溫下的優(yōu)異性能，主要用于各種高溫環(huán)境工作環(huán)境，而且普遍工作強(qiáng)度也比較高。U720Li 主要用于制造渦輪盤(pán)，渦輪盤(pán)，整個(gè)渦輪盤(pán)在不同的部位，受到的應(yīng)力、工作溫度以及介質(zhì)作用程度都不同。因此，U720Li 合金的高屈服強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度以及良好的耐腐蝕性和組織穩(wěn)定性使其成為渦輪盤(pán)材料的不二之選。

渦輪在服役中既處于高溫工作環(huán)境中，又要進(jìn)行高強(qiáng)度的工作，地面燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)于材料的要求低于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，因此U720Li 合金更能夠勝任地面燃?xì)廨啓C(jī)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(guò)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(yīng)變速率為縱軸的坐標(biāo)圖里用等值曲線表示即為功率耗散圖，通過(guò)origin 將橫坐標(biāo)編輯為T(mén)，縱坐標(biāo)為lgε 的功率耗散因子η 曲線圖。

2.2 失穩(wěn)判據(jù)

在材料的熱變形過(guò)程中，采用的變形機(jī)制不同，則功率耗散系數(shù)也不同，所以不能只通過(guò)功率耗散圖來(lái)判斷哪些區(qū)域是適合選擇的。

表1 U720Li 合金的標(biāo)準(zhǔn)成分［2］

（1）PRASAD 失穩(wěn)準(zhǔn)則：

（2）GEGEL 失穩(wěn)準(zhǔn)則：

（3）MALAS 失穩(wěn)準(zhǔn)則：

（4）MURTY 失穩(wěn)準(zhǔn)則：

（5）SEMIATIN 失穩(wěn)準(zhǔn)則：

2.2 功率耗散率圖

對(duì)U720Li 合金通過(guò)熱壓縮后得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1 所示，結(jié)合得到的流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，用程序繪制相應(yīng)變形溫度與應(yīng)變速率下η 等值曲線，如圖2 所示。橫坐標(biāo)為變形溫度T，縱坐標(biāo)為應(yīng)變速率對(duì)數(shù)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(yīng)變速率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 U720Li 合金不同溫度、不同應(yīng)變速率的功率耗散圖

從圖2 中可以看出，Ⅰ區(qū)（950～1050 ℃，5×10-4～5×10-2s-1）、Ⅱ區(qū)（1115～1150℃，5×10-4～10-3s-1）。查閱文獻(xiàn)可得當(dāng)功率耗散率值在40%以上時(shí)，合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。這種動(dòng)態(tài)過(guò)程同樣伴隨著位錯(cuò)的重組，會(huì)對(duì)合金高溫成形性能有幫助。所以這2 個(gè)區(qū)域?yàn)閁720Li 合金的適合加工區(qū)域。由于斷裂與空穴之類的內(nèi)部缺陷會(huì)對(duì)功率耗散值產(chǎn)生較大的影響，因此不能僅憑借功率耗散圖，還要結(jié)合失穩(wěn)判據(jù)。

2.2 基于失穩(wěn)判據(jù)的熱加工圖

圖3 為U720Li 合金不同條件下，不同失穩(wěn)判據(jù)的動(dòng)態(tài)DMM 熱加工圖。

表2 U720Li 合金不同失穩(wěn)判據(jù)下的流變失穩(wěn)區(qū)間

圖4 為U720Li 合金在圖3 中5 種失穩(wěn)判據(jù)的疊加圖。

圖3 U720Li 合金不同失穩(wěn)判據(jù)的熱加工圖

圖4 U720Li 鎳基高溫合金不同失穩(wěn)判據(jù)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(qū)域，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ判據(jù)出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象；左上區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ判據(jù)出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象；右上區(qū)域中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ判據(jù)出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象；右下區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ判據(jù)出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象。通過(guò)觀察圖中的這些重疊部分，可以發(fā)現(xiàn)該合金在高溫和低溫，多種表示失穩(wěn)判據(jù)的陰影相互重疊。可以得出，U720Li 合金在溫度為975～1050 ℃，應(yīng)變速率為5×10-4～5×10-2s-1區(qū)間內(nèi)，功率耗散值大于40%，成形性能較好，而且不處于失穩(wěn)區(qū)間內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)流變失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 結(jié) 語(yǔ)

（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(qū)域內(nèi)合金功率耗散率為40%。

（2）U720Li 合金推薦使用PRASAD 和MURTY 失穩(wěn)判據(jù)。