δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的熱加工行為

陳　前，王　巖（中南大學(xué) 航空航天學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的熱加工行為

陳前，王巖
（中南大學(xué) 航空航天學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)研究δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金在變形溫度為980～1100℃、應(yīng)變速率為1×10-3～1 s-1條件下的熱壓縮變形行為，繪制真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。結(jié)果表明：該合金在變形過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的動(dòng)態(tài)軟化行為。利用摩擦修正后的峰值應(yīng)力數(shù)據(jù)構(gòu)建了該合金的熱壓縮本構(gòu)方程，獲得了本構(gòu)方程材料常數(shù)分別為α=0.005626、n=4.2643、A=5.6185×1017、Q=486.8 kJ/mol。構(gòu)建了不同應(yīng)變量ε下合金本構(gòu)方程材料常數(shù)的五次多項(xiàng)式組，并根據(jù)多項(xiàng)式對(duì)其流變應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明其預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與摩擦修正數(shù)據(jù)基本相符。利用動(dòng)態(tài)材料模型方法建立了該合金在不同應(yīng)變量下的熱加工圖，分析了其在不同變形條件下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特性及流變失穩(wěn)行為。

GH4169合金；本構(gòu)方程；熱加工圖；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；流變失穩(wěn)

Kew words：GH4169 alloy；constitutive equation；hot processing map；dynamic recrystallization；flow instability

GH4169合金（Inconel 718）是以γ″（Ni3Nb）相為主要強(qiáng)化相的時(shí)效硬化型高溫合金，在達(dá)到一定溫度時(shí)，亞穩(wěn)的γ″相將轉(zhuǎn)變?yōu)檎挥行蚪Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定相（δ相）。GH4169合金在650℃以下時(shí)具有較高的強(qiáng)度和塑性、良好的耐腐蝕性、抗疲勞性和抗氧化性以及斷裂韌性等，是目前航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的高溫合金[1]。作為制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的主要材料，GH4169合金在實(shí)際服役條件下極易產(chǎn)生應(yīng)變控制的高溫低周疲勞損傷，從而嚴(yán)重影響部件的使用壽命[2]。由GH4169合金制造的渦輪盤(pán)主要通過(guò)鍛造工藝成型，由于合金中δ相的溶解溫度處于其熱加工溫度范圍內(nèi)，因此，δ相的含量、形貌和分布對(duì)其熱加工過(guò)程中的力學(xué)行為和組織演化會(huì)產(chǎn)生很大影響。利用δ相的作用而發(fā)展起來(lái)的直接時(shí)效變形工藝，其鍛造溫度在δ相全溶溫度以下，鍛件進(jìn)行時(shí)效處理后可獲得ASTM10級(jí)或更細(xì)的晶粒尺寸。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)Allied-Signal公司提出了一種δ相時(shí)效處理變形工藝（DP工藝）[3]，在熱加工前進(jìn)行δ相析出處理，從而控制鍛坯晶粒尺寸。利用該工藝制造的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)部件的使用壽命明顯優(yōu)于傳統(tǒng)細(xì)晶鍛造工藝制造的部件的使用壽命[3]。

