Inconel 718鎳基高溫合金熱加工動態再結晶建模與計算

（1.上海交通大學 模具CAD國家工程研究中心，上海 200030；2.上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200062）

Inconel 718是一種沉淀強化型鎳基高溫合金，國內牌號為GH4169，該合金在650 ℃范圍內具有較高的屈服強度、抗拉強度、抗疲勞性能、蠕變性能，廣泛應用于航空工業關鍵零部件的制造。比如，航空發動機因其工業技術要求之高而被譽為“皇冠上的明珠”，其中，航空發動機緊固件作為“明珠”體內的紐帶，也因其高壓、高溫、高強度的使用環境要求，使得其性能及技術要求相對其他緊固件而言有更多的特殊性、更高的安全性和可靠性。在航空發動機緊固件中，高溫高強度螺栓、螺釘的制造技術難度最大，其形狀復雜，加工精度要求高，而且成形工藝一直處于專利或保密狀態。國內航空領域隨著航空發動機和燃汽輪機兩個重大專項的落地實施，不僅對其需求量增加，而且對該類產品的精度和性能提出了更高的要求。Inconel 718鎳基合金材料的螺栓、螺釘是目前航空發動機上應用最為廣泛的高溫高強度緊固件，該類零件經熱處理后抗拉強度達1250 MPa，而這類高強度緊固件的螺紋溫滾加工技術是研究和發展的方向。深入Inconel 718熱加工性能調控規律，特別是其組織演變規律是獲得目標構件優異力學性能的關鍵[1—2]。

近年來，國內外學者針對Inconel 718鎳基高溫合金多種加工條件下材料成形性與微觀組織演變規律展開了大量的研究工作。近年來，Lin Yongcheng等[3—7]系統研究了Inconel 718鎳基合金熱加工組織演變規律、析出相調控機理與高溫流變行為，為航空Inconel 718鎳基合金構件控性鍛造提供了理論指導。王春光等[8]對熱鍛與熱處理工藝對GH4169鎳基合金熱變形過程的相分布開展了系統的實驗研究，研究發現，精確控制變形和熱處理工藝可以調控δ相、γ'相和γ''相等析出相的分布特征，最終獲得性能優異的綜合力學性能鍛件。耿志杰等[9]系統研究了不同焊絲材料對316LN和Inconel 718異種金屬材料激光焊接接頭的微觀組織和力學性能的影響規律。Zhao Yunhao等[10]對比了增材制造與真空澆注兩種熱加工方式對Inconel 718組織均勻化的影響規律，分析了獲得均勻化組織的增材制造工藝參數窗口。Zhao Yanan等[11]研究了后續熱處理對選擇性激光熔覆Inconel 718試樣二次相析出及力學性能的影響規律，研究發現了在室溫與高溫條件下，熱處理與激光熔覆匹配的工藝參數。Ran Rong等[12]研究了兩階段冷軋變形對Inconel 718微觀組織、析出相與力學性能的影響規律，研究發現二次冷軋再時效處理的試樣屈服強度達到945 MPa，650 ℃的伸長率達到36%。綜上所述，隨著材料集成計算技術的快速發展，如何準確預測Inconel 718材料的高溫變形組織演變仍值得深入討論，如何建立可視化的計算模型為實際熱加工工藝的制定提供依據仍然是高溫合金熱加工領域亟待解決的難題。

1 實驗

材料為棒材，其主要化學成分如表1所示。將合金材料加工成直徑為8 mm、高度為12 mm的圓柱體試樣，在Gleeble-1500熱模擬試驗機上進行等溫恒應變速率壓縮實驗。變形溫度分別為940，980，1020，1060 ℃，應變速率分別為0.001，0.01，0.1，1 s-1，變形量為1.0。為了減少圓柱試樣與壓頭平砧之間的摩擦對均勻變形的影響，采用坦片置于圓柱試樣兩端。實驗時以10 ℃/s的升溫速度將試樣加熱到變形溫度，保溫3 min以使試樣溫度均勻化，再進行恒定溫度和應變速率條件下壓縮變形。設備自動記錄載荷與位移的數據，并轉化為真應力真應變速率，變形結束之后對試樣進行水冷以保留高溫變形的組織。變形后的試樣沿著端面中心線剖開，如圖1所示，在靠近試樣中間區域制備金相試樣，觀測高溫變形之后的組織，并進行統計分析。

