GH4169 合金不同熱變形條件下的流變應力研究

張付軍，周晚林，陳文豪

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

GH4169 合金屬于鎳基變形高溫合金，類似于美國Inconel718 合金，在650℃以下具有較高的抗拉強度、屈服強度和良好的塑性［1］，同時具有良好的抗腐蝕、抗輻射能、疲勞、斷裂韌性等綜合性能，既是航空發動機熱端部件、航天火箭發動機高溫部件的關鍵材料，又是工業燃氣輪機和能源部門的高溫耐蝕、耐磨部件材料［2］，有著較為廣泛的應用。同時高溫合金是一種難變形材料，塑性低，變形抗力大，熱加工溫度范圍窄，導熱性差，沒有相變和重結晶［3］。高溫合金的這些特點使得其鍛造性能同合金結構鋼大不相同，在高溫下的變形抗力大，鍛造加工困難，故研究其熱變形行為有著重要的意義。

流變應力是表征金屬與合金塑性變形的一個基本量，在實際塑性變形過程中，合金的流變應力決定了變形時所需施加的載荷大小和所消耗能量的多少［4］。確定流變應力的大小，不僅能為設備選型與校核提供參考，還是進行模具與有關裝置設計的前提。在高溫塑性變形過程中，隨著變形條件的不斷變化，鎳基高溫合金流變應力也在動態地變化，從而導致描述流變應力的變化規律比較困難。為了便于工程應用，利用理論模型對GH4169 合金所表現出的復雜力學現象進行本構建模。研究鎳基高溫合金的高溫塑性變形行為，可以探明材料的流變應力在高溫塑性變形過程中的變化規律，找出流變應力與應變速率和變形溫度之間的數量關系。本文通過高溫壓縮試驗，研究了應變速率和變形溫度等工藝參數對合金流變應力的影響，根據試驗數據擬合建立了GH4169 的Arrhenius 型熱變形本構方程，為該合金實際生產中的鍛造加工，提供一定的理論參考，同時也可以為有限元法模擬加工過程提供重要數據。

1 試驗材料和方法

試驗材料選用的是GH4169 棒材，該棒材由上海鎳晟合金材料有限公司提供，執行的生產標準是航空工業標準HB 6702－1993，采用的是標準熱處理制度，其化學元素成分含量見表1。將試驗原材料加工成d10 ×12 的標準圓柱體試樣，在Gleeble－3500 熱模擬試驗機上對試樣進行恒溫、恒應變速率條件下的高溫壓縮試驗。該試驗機采用計算機編程控制，可以精確地控制加熱溫度、加熱速度和變形量等，其溫度控制精度在±1 ℃。試樣采用電阻加熱法，加熱速度為5 ℃/s，到達試驗溫度后，保溫3 min，使試樣內部組織均勻。為了減小摩擦產生的影響，試樣兩端采用鉭片潤滑，在鉭片與夾頭之間，還涂有石墨潤滑劑。同時在試驗操作箱內，通入氬氣，防止試樣氧化。根據GH4169 高溫合金的鍛壓成形溫度、變形速率范圍，確定壓縮試驗的工藝:變形溫度為980 ℃、1 000 ℃、1 040 ℃、1 100 ℃;應變速率為0.01 s－1、0.1 s－1、1 s－1、10 s－1;變形量為50%。試驗過程中，試驗機配備有微機處理系統，能夠直接將試驗過程中的相關數據記錄下來，并生成真應力－真應變曲線。試驗結束后，立即對試樣進行水淬。

表1 GH4169 合金質量分數%

2 試驗結果及分析

GH4169 合金在不同熱變形條件下的真應力－真應變曲線如圖1 所示。由圖可知，在變形的初始階段，隨著變形量的增加，流變應力急劇增大。在應變速率為0.01 s－1和1 s－1的條件下，流變應力在很小的變形量下即達到峰值(峰值應力)，這是因為此階段合金發生了加工硬化效應，位錯密度增加所產生的應變硬化占據主導地位［4］，隨后流變應力呈現降低趨勢，并逐漸趨于穩態;當應變速率為0.1 s－1時，在很小的應變下，流變應力一直上升，在經過小幅下降后，繼續上升，到達最高點后，同大多數合金相類似，真應力－真應變曲線開始下降;當應變速率較高(10 s－1)時，流變應力在達到峰值以后，一直呈現降低趨勢。在試驗變形程度范圍內，沒有出現穩態值。通過觀察四個真應力－真應變線可知，本次試驗中，該合金均出現了動態再結晶過程，由于變形條件不同，動態再結晶的程度也不同，圖1(a)、圖1(c)兩圖中動態再結晶程度較大，動態再結晶產生的動態軟化和應變硬化達到動態平衡，在圖中表現為流變應力在峰值過后，達到穩定值。GH4169高溫壓縮變形過程中峰值應力與變形工藝參數之間的關系如圖2 所示，從圖2 中可以看出，該合金的峰值應力對應變速率和溫度都比較敏感。當應變速率較小時，變形溫度對峰值應力的影響較小;當應變速率較大時，變形溫度對峰值應力的影響較大。可見，GH4169 合金屬于應變速率敏感型和熱敏感型的材料［5］。

