婁號南, 劉家奧, 梅飛強(qiáng), 曹一超, 宋璽玉, 張偉紅

(1. 中國航發(fā) 沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心, 遼寧 沈陽 110043;2. 中國科學(xué)院 金屬研究所 師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心, 遼寧 沈陽 110016;3. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 安徽 合肥 230026;4. 空裝駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室, 遼寧 沈陽 110043)

GH2150合金是一種以W、Mo等元素進(jìn)行固溶強(qiáng)化并以Al、Ti、Nb進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化的Fe-Ni-Cr基高溫合金,主要強(qiáng)化相為γ′相[1]。該合金具有耐高溫、耐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),經(jīng)1080 ℃固溶+兩階段時(shí)效處理,可以得到大小均勻的晶粒組織和良好的綜合性能,主要被用于600 ℃以下長期服役的航空發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片等板材或棒材類零件[2-4]。目前,國內(nèi)學(xué)者主要針對GH2150合金在不同熱變形參數(shù)或冶煉方式下的組織性能變化規(guī)律開展了一系列研究[5-9],但不同熱變形參數(shù)之間的綜合關(guān)系及其對顯微組織的影響卻鮮見報(bào)道。因此,本文擬開展GH2150合金的熱變形行為及再結(jié)晶規(guī)律研究,建立GH2150合金熱變形本構(gòu)方程及變形再結(jié)晶圖,研究結(jié)果可為合金熱加工工藝參數(shù)制定及后續(xù)無縫管材等新產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用GH2150合金為經(jīng)“真空感應(yīng)+電渣重熔”冶煉的φ125 mm棒料,其化學(xué)成分見表1。將GH2150合金加工成尺寸為φ8 mm×12 mm的待壓縮圓柱試樣,使用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單向恒溫?zé)釅嚎s試驗(yàn),變形量為30%、50%和70%。在試樣和兩端夾頭之間加入一層鉭片以減小壓縮過程中的摩擦。將待壓縮圓柱試樣以10 ℃/s的加熱速率加熱至1000、1050、1100、1150以及1200 ℃,保溫180 s,使其組織和成分均勻化,然后分別以0.1、0.5、1、5 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行等溫壓縮。

表1 GH2150合金的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of the GH2150 alloy (mass fraction, %)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線反映了材料變形抗力與變形溫度、應(yīng)變速率、變形量等參數(shù)之間的關(guān)系,由材料的組織、性能變化所決定。圖1是試樣在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(變形量70%)。變形初期,流動應(yīng)力隨變形程度的增加迅速達(dá)到峰值,然后逐漸降低并趨于穩(wěn)定,表現(xiàn)出明顯的動態(tài)再結(jié)晶行為。在初始階段,位錯密度隨著應(yīng)變的增加而增加,而位錯交叉滑移引起的合金的軟化效應(yīng)不足以彌補(bǔ)位錯密度增加引起的硬化效應(yīng),從而使流動應(yīng)力迅速增加。因此,加工硬化在應(yīng)力達(dá)到峰值之前是主要的作用機(jī)制[10]。隨后當(dāng)變形足以超過某一臨界變形量,位錯密度也相對較高,變形存儲的能量將為再結(jié)晶提供驅(qū)動力,此時(shí)動態(tài)再結(jié)晶引起的軟化效應(yīng)逐漸成為主流,最終當(dāng)晶粒變形引起的硬化和再結(jié)晶引起的軟化達(dá)到動態(tài)平衡時(shí),真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線整體呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 GH2150合金在70%變形量和不同熱壓縮變形參數(shù)下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-true strain curves at 70% deformation of the GH2150 alloy at different hot compression deformation parameters(a) 0.1 s-1; (b) 0.5 s-1; (c) 1 s-1; (d) 5 s-1

此外,合金在相同的應(yīng)變速率下,流動應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小,在相同的變形溫度下則隨應(yīng)變速率的升高而增加。劉庭耀等[11]和陳鵬等[12]同樣觀察到了此種變化趨勢,筆者從以下兩個(gè)方面來對此現(xiàn)象進(jìn)行了分析,一方面是晶界遷移率隨著變形溫度的升高而增加,從而加速了動態(tài)再結(jié)晶晶粒的生長;同時(shí),金屬原子的熱活化隨著變形溫度的升高而增強(qiáng),導(dǎo)致位錯和空位明顯運(yùn)動。因此,流動應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小。另一方面,在高應(yīng)變速率下,位錯以較快速度產(chǎn)生和積累;同時(shí),變形時(shí)間的縮短抑制了再結(jié)晶晶粒的生長,提高了加工硬化效果。因此,高應(yīng)變速率下的流動應(yīng)力高于低應(yīng)變速率下的流動應(yīng)力。