近些年來(lái)，有關(guān)經(jīng)δ相時(shí)效處理的GH4169合金的熱加工行為已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[4-15]。楊平等[4]研究了δ相時(shí)效態(tài)Inconel 718合金的高溫變形行為，構(gòu)建了本構(gòu)方程并得出了該合金的熱變形激活能。YUAN等[5]和WANG等[6]分析了δ相對(duì)Inconel 718合金高溫變形行為和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響，發(fā)現(xiàn)δ相的存在降低了合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。WANG等[7]研究了δ相對(duì)GH4169合金熱變形過(guò)程中應(yīng)變速率敏感因子和應(yīng)變硬化因子的影響，證明了δ相的存在降低了應(yīng)變硬化因子，并使一定變形條件下的應(yīng)變速率敏感因子有所增大。韋家虎等[8]和張海燕等[9]分別研究了δ相含量、分布及形貌對(duì)GH4169合金熱變形行為和微觀組織的影響，發(fā)現(xiàn)隨著δ相含量的增加，合金的變形抗力有所降低而變形激活能得到一定程度的提高；在相同變形條件下，合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變隨δ相含量的增加顯著降低，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)有所增大。WEN等[10]對(duì)比研究了固溶態(tài)和δ相時(shí)效態(tài)Inconel 718合金在高溫變形過(guò)程中的加工硬化行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變量較小時(shí)，δ相能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)加工硬化行為；當(dāng)應(yīng)變量較大時(shí)，δ相的存在有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，對(duì)動(dòng)態(tài)軟化行為起到促進(jìn)作用。針對(duì)含有不同狀態(tài)δ相的GH4169（Inconel 718）合金，WANG等[11]、NING等[12]和LIN等[13-14]還分別構(gòu)建了熱加工圖，提出了建議的熱加工安全區(qū)域和失穩(wěn)區(qū)域。此外，李振榮等[15]研究了熱連軋對(duì)GH4169合金蠕變行為的影響，發(fā)現(xiàn)了合金在等溫鍛造期間的變形特征僅為孿晶形變，而合金在熱連軋期間除產(chǎn)生孿晶外，在孿晶中還存在位錯(cuò)的雙取向滑移。

鍛造前的原始組織結(jié)構(gòu)對(duì)合金熱加工工藝參數(shù)的選擇有著重要影響。對(duì)GH4169合金來(lái)說(shuō)，原始晶粒尺寸的大小和δ相含量的控制將直接決定著鍛坯的性能，進(jìn)而影響到合金的服役性能。然而，目前對(duì)δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金熱變形行為的研究多基于晶粒尺寸相對(duì)較小的δ相時(shí)效態(tài)合金，關(guān)于粗晶δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金熱加工行為的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。由于在實(shí)際生產(chǎn)中，GH4169合金鍛前初始晶粒尺寸往往相對(duì)粗大，因此，研究粗晶δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的熱加工行為具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，系統(tǒng)研究粗晶δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的熱加工行為以及原始晶粒尺寸和δ相的作用也具有重要的理論意義。本文作者針對(duì)經(jīng)δ相時(shí)效處理的粗晶GH4169合金開(kāi)展熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究合金在變形溫度為980～1100℃、應(yīng)變速率為1×10-3～1 s-1范圍內(nèi)的高溫流變行為，建立其本構(gòu)方程[4-6, 14, 16-18]，構(gòu)建其在不同應(yīng)變量下的熱加工圖并分析其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特性，并以此為含δ相的粗晶GH4169合金的鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)

表1　GH4169合金的化學(xué)成分Table 1　Chemical compositions of GH4169 alloy （mass fraction, ％）

圖1　δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的金相組織Fig.1　Optical microstructure of δ-processed GH4169 alloy大量針狀δ相從γ基體中析出，定量分析結(jié)果顯示其奧氏體平均晶粒尺寸約為270μm，δ相的體積含量約為10.58％。

實(shí)驗(yàn)用材料為國(guó)產(chǎn)鍛造態(tài)GH4169合金，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％）如表1所示。將合金經(jīng)1200℃、30 min固溶處理后水冷，然后在900℃時(shí)效處理24 h以獲得含有大量δ相組織，時(shí)效處理后水冷至室溫。圖1所示為δ相時(shí)效態(tài)合金的金相組織。由圖1可見(jiàn)，