表1 Inconel 718鎳基高溫合金化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical component of Inconel 718 nickel-based superalloy (mass fraction) %

圖1 壓縮實驗樣品及微觀觀測示意圖Fig.1 Schematic diagrams of compressive test samples and microstructure observation

2 結果與分析

2.1 真應力-應變曲線

不同測試溫度與應變速率條件下，Inconel 718合金經過摩擦修正后的熱壓縮真應力-應變曲線見圖2。可以看出，材料在變形初始階段，應力隨應變的累積迅速增加，達到峰值后逐漸下降，當達到穩態應變后流變應力基本不變。在同一變形溫度下，對應于同一應變值，應變速率越高，對應的應力值越高，并且隨著應變速率的升高，應力峰值向應變增大的方向移動；在應變速率一定時，流變應力隨著變形溫度的升高而減小；各峰值與對應的穩態流變應力之間的差值隨實驗溫度的上升而減小；在高變形溫度和低應變速率（如變形溫度為940 ℃，應變速率為1 s-1）時，其峰值應力與穩態應力差異不明顯。

圖2 Inconel 718鎳基合金不同熱變形條件下真應力-應變曲線Fig.2 True stress-true strain curves of Inconel 718 nickel-based alloy under various thermal deformation conditions

2.2 組織演變模擬參數計算

金屬的熱變形是通過位錯的運動來實現的。位錯在運動中遇到點缺陷、晶界、第二相質點等障礙物時，將受到巨大的阻力，極容易塞積，從而形成高位錯密度區，這些區域會優先生成晶核。文中組織演變預測采用以下動態再結晶形核模型[13]：

金屬熱變形過程中位錯的運動主要受到應變的影響，變形主導的加工硬化導致位錯增殖，由動態回復和動態再結晶導致的軟化又導致位錯密度湮滅，文中采用以下模型描述熱變形過程中位錯密度的演變[13]：

當材料內部的物質點發生動態再結晶以后，材料的位錯密度會降低到一個很低的狀態，此時與周圍的基體晶粒存在較大的位錯密度差值，這為新的再結晶晶粒長大提供了驅動力。再結晶晶粒長大速度[15]：

文中采用三維元胞自動機方法模擬了動態再結晶過程中晶粒的形核和長大過程。到目前為止，該方法廣泛應用于金屬材料熱加工過程的再結晶、凝固和相變過程組織演變模擬中。三維元胞自動機模型主要包含了三維元胞，文中采用正方體作為單個胞元。x，y，z方向元胞50個，每個元胞的長度是2 μm，代表了100 μm3的三維元胞空間。每個元胞包含了取向、位錯密度、再結晶分數、晶粒尺寸等結構變量。Inconel 718熱加工變形微觀組織三維模擬的材料參數如下：Qb=287 kJ/mol，Qact=287 kJ/mol，δDob=1.34×10-11m3/s，b=2.49×10-10m2。

2.3 動態再結晶三維組織模擬

三維元胞自動機模擬溫度為1060 ℃，應變速率為0.1 s-1條件下，隨著應變的增加三維模擬空間動態再結晶晶粒的演化過程見圖3。可以看到隨著應變的增加，三維空間新的再結晶晶粒增加，再結晶分數增加，模擬空間的平均晶粒尺寸逐漸降低。以上模擬結果驗證了文中建立的三維組織演變模型能夠較好地反映動態再結晶組織演變行為。

圖3 Inconel718鎳基合金在溫度為1060℃，應變速率為0.1s-1條件下動態再結晶組織Fig.3 Dy namicrecrystallization structure of Inconel718nickel-based alloyat1060℃andstrain rateof 0.1 s-1

3 結論

研究了鎳基高溫合金Inconel 718熱變形行為，觀察高溫流變應力曲線發現，材料在940～1060 ℃之間均有明顯的再結晶發生，但在應變速率為1 s-1時，在測試的應變范圍內材料不能進入穩態變形階段。以位錯密度的演變為內變量，通過追蹤其在熱加工過程的演變，借助三維元胞自動機方法模擬動態再結晶的形核和長大過程。該模型能再現Inconel 718熱變形動態再結晶形核和長大過程，通過計算不但可以獲得平均晶粒尺寸、再結晶分數的演變，還能追蹤再結晶形核長大的三維形貌及位置信息。利用該模型跟其他有限元模擬軟件集成，可以預測復雜熱變形過程中該材料全域的組織演變信息。