2.2 GH2150合金熱變形本構(gòu)方程

阿倫尼烏斯(Arrhenius)公式是應(yīng)用最為廣泛的用來描述合金變形過程中流變應(yīng)力、應(yīng)變速率與變形溫度之間關(guān)系的唯象型本構(gòu)方程,該方程可以用以下3種形式來表示[13]:

冪函數(shù)方程(式(1))和指數(shù)方程(式(2))分別適用于低應(yīng)力狀態(tài)(ασ<0.8)和高應(yīng)力狀態(tài)(ασ>1.2)變形。而雙曲正弦函數(shù)方程(式(3))適用于任何應(yīng)力狀態(tài),因此采用雙曲正弦函數(shù)方程來研究合金的熱變形行為。分別對式(1～3)兩邊取對數(shù),可得:

(7)

(8)

(9)

在應(yīng)變速率一定的情況下,ln[sinh(ασ)]與1000/T成線性關(guān)系,斜率為Q/(n2R)。因此,變形激活能可表示為:

(10)

此外,可以引入溫度補(bǔ)償因子Zener-Hollomon參數(shù)(Z)來表示應(yīng)變速率與變形溫度的協(xié)同效應(yīng),Z可表示為:

(11)

通過式(3)和式(11)的變換可進(jìn)一步得到:

Z=A[sinh(ασ)]n2

(12)

對等式兩邊取自然對數(shù),有:

lnZ=lnA+n2ln[sinh(ασ)]

(13)

繪制lnZ和ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線,圖2(e)所示,Z值可由式(11)計(jì)算得到。通過擬合,lnZ和ln[sinh(ασ)]的線性相關(guān)系數(shù)R=0.992,滿足線性關(guān)系,斜率和截距分別為n2=3.447和lnA=29.679,計(jì)算得到A=7.752×1012。因此,本構(gòu)方程可以表示為:

exp(-348 680/RT)

(14)

根據(jù)以上計(jì)算,流動應(yīng)力可重寫為雙曲-正弦函數(shù)形式(式(15)),將各參數(shù)值代入即可得到GH2150合金的本構(gòu)方程,如式(16)所示:

(15)

(16)

為驗(yàn)證本構(gòu)方程的準(zhǔn)確性,根據(jù)式(16)計(jì)算不同變形溫度和應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,如圖3所示。可以看出,試驗(yàn)值和預(yù)測值的數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻分布在直線y=x的兩側(cè),平均相對誤差為4.36%,相關(guān)系數(shù)R=0.992,表明試驗(yàn)值和預(yù)測值兩者之間存在很好的一致性。

2.3 GH2150合金組織的再結(jié)晶規(guī)律

2.3.1 變形溫度與再結(jié)晶行為的關(guān)系

在不同應(yīng)變速率及變形量條件下,GH2150合金隨著變形溫度的升高均出現(xiàn)了再結(jié)晶行為,但經(jīng)30%壓縮后僅在變形晶粒的晶界上有細(xì)小的再結(jié)晶晶粒出現(xiàn),此時(shí)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)僅為15%。

圖4為GH2150合金在應(yīng)變速率0.1 s-1、50%變形量條件下,顯微組織隨變形溫度的變化規(guī)律。由圖4可知,試樣在1000 ℃時(shí)開始出現(xiàn)再結(jié)晶,1050 ℃時(shí)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)增加到50%左右。1100 ℃變形溫度下原子擴(kuò)散能力增強(qiáng),再結(jié)晶所需的晶界遷移應(yīng)力減小,此時(shí)試樣的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)提高至80%左右。變形溫度升高到1150 ℃后,合金的再結(jié)晶行為進(jìn)一步強(qiáng)化,晶粒度約為10級。變形溫度為1200 ℃時(shí),合金組織結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化,但晶粒度粗化至8級。

圖4 GH2150合金在不同熱變形溫度下的顯微組織(應(yīng)變速率0.1 s-1、變形量50%)Fig.4 Microstructure of the GH2150 alloy at different hot deformation temperatures (strain rate of 0.1 s-1, deformation amount of 50%)(a) 1000 ℃; (b) 1050 ℃; (c) 1100 ℃; (d) 1150 ℃; (e) 1200 ℃