將δ相時(shí)效處理后的合金利用線切割加工成尺寸為d 8mm×12mm的圓柱試樣，然后在Gleeble-3180型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，試樣兩端用油劑石墨做為潤(rùn)滑劑，實(shí)驗(yàn)溫度分別為980、1020、1060、1100℃，應(yīng)變速率分別為1×10-3、1×10-2、1×10-1、1 s-1，名義應(yīng)變量為50％。將試樣以10℃/s的速度加熱到預(yù)設(shè)溫度，保溫2 min后進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮結(jié)束后立即水冷以保留高溫變形組織。利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)配有的微機(jī)處理系統(tǒng)自動(dòng)采集應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行修正和計(jì)算，繪制真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。采用線切割方法將壓縮后的試樣沿軸向剖開(kāi)，經(jīng)砂紙打磨、機(jī)械拋光后，在 REICHERTMe F3A 型光學(xué)金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織分析。

2　結(jié)果與分析

2.1真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線修正

圖2中虛線所示分別為熱模擬試驗(yàn)機(jī)所采集的δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖2可見(jiàn)，試樣在變形初期受到加工硬化的影響，其真應(yīng)力值迅速增加到最大，之后由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，動(dòng)態(tài)軟化作用有所增加，其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線逐漸趨于平穩(wěn)。在相同變形溫度條件下，隨著應(yīng)變速率的提高，合金的流變應(yīng)力有所增加；當(dāng)應(yīng)變速率相同時(shí)，隨著變形溫度的升高，合金的流變應(yīng)力隨之減少。以上結(jié)果與文獻(xiàn)[4-6, 13]報(bào)道的δ相時(shí)效態(tài) GH4169合金高溫變形流變應(yīng)力變化規(guī)律相符。

在熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓縮過(guò)程中，試樣與壓頭之間的摩擦?xí)绊懺嚇拥淖冃蝃19]。盡管使用潤(rùn)滑劑和石墨紙可以減小摩擦，但隨著變形溫度和變形程度的增加，試樣與壓頭之間的接觸面積會(huì)增加，摩擦?xí)兊迷絹?lái)越明顯。摩擦的存在限制了變形時(shí)材料的徑向流動(dòng)，改變了試樣的單向壓應(yīng)力狀態(tài)，使得試樣變形不均勻，因此需要對(duì)測(cè)得的應(yīng)力進(jìn)行摩擦修正。EBRAHIMI 等[20]的研究表明實(shí)測(cè)流變應(yīng)力可利用式（1）進(jìn)行修正：

式中：σ為摩擦修正后的真應(yīng)力；p為熱壓縮過(guò)程中外部施加于試樣上的壓力（即未經(jīng)修正的真應(yīng)力）；b為圓度系數(shù)；m為摩擦因子；Hi和Ri分別為變形過(guò)程中試樣的瞬時(shí)高度和瞬時(shí)半徑；其中Ri=R0exp（-ε/2）；Hi=h0exp（-ε）；R0和h0分別為試樣的原始半徑和原始高度。b和m可分別表示為

式中：R是變形后試樣的平均半徑，可表示為R0h為試樣高溫壓縮后高度；RM為最大鼓度半徑；RT是變形后試樣端面與壓頭的接觸半徑，可表示為

根據(jù)式（1）～（3）對(duì)δ相時(shí)效態(tài) GH4169合金高溫變形真應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行摩擦修正，修正后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2中實(shí)線所示。由圖2可見(jiàn)，修正曲線基本處于原始曲線的下方，這是由于摩擦力對(duì)材料徑向流動(dòng)的限制使得變形抗力增大的緣故，與文獻(xiàn)[21-23]報(bào)道的摩擦修正規(guī)律一致。但通過(guò)與之前研究的相同變形條件下（1100℃）的數(shù)據(jù)[6]相對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在變形前組織中δ相含量相近的條件下（WANG等[6]的研究中初始δ相體積含量約為12.8％），本實(shí)驗(yàn)合金的流變應(yīng)力有明顯下降，這說(shuō)明初始晶粒尺寸（WANG等[6]的研究中初始晶粒尺寸約為180μm）對(duì)流變應(yīng)力也有較大影響。由于材料的高溫強(qiáng)度取決于晶界強(qiáng)度，可用Hall-Petch公式來(lái)描述[24]，即

