镍基高温合金热变形过程组织预测研究综述

本文综述了镍基合金的高温塑性变形行为及建模、微观组织演变规律及建模的研究进展,阐述了利用有限元技术预测热变形显微组织的研究现状,得到如下结论:镍基合金的高温塑性变形行为表征模型主要有唯象本构模型和神经网络模型;动态再结晶模型能够准确描述镍基合金热变形过程的微观组织演变,结合有限元模拟技术有助于实现热变形过程的组织预测及调控。

Co(-30Ni)-7Al-7Mo新型钴基高温合金的热变形行为

利用Gleeble-3500热模拟试验机对真空电弧熔炼+固溶处理(1300℃)的Co-7Al-7Mo和Co-30Ni-7Al-7Mo进行热模拟压缩,研究变形温度在700℃~900℃、应变速率为0.001~0.1 s^(-1)时的热变形行为.分析真应力应变曲线,结果表明:Co-7Al-7Mo和Co-30Ni-7Al-7Mo在900℃,应变速率为0.001 s^(-1)时变形过程包括加工硬化+动态回复,分为4个阶段,即Ⅰ(加工硬化阶段)、Ⅱ(过渡阶段)、Ⅲ(软化阶段)和Ⅳ(稳定阶段).变形温度较低或应变速率较高时由于合金中γ′强化相阻碍再结晶,没有明显的回复软化阶段,硬化效应持续至发生断裂.在γ′相的固溶温度以下,加入30%原子百分比Ni元素后,由于γ′相体积分数的增加和固溶温度的提高,对比相同加载条件下的流变应力值明显增大.建立两种合金的Arrhenius本构方程,同时结合热加工图分析得出两种合金在变形温度为700℃~900℃,应变速率为0.001~0.01 s^(-1)时良好的加工区.

700℃以上服役涡轮盘用难变形镍基高温合金热加工研究进展

航空发动机推重比的不断提高对涡轮盘材料的高温服役性能提出了更严苛的要求。服役温度超过700℃的涡轮盘用镍基变形高温合金的合金化程度和γ′相含量极高,使其变形抗力大幅提高、热塑性明显下降、热加工窗口变窄,在热变形过程中很容易发生开裂和组织失稳,给其涡轮盘的制备带来了极大的困难。介绍了这类难变形镍基高温合金的热加工工艺流程、摩擦和绝热温升修正及本构模型和热加工图的构建方法,综述了典型难变形镍基高温合金Rene65、U720Li、ЭК151、ЭЛ975、TMW的热变形行为研究进展。展望了这类变形高温合金的研究方向,为其热加工工艺优化提供一定的参考。

一种新型Ni-Fe基高温合金的冷变形及再结晶退火工艺研究

本文研究了一种新型Ni-Fe基高温合金在不同冷变形量下冷轧和退火处理对其组织演变和性能的影响。结果表明,在相同退火条件下,冷变形量为10%时,合金未发生显著的静态再结晶,仅表现出回复过程;冷变形量为30%和50%时,均发生了静态再结晶,生成了新的等轴晶粒,说明再结晶的临界变形量大于10%。合金的晶粒尺寸随退火温度和保温时间的增加而增大,但退火温度的影响显著大于保温时间的影响。不同变形量下再结晶退火后的合金硬度与平均晶粒尺寸均符合Hall-Petch关系式。通过显微组织和力学性能分析,确定冷变形量30%为最佳变形量,匹配的最佳热处理制度为1050℃、保温30min。研究结果为优化Ni-Fe基高温合金的加工工艺提供了理论依据和参考。

15Cr-25Ni-Fe基合金高温塑性变形行为的加工图

在Gleeble-1500热模拟机上对15Cr-25Ni-Fe基合金GH2674进行了热压缩实验,采用动态材料模型的加工图研究了其在950—1200℃和0．001—10 s^(-1)条件下的热变形行为,结果表明：GH2674合金在热变形时呈现两个微观机制不同的动态再结晶峰区,再结晶Ⅰ区：功率耗散效率峰值为38％,峰值对应的温度和应变速率分别为1040℃与10 s^(-1)；再结晶Ⅱ区：功率耗散效率峰值为40％,峰值对应的温度和应变速率分别为1075℃与0．04 s^(-1),在1075—1100℃温度区间内,可能是晶界相M_38_2的溶解造成该合金的晶粒粗化,这在一定程度上会影响合金的热加工性能,在应变速率小于0．01 s^(-1)、形变温度高于1050℃条件下,合金呈现晶粒急剧粗化现象,进而导致在热变形过程中楔形裂纹的产生；在应变速率高于0．1 s^(-1)、形变温度低于1000℃条件下,合金有出现剪切变形带的趋势,根据上述加工图对GH2674合金的热变形工艺进行了初步设计。