圖1 不同應變速率下的真應力－真應變曲線

圖2 不同溫度下的峰值應力

3 流動應力模型

高溫變形過程中，材料的高溫流變應力除了與合金自身性能有關外，還取決于變形溫度和變形速率。目前在金屬熱變形過程中，描述熱變形行為的力學方程主要是Arrhenius 型本構方程，王忠堂等研究發現，Arrhenius 型本構方程有如下形式［6］:

式中:ασ 取任意值。

通過對式(1)、式(2)、式(3)進行變形可得:

現取σ 為試驗過程中的峰值應力σP，繪制關系曲線，如圖3(a)(b)所示。由圖3 可計算出n=6.45，α=0.003 6，將n 和α 代入式(6)，可求得ln［sinh (ασP)－1/T關系曲線，如圖3(c)所示。根據圖3(c)，取四條直線的平均斜率，進而可得:

因此可以確定，本試驗采用GH4169 合金試樣的熱應變激活能為503.92 KJ·mol－1。文獻［1］指出，Garcia 等人通過研究發現，GH4169 合金在熱加工狀態下的變形激活能為485 KJ·mol－1，由于存在試驗條件和材料具體成分上的微小差異，可以認定本文所求得的Q 值同文獻是較為吻合的。

圖3 GH4169 合金峰值應力與應變速率關系

將所求得的各個材料參數代入式(3)，可得GH4169合金在變形溫度980 ℃～1 100 ℃、應變速率0.01 s－1～10 s－1時的雙曲正弦型Arrhenius 方程(8):

把應變速率和變形溫度分別代入方程式(8)可求得在一定變形條件下峰值應力的計算值σs，圖4 是峰值應力的計算值－實際值曲線，經過一元線性回歸擬合后，可以發現，計算值可以達到實測值的95.95%。可見，本文所建立的GH4169 合金的雙曲正弦型Arrhenius 方程式(8)，精確度較高，能夠較準確地反映GH4169 鎳基高溫合金在高溫熱變形過程中的流變應力。

圖4 流變應力計算值σS與實測值σP的比較

4 結論

1)GH4169 合金熱壓縮變形的流變應力，隨著變形溫度的升高而降低，隨著應變速率的增大而增大。在變形的初始階段，合金的加工硬化效應顯著，流變應力呈現較為明顯的增大趨勢。在達到峰值應力后，合金發生了動態再結晶行為，加工硬化效應不再占主導地位，表現為合金的流變應力逐漸下降，并趨于穩態。

2)通過試驗數據，計算出GH4169 合金的熱應變激活能Q=503.92 KJ·mol－1，建立了合金高溫變形條件下的雙曲正弦型Arrhenius 方程:

通過該方程計算變形溫度980 ℃～1 100 ℃、應變速率0.01～10 s－1條件下合金的流變應力，進行誤差分析后發現，計算值與實測值較為吻合，相對誤差約為4.05%。該方程可作為實際生產過程中制定生產工藝，進行峰值應力計算的理論依據，同時也可用于有限元模擬。

［1］魏洪亮，楊曉光，于慧臣.GH4169 合金高溫力學行為本構建模及參數識別［J］.材料工程，2005，(4):42-45.

［2］楊小紅.GH4169 合金高溫塑性變形行為及組織演變模型研究［D］.遼寧:沈陽理工大學，2007.

［3］李慧中，張新明，陳明安，等.2519 鋁合金熱變形行為［J］.中國有色金屬學報，2005，15(4):621 .

［4］時偉，王巖，等.GH4169 合金高溫塑性變形的熱加工圖［J］.粉末冶金材料科學與工程，2012，17(3):281-290.

［5］王忠堂，等.AZ31 鎂合金熱變形本構方程［J］.中國有 色金屬學報，2008，18(11):1977-1980.