式中：sσ為材料的強(qiáng)度；0σ 為晶格摩擦壓力；K為材料常數(shù)；d為晶粒直徑。因此，晶粒尺寸的增加導(dǎo)致了晶界面積的減小，弱化了細(xì)晶強(qiáng)化作用，故本實(shí)驗(yàn)中所用合金的高溫變形流變應(yīng)力有一定程度地降低。

材料在熱變形過(guò)程中，還可能存在試樣溫度高于預(yù)設(shè)溫度的現(xiàn)象，引起變形熱效應(yīng)[25]，且在高應(yīng)變速率條件下更為明顯。圖3所示為δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金在不同變形條件下的溫度曲線。由圖3可知，當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)，變形溫度為980℃時(shí)的最高升溫不超過(guò)18℃；變形溫度為1100℃時(shí)的最高升溫不超過(guò)14℃；當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s-1，變形溫度為1200℃時(shí)的最高升溫不超過(guò)4℃；當(dāng)應(yīng)變速率低于0.1 s-1，溫度基本處于穩(wěn)定值。以上結(jié)果與文獻(xiàn)[21]報(bào)道的鎳基高溫合金高溫變形過(guò)程中的升溫溫度相近，可以忽略不計(jì)，因此，本實(shí)驗(yàn)中未進(jìn)行真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的溫度修正。

圖2　不同變形條件下δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金摩擦修正前后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2　True stress-true strain curves of delta-processed GH4169 alloy before and after friction correction under different deformation conditions：（a）980℃；（b）1020℃；（c）1060℃；（d）1100℃

圖3　不同變形條件下δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的瞬時(shí)溫度曲線Fig.3　Instantaneous temperature curves of delta-processed GH4169 alloy under different deformation conditions

2.2本構(gòu)方程

利用摩擦修正后的峰值應(yīng)力數(shù)據(jù)建立δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的熱壓縮本構(gòu)方程。材料高溫塑性變形的流變應(yīng)力本構(gòu)方程通?？捎檬剑?）～（7）來(lái)表示[6, 13, 26]：

1）在低應(yīng)力水平下，

2）在高應(yīng)力水平下，

3）在所有應(yīng)力水平下，

分別對(duì)式（5）和（6）兩邊取對(duì)數(shù)可得

式中：B1和B2分別為與溫度有關(guān)的常數(shù)；n1為與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)。當(dāng)溫度一定時(shí)，將δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的峰值應(yīng)力數(shù)據(jù)分別代入式（8）和（9）中，并進(jìn)行線性回歸處理，即可得σp-ln和lnσp-ln的關(guān)系曲線，分別如圖4（a）和（b）所示。其中，σp-ln和lnσp-ln回歸線的斜率分別為1/β和1/n1，α=β/n1。

對(duì)式（7）兩邊取對(duì)數(shù)并進(jìn)行微分可得

式中：右邊兩項(xiàng)分別為一定溫度下ln[sinh（ασp）]-ln回歸線（見(jiàn)圖4（c））斜率的倒數(shù)和一定應(yīng)變速率下ln[sinh（ασp）]-T-1）回歸線（見(jiàn)圖4（d））的斜率，而ln[sinh（ασp）]-ln回歸線的截距為[Q/（RT）-lnA]/n 。

利用式（5）～（10）及回歸分析方法，并通過(guò)計(jì)算機(jī)反復(fù)迭代，直至n值的平均偏差最小，即可得δ時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮變形本構(gòu)方程的材料常數(shù)分別為：α=0.005626, n=4.2643, A=5.6185×1017, Q=486.8 kJ/mol。將變形參數(shù)和激活能Q值代入求出Z值，并繪制δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金峰值應(yīng)力與Z參數(shù)的關(guān)系如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，ln[sinh（ασ）]-lnZ之間的線性擬合關(guān)系較好，這也驗(yàn)證了利用雙曲正弦函數(shù)關(guān)系建立合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程的準(zhǔn)確性。