氮气雾化喷射沉积变形镍基高温合金

利用氮气雾化喷射沉积技术成功地获得了宇航用变形镍基高温合金柱形坯。沉积坯整体致密、含气量低、成分均匀、组织细化。研究了温度和应变速率对沉积材料的高温变形抗力、工艺塑性的影响以及热加工和经５ 种不同热处理后材料的显微组织特征。

镍基单晶高温合金的反常屈服行为与变形机制

镍基单晶高温合金是高推重比发动机涡轮叶片的关键材料。综述了镍基单晶高温合金的反常屈服行为,并讨论了导致产生这种反常屈服行为的变形机制及这些变形机制的发展过程。

不同取向镍基单晶高温合金在980℃下的低周循环变形行为

在980℃温度下,对不同取向镍基单晶高温合金DD6在不同低周疲劳条件下的循环变形行为进行了研究。结果表明:[001]取向的合金在高总应变幅下表现出循环硬化特征,在低总应变幅下表现为基本循环稳定;[011]和[001]取向合金具有大致相同的特征。应变速率会对合金的循环硬化曲线产生影响,在低应变速率的条件下,硬化曲线整体上是向下移动,循环应力峰值下降;施加的总应变幅越大,循环应力下降越明显;高应变速率使得两种取向合金在相同的总应变幅下硬化曲线的初始硬化速率上升,这种现象对于[111]取向的尤为明显。

钴基高温合金GH5605热压缩变形行为

利用Gleeble−3500热模拟试验机对真空感应(VIM)+电渣重熔(ESR)所得的GH5605合金铸锭进行热压缩实验,研究其在变形温度为950~1200℃、应变速率为0.001~10 s^(−1)、真应变为0.65时的热变形行为。结果表明:铸态GH5605合金的真应力−应变曲线属于加工硬化+动态回复型,分为3个阶段,即Ⅰ剧烈加工硬化阶段、Ⅱ平缓加工硬化阶段、Ⅲ稳态流变阶段。建立的Arrhenius本构方程相关系数(Rr)和平均相对误差(δ)分别为0.95和11.99%,结合热加工图和变形组织分析得出GH5605合金良好的加工区域为变形温度1055~1200℃、应变速率0.01~0.1 s^(−1)。

热挤压态Ni-Co-Cr基粉末高温合金热加工行为

利用Gleeble-3500D型热模拟实验机进行等温压缩实验,系统研究一种新型热挤压态Ni-Co-Cr基粉末高温合金在变形温度为1020~1110℃、应变速率为10-3~1 s-1条件下的热压缩变形行为,对获得的流变应力曲线进行摩擦修正,利用摩擦修正后的数据分别建立合金的热压缩本构关系方程和考虑应变补偿的流变应力模型;同时,构建热加工图,并结合显微组织分析,优化合金的热变形工艺参数。结果表明:合金在热压缩过程中发生了明显的动态再结晶现象,流变应力随应变速率的降低或变形温度的升高而降低。利用所建立的考虑应变补偿的合金流变应力模型进行流变应力的预测,其预测值与实验摩擦修正值吻合良好。根据构建的热加工图并结合微观组织分析,提出了合金较合理的热加工参数:变形温度约为1076~1103℃、应变速率约为10-3~10-2.77 s-1。

Ni基变形高温合金小孔攻丝扭矩的试验研究

采用修正齿丝锥和标准丝锥对Ni基变形高温合金GH4 1 6 9难加工材料进行了小孔螺纹攻丝对比试验。试验结果表明 ,与标准丝锥相比 ,采用修正齿丝锥可显著减小攻丝扭矩 。

Ni基GH3617高温合金的拉伸行为研究

通过无硼高温合金GH3617室温下的拉伸试验,考察其基础力学性能及变形行为。研究结果表明:固溶热处理(1 175℃/1 h/WC)后合金组织主要由奥氏体等轴晶组成,且存在大量的退火孪晶;室温下合金的变形方式主要是位错的平面滑移和孪生,表现出优越的加工硬化能力和较佳的强塑性匹配,屈服强度为309.7 MPa、抗拉强度为762.3 MPa、延伸率为70.13%;拉伸过程中,裂纹优先在晶界和孤立的碳化物处形核,断裂方式为沿晶-穿晶混合型断裂,裂纹扩展过程中其尖端形成的二次裂纹可释放尖端应力,提高材料塑性。

挤压态新型镍基粉末高温合金的热变形行为

镍基粉末高温合金的变形抗力大、热塑性较差、热加工窗口窄,而且在热加工过程中易产生裂纹和流动不稳定等缺陷。本文采用Gleeble−3500热模拟实验机对挤压态新型镍基粉末高温合金进行热压缩,压缩温度为1050~1150℃、应变速率为0.001~1 s^(−1),压缩真实应变为0.69。基于双曲正弦型Arrhenius函数,计算该合金的热激活能Q、构建本构方程,采用多项式拟合摩擦、温度变化、应变补偿的影响,对应力−应变曲线及本构方程进行修正,绘制能量耗散图和热加工图。结果表明:该合金的热激活能Q为536.36 kJ/mol,其在变形温度为1075~1150℃、应变速率为10^(−3)~10^(−1.5)s^(−1)的条件下有较好的加工性能,但当应变速率为0.001 s^(−1)时,晶粒组织较为粗大,γ′相溶入基体。