2.3.2 變形量與再結(jié)晶行為的關(guān)系

圖5為試樣在1100 ℃、應(yīng)變速率0.1 s-1條件下,顯微組織隨變形量的變化規(guī)律。在變形量30%條件下,試樣的再結(jié)晶行為出現(xiàn)在拉長晶粒的晶界處,動態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)僅為20%(見圖5(a))。當(dāng)變形量增至50%后,試樣再結(jié)晶程度已達(dá)70%。變形量進(jìn)一步提升至70%后,此時(shí)試樣內(nèi)部的形變儲能足夠促進(jìn)合金發(fā)生完全再結(jié)晶(見圖5(c))?？偟膩碚f,GH2150合金的再結(jié)晶程度會隨著變形量的增加而增加,相應(yīng)再結(jié)晶晶粒尺寸也隨之細(xì)化。

圖5 GH2150合金在不同變形量下的顯微組織(變形溫度1100 ℃、應(yīng)變速率0.1 s-1)Fig.5 Microstructure of the GH2150 alloy at different deformation amounts (deformation temperature of 1100 ℃, strain rate of 0.1 s-1)(a) 30%; (b) 50%; (c) 70%

2.3.3 應(yīng)變速率與再結(jié)晶行為的關(guān)系

圖6是試樣在1000 ℃、變形量70%的條件下,顯微組織在不同應(yīng)變速率下的變化規(guī)律。當(dāng)應(yīng)變速率為0.5～5 s-1時(shí),試樣的再結(jié)晶和形核時(shí)間不充分,此時(shí)為不完全再結(jié)晶,晶粒度為11～12級。當(dāng)應(yīng)變速率降低至0.1 s-1時(shí),試樣基本完全再結(jié)晶,此時(shí)同其它應(yīng)變速率條件下的顯微組織相比,晶粒度已經(jīng)長大至8～10級。

圖6 GH2150合金在不同應(yīng)變速率下的顯微組織(變形溫度1000 ℃、變形量70%)Fig.6 Microstructure of the GH2150 alloy at different strain rates (deformation temperature of 1000 ℃, deformation amount of 70%)(a) 0.1 s-1; (b) 0.5 s-1; (c) 1 s-1; (d) 5 s-1

2.3.4 GH2150合金動態(tài)再結(jié)晶圖

基于前述試驗(yàn)結(jié)果,建立如圖7所示的GH2150合金動態(tài)再結(jié)晶圖。該合金在不同變形量下,再結(jié)晶規(guī)律大體可分為3部分:變形量為30%時(shí),再結(jié)晶行為整體上不易出現(xiàn),合金在1150～1200 ℃變形后的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)僅為50%～70%。變形量為50%時(shí),再結(jié)晶分?jǐn)?shù)隨著變形溫度的增加而增加,此時(shí)合金在1150 ℃時(shí)即可發(fā)生完全再結(jié)晶。但在上述變形量下,應(yīng)變速率對合金再結(jié)晶分?jǐn)?shù)無明顯影響。變形量為70%時(shí)(合金應(yīng)變速率1 s-1與5 s-1時(shí)在不同變形溫度下對應(yīng)的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)一致,曲線發(fā)生重疊),合金再結(jié)晶分?jǐn)?shù)幾乎均在80%以上,此時(shí)宜采用低應(yīng)變速率以獲得較高的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)。

圖7 GH2150合金動態(tài)再結(jié)晶圖Fig.7 Dynamic recrystallization diagram of the GH2150 alloy

3 結(jié)論

1) GH2150合金由于位錯擴(kuò)散引起的加工硬化效應(yīng)與回復(fù)再結(jié)晶引起的動態(tài)軟化效應(yīng)相互競爭,使得熱變形流動應(yīng)力具有“峰值-降低-穩(wěn)定”的動態(tài)再結(jié)晶特點(diǎn)。

2) 受晶界遷移率、原子的熱活化以及加工硬化因素的綜合影響,GH2150合金熱變形下的流動應(yīng)力隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而減小。

4) 大變形量有利于提高GH2150合金的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)。合金的再結(jié)晶行為在50%變形量下主要受變形溫度影響,在70%變形量下采用低應(yīng)變速率更有利于再結(jié)晶發(fā)生。