因此，以Z參數(shù)表示的δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮流變應(yīng)力方程為

圖4　δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率和變形溫度之間的關(guān)系Fig.4　Relationships between peak stress and strain rate and deformation temperature for hot compression of delta-processed GH4169 alloy：（a）σp-ln；（b）lnσp-ln；（c）ln[sinh（ασp）]-ln；（d）ln[sinh（ασp）]-T-1

圖5　δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮峰值應(yīng)力與Z參數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5　Relationship between peak stress and Zener-Hollomon parameter for hot compression of delta-processed GH4169 alloy

本實(shí)驗(yàn)中所得的δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮變形激活能為486.8 kJ/mol，高于YUAN等[5]、LIN 等[27]所報(bào)道的針狀δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的高溫壓縮變形激活能值。分析可知，初始晶粒尺寸及δ相含量的差異是造成此偏差的主要原因。NA等[28]的研究已表明，隨著初始晶粒尺寸的增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界應(yīng)變量（εc）增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積含量有所減小。這意味著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒形核和長(zhǎng)大過(guò)程需要克服的勢(shì)壘有所增大，需要更大范圍的熱激活。因此，與之前的研究結(jié)果[6]（Q=467 kJ/mol）相比，本實(shí)驗(yàn)中材料的變形激活能值有所提高。同時(shí)，張海燕等[9]的研究也表明，隨著δ相含量的增加，GH4169合金的變形激活能有所增加。由于δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫變形過(guò)程中伴隨著δ相溶解及球化的相變過(guò)程，這一過(guò)程與形變過(guò)程耦合在一起，也成為合金擴(kuò)散熱激活的一部分，因此，大量δ相的存在對(duì)本實(shí)驗(yàn)合金變形激活能的提高也有所貢獻(xiàn)。

采用上述計(jì)算Q、n、ln A和α值的方法進(jìn)一步計(jì)算出不同應(yīng)變量ε下合金的高溫壓縮本構(gòu)方程材料常數(shù)，如圖6所示。因此，δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮本構(gòu)方程及其材料常數(shù)可以采用以應(yīng)變量為自變量的五次多項(xiàng)式描述如下：

圖6　不同應(yīng)變量下δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮變形本構(gòu)方程材料常數(shù)Fig.6　Material constants of constitutive equation for hot compression of delta-processed GH4169 alloy under different strains：（a）α and n；（b）ln A and Q

圖7　δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變摩擦修正曲線與預(yù)測(cè)曲線對(duì)比Fig.7　Comparison of true stress-true strain curves between friction-corrected one and predicted one of delta-processed GH4169 alloy：（a）980℃；（b）1020℃；（c）1060℃；（d）1100℃

利用關(guān)系式（13）的函數(shù)模型，繪制不同變形條件下δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮流變應(yīng)力曲線，并與修正后的曲線進(jìn)行比較，如圖7 所示。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)（Rr）和平均相對(duì)誤差絕對(duì)值（AARE）進(jìn)一步驗(yàn)證本構(gòu)方程的精度，如圖8所示。由圖7和8可知，流變應(yīng)力修正值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)性較好，在測(cè)試應(yīng)變范圍內(nèi)，相關(guān)性系數(shù)（Rr）為0.99567，平均相對(duì)誤差絕對(duì)值為4.0106％。

2.3熱加工圖及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特性

基于熱力學(xué)動(dòng)態(tài)材料模型（DMM）建立的熱加工圖可以直接反映材料在不同變形條件下的宏觀規(guī)律以及不同變形區(qū)域的微觀變形機(jī)制，有利于材料熱加工性分析，并可獲得優(yōu)化的熱加工溫度和應(yīng)變速率[11, 29]。材料在一定應(yīng)力下的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m可表示為[11]

圖8　δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮流變應(yīng)力摩擦修正值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)性Fig.8　Correlation between friction-corrected experimental and predicted flow stress for hot compression of delta-processed GH4169 alloy

