粉末高溫合金FGH4097熱變形行為研究

袁 波，嚴(yán)寶輝，謝 夢，周 宣，2，李宇力，2

（1.西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710018；2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016）

先進高溫合金的變形加工長期以來一直是航空發(fā)動機核心部件制造的關(guān)鍵難點。相較于傳統(tǒng)變形高溫合金，粉末高溫合金組織成分更加均勻[1]，沒有宏觀偏析、縮孔和疏松等缺陷，但是后者燒結(jié)致密化后普遍存在晶粒粗大，存在合金元素含量高的和γ′相含量高的特點，使得粉末高溫變形非常困難，加工窗口較窄。FGH4097合金主要通過直接熱等靜壓成形的工藝制備高壓渦輪盤?，F(xiàn)階段，由于合金熱等靜壓性能研究的欠缺，燒結(jié)盤尺寸較大，后期機加工時多，合金的原材料和機加成本較大。雖然，直接熱等靜壓渦輪盤有著近凈成形的發(fā)展趨勢，但是，近凈成形需要大量基于材料本構(gòu)性能的數(shù)值模擬工作，以確定包套的最優(yōu)尺寸。目前，F(xiàn)GH4097合金的熱變形行為及其本構(gòu)方程研究工作較少。此外，F(xiàn)GH4097合金中的γ′相含量更高，對固溶處理方式更為敏感。因此，有必要開展FGH4097合金的熱變形行為研究，以獲得合金的本構(gòu)方程及熱變形特點。

1 實驗材料及實驗方法

實驗所用材料為過固溶處理的FGH4097合金。利用Gleeble-3800進行熱壓縮實驗，變形溫度分別為1080℃、1120℃、1160℃、1200℃，變形速率為0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1。變形量為40%，變形結(jié)束后采用空氣強制冷卻的方式冷卻至接近室溫。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖1為FGH4097合金不同變形條件對應(yīng)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。表1為不同變形條件獲得的峰值應(yīng)力。這些真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線都是典型的動態(tài)再結(jié)晶型曲線，且應(yīng)力水平隨著變形速率的降低而降低，隨著變形溫度的降低而升高。由于溫度越低，應(yīng)變速率越高，DRX的軟化作用越弱，引起基體中的位錯密度不斷上升，因而導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)應(yīng)力水平越高，亦引起峰值應(yīng)變εp隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的升高而呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖1 不同變形條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

2.2 本構(gòu)方程

金屬材料的熱加工過程主要取決變形溫度T、變形速率和變形量ε等三個參數(shù)，其中T和對熱變形過程的影響尤為顯著。利用式（1）～（3）可以用于計算合金本構(gòu)方程：

圖2 （a）關(guān)系曲線和（b）關(guān)系曲線

由于粉末高溫合金FGH4097的合金含量接近43%，γ′相穩(wěn)定性高（完全溶解溫度為1180℃～1190℃），其變形抗力遠(yuǎn)高于歐美的一代或者二代粉末高溫合金，導(dǎo)致其表觀熱變形激活能高于FGH4095和FGH4096。FGH4097的表觀應(yīng)力指數(shù)為4.3，對應(yīng)的變形機制主要為晶格擴散引起的高溫攀移。

圖3 （a）關(guān)系曲線和（b）-1000/T關(guān)系曲線

2.3 熱加工圖

通常，功率耗散系數(shù)η越高的區(qū)域代表材料在該區(qū)域的加工性能越好。

圖4為真應(yīng)變?yōu)?.2和0.4的功率耗散圖。可以看出，功率耗散系數(shù)的大小取決于應(yīng)變、應(yīng)變速率以及變形溫度。真應(yīng)變?yōu)?.2時，功率耗散系數(shù)η在1160℃～1200℃/0.001s-1附近獲得極大值；而真應(yīng)變達(dá)到0.4時，功率耗散系數(shù)在1120℃/0.001s-1附近達(dá)到峰值。

這兩處極值對應(yīng)的動態(tài)轉(zhuǎn)變機制并不相同，在1160℃～1200℃/0.001s-1范圍內(nèi)，動態(tài)再結(jié)晶大量出現(xiàn)，消耗了大量的能力；而在1120℃/0.001s-1附近，除了發(fā)生一些動態(tài)再結(jié)晶外，還伴有二次γ′相轉(zhuǎn)變[2]，這些析出相的演變成為吸收能量的主要方式。

圖4 FGH4097合金的功率耗散圖

3 結(jié)論

（1）FGH4097合金流變曲線呈典型的動態(tài)再結(jié)晶型，在達(dá)到峰值應(yīng)力后應(yīng)力水平逐漸下降。流變應(yīng)力水平隨著變形溫度的升高而降低，而隨著應(yīng)變速率的增大而升高。

（2）FGH4097合金表觀熱變形激活能Q和表觀應(yīng)力指數(shù)n分別為1636kJ/mol和4.3，較普通FGH4096合金高得多。

（3）功率耗散系數(shù)的大小取決于應(yīng)變、應(yīng)變速率以及變形溫度，真應(yīng)變達(dá)到0.4時，在動態(tài)再結(jié)晶和二次γ′相演變的交互作用下，功率耗散系數(shù)在1120℃/0.001s-1附近達(dá)到峰值。