對(duì)于非線性能量耗散體，用η來(lái)表示顯微組織演變引起的能量耗散效率，其表達(dá)式如下[11]：

式中：η為功率耗散因子；J為微觀組織演變耗散的能量；Jmax為顯微組織演變耗散的最大能量。PRASAD 等[30]根據(jù)動(dòng)態(tài)材料模型原理，提出流變失穩(wěn)的判據(jù)：

圖9　δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金在不同應(yīng)變量下的熱加工圖Fig.9　Hot processing maps of delta-processed GH4169 alloy at different strains （Notation：Numbers inside Fig.9 on line represent energy dissipation efficiency, i.e.η values）：（a）0.4；（b）0.5；（c）0.6

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)中獲得的高溫壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)材料模型方法，在變形溫度和應(yīng)變速率的平面內(nèi)繪制出η的等值線，并用陰影線表示）ξ（＜0的區(qū)域，即可得出δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的熱加工圖。圖9所示為合金在變形溫度為980～1100℃、應(yīng)變速率為1×10-3～1 s-1、應(yīng)變量分別為0.4、0.5和0.6時(shí)的熱加工圖。由圖9可見(jiàn)，δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的耗散效率基本處于10％～50％之間。當(dāng)應(yīng)變量為0.4時(shí)，局部的η極大值出現(xiàn)在高溫低速率區(qū)（見(jiàn)圖9（a）中右下方區(qū)域）；當(dāng)應(yīng)變量從0.4增加到0.5和0.6時(shí)，功率耗散圖的變化表現(xiàn)為其右下方區(qū)域逐漸向低溫區(qū)域延伸，耗散效率有所增加；在應(yīng)變量為0.6時(shí)，最大耗散因子增加至52％，這與之前研究的該合金熱加工功率耗散圖的變化規(guī)律基本相符[11]。

耗散效率的變化以及局部區(qū)域存在的耗散率極大值均與合金不同的高溫變形機(jī)理密切相關(guān)，其中η值為30％～55％的區(qū)域通常為典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域[31]。由于應(yīng)變量為0.6時(shí)，試樣的狀態(tài)接近于高溫壓縮變形結(jié)束時(shí)的狀態(tài)，因此對(duì)圖9做進(jìn)一步的分析。由圖9可知，在應(yīng)變速率為1×10-1.15～1×10-3s-1，變形溫度1000～1100℃之間存在一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域，η值為33％～52％之間。為驗(yàn)證熱加工圖的正確性，對(duì)不同變形條件下合金的金相組織進(jìn)行了觀察。圖10所示為δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金在不同變形條件下高溫壓縮后的金相組織（ε=50％）。由圖10（a）～（c）可以看出，應(yīng)變速率為1×10-2s-1時(shí)δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金在不同變形溫度下其長(zhǎng)針狀δ相均發(fā)生了明顯的球化溶解，并伴隨有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。在變形溫度為1020℃時(shí)（見(jiàn)圖10（a）），可觀察到部分殘留的δ相，此時(shí)在原始晶界及孿晶界附近已發(fā)生少量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；隨著變形溫度的升高（見(jiàn)圖10（b）和（c）），δ相逐漸完全溶解，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)有所增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸也隨之長(zhǎng)大。在變形溫度為1060℃、應(yīng)變速率為1×10-3s-1時(shí)，δ相已完全溶解，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶基本趨于完全，再結(jié)晶晶粒有一定程度地長(zhǎng)大（見(jiàn)圖10（d））。以上分析結(jié)果與熱加工圖所反映出的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域相吻合。在1060℃、1×10-2s-1條件下，盡管動(dòng)態(tài)再結(jié)晶尚未完全，但耗散功率相對(duì)較高。這說(shuō)明在此變形條件下，材料顯微組織耗散引起的熵增加的變化率最大，最有利于體系向自發(fā)過(guò)程轉(zhuǎn)變，即有利于塑性變形向穩(wěn)態(tài)變形方向轉(zhuǎn)變。

圖10　δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金在不同變形條件下高溫壓縮后的金相組織（ε=50％）Fig.10　Optical microstructures of delta-processed GH4169 alloy under different deformation conditions：（a）1020℃, 1×10-2s-1；（b）1060℃, 1×10-2s-1；（c）1100℃, 1×10-2s-1；（d）1060℃， 1×10-3s-1

圖9中陰影區(qū)域所展示的δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金在不同應(yīng)變量下的流變失穩(wěn)區(qū)多對(duì)應(yīng)于1×10-0.75～ 1 s-1、1030～1090℃變形條件范圍內(nèi)，失穩(wěn)的發(fā)生可能與絕熱剪切帶的形成以及大量δ相存在而造成的裂紋萌生有關(guān)[13-14]。此外，粗大的原始晶粒尺寸也可能是造成實(shí)驗(yàn)材料發(fā)生流變失穩(wěn)的原因之一。如前所述，晶界面積的增加會(huì)產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化作用，從而減小晶間裂紋萌生的可能性[24]。因此，相對(duì)細(xì)小的初始晶粒更有利于避免δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫變形流變失穩(wěn)的發(fā)生。

3　結(jié)論

1）δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮變形過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的動(dòng)態(tài)軟化行為；經(jīng)摩擦修正后，合金流變應(yīng)力值有所降低，摩擦修正曲線基本處于實(shí)驗(yàn)曲線的下方。

2）利用摩擦修正峰值應(yīng)力數(shù)據(jù)獲得的δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金高溫壓縮變形激活能為486.8kJ/mol；以Z參數(shù)描述的合金高溫壓縮流變應(yīng)力方程可表示為

3）構(gòu)建了以應(yīng)變量為自變量的δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金本構(gòu)方程材料常數(shù)的五次多項(xiàng)式組，根據(jù)該多項(xiàng)式預(yù)測(cè)的流變應(yīng)力數(shù)據(jù)與摩擦修正數(shù)據(jù)基本相符。

4）隨著應(yīng)變量的增加，δ相時(shí)效態(tài)GH4169合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域有所擴(kuò)大，耗散效率有所增加；應(yīng)變量為0.6時(shí)，典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生在應(yīng)變速率為1×10-1.15～1×10-3s-1、變形溫度為1000～1100℃的變形條件范圍內(nèi)；合金的流變失穩(wěn)多處于應(yīng)變速率為1×10-0.75～1 s-1、變形溫度為1030～1090℃的變形條件范圍內(nèi)。

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（編輯龍懷中）

Hot working behavior of delta-processed GH4169 alloy

CHEN Qian, WANG Yan
（School of Aeronautics and Astronautics, Central South University, Changsha 410083, China）

The hot compressive deformation behavior of delta-processed GH4169 alloy was investigated at temperature range of 980-1100℃ with strain rate from 1×10-3to 1 s-1by thermal simulator.The true stress-true strain curves were obtained.The results show that the apparent dynamic softening behaviors occur during deformation.By using the friction-corrected peak stress data, the constitutive equation of the alloy for hot compression was established.The material constants are obtained to be α=0.005626, n=4.2643, A=5.6185×1017, Q=486.8 kJ/mol, respectively.A group of five-order polynomials showing the relationship between material constants of the constitutive equation and the strain was constructed, by which the flow stress was predicted.The predicted data are in good agreement with the friction-corrected one.According to the methods of dynamic material model, the hot processing maps of the alloy at different strains were established.The dynamic recrystallized characteristic under different deformation conditions and the flow instability behavior were also analyzed.

TG146.1

A

1004-0609（2015）10-2727-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51301204；51134003）

2015-02-26；

2015-08-01

王巖，副教授，博士；電話：0731-88877495；傳真：0731-88877132；E-mail：wangyan@csu.edu.cn