粉末特性对镍基粉末冶金高温合金组织及热变形行为的影响

分别采用氩气雾化(Argon atomization,AA)和等离子旋转电极(Plasma rotating electrode process,PREP)两种方法制备具有不同特性的镍基高温合金粉末,然后在相同条件下对两种粉末进行热等静压制备成块体材料(A-HIP及P-HIP)。分别对粉末和块体材料进行显微组织分析和形貌表征,并对热等静压材料在温度为1000~1100℃下、应变速率为0.01~1.0 s-1下进行热压缩实验,利用采集的应力、应变参数,通过迭代和线性回归的方法计算热激活能并构建本构方程,并利用所建立的本构方程预测合金在不同应变下的应力。结果表明:PREP粉末表面洁净度、球形度和粒径均匀度要比AA粉末的好,其表面氧含量也相对较低,仅为0.0079%,而AA粉末中氧含量为0.0139%(质量分数);相比P-HIP,A-HIP中分布着较多的原始颗粒边界和孔洞,原始颗粒边界的主要组成是大尺寸的γ′相和碳氧化物颗粒;A-HIP的平均晶粒尺寸为8.59μm,P-HIP的平均晶粒尺寸为12.54μm;A-HIP的强化相γ′的体积分数(43.91%)与P-HIP的强化相γ′体积分数(43.65%)基本相等。两种材料的激活能分别为1012.9 k J/mol和757.1 k J/mol,并采用双曲正弦Arrhenius模型构建不同应变下的本构方程并预测不同变形条件下的真应力,其与实验值间的绝对误差分别为6.46%和4.87%。A-HIP在压缩过程出现宏观裂纹,原始颗粒边界是压缩裂纹产生主要因素之一,且裂纹沿原始颗粒边界进行扩展。

GH4169镍基高温合金薄壁钻削过程中的应力及变形研究

利用ABAQUS有限元仿真软件建立了镍基高温合金GH4169薄壁件钻削模型,分析钻削GH4169薄壁件过程中的薄壁变形和应力变化。根据钻削过程中钻头下方工件材料的应力及变形特点将其钻削过程分为5个阶段:第1阶段,工件变形以整体弹性下凹变形为主,并在钻头横刃旋转接触圆形区域下方发生了局部塑性形变;第2阶段,在制孔区以塑性变形为主,在非制孔区弹性变形量大于塑性变形量;第3、第4、第5阶段工件变形相差不大,在孔口边缘形成了较大的材料外翻,其余部分形成了一定的塑性变形。在钻头横刃刚与薄壁件接触时,钻头横刃与薄壁件接触部分表现为应力集中;随着钻头的向下进给,钻头后刀面与薄壁件呈面接触,应力波开始以大致为圆形的波形扩散在薄壁件上,随后以近似方形传递到薄壁件四边。

GH141镍基高温合金的热变形行为和组织演变

通过热压缩实验研究了GH141镍基高温合金在变形温度为1040~1160℃、应变速率为0.01~10 s^(-1)条件下的热变形行为和组织演变,分析变形温度和应变速率对流变行为的影响,对流变应力进行摩擦、温度和应变修正补偿,用修正后的流变应力构建更加精准的本构方程并绘制热加工图,分析不同热加工区的微观组织演变以验证得到的最优热加工区。结果表明:压缩流变应力对变形温度和应变速率较为敏感,综合摩擦、温度变化和应变补偿修正的本构方程能较好地预测不同变形条件下的热压缩流变应力,结合热加工图及不同热加工区域内的微观组织演变确定最优热加工区为变形温度1130~1145℃、应变速率为0.1~5 s^(-1),此区域内动态再结晶完全,晶粒内部几乎不存在畸变,晶粒组织为等轴晶,且较均匀。

热挤压对粉末冶金PM-0002镍基高温合金组织及热变形行为的影响

对热等静压制备的一种新型粉末冶金PM-0002镍基高温合金进行了热挤压处理,然后在1 0001 100℃下进行了不同应变速率的热模拟压缩试验,对比分析了热挤压前后合金的显微组织和热变形行为。结果表明:该合金经热挤压后,显微组织中的原始颗粒边界基本被消除,晶粒为细小的等轴晶粒;晶粒尺寸由热挤压前的11.29μm减小到8.32μm,且分布较为集中;在不同温度和应变速率下热压缩时,热挤压后合金的峰值压缩应力略高于热挤压前的;热挤压前后合金的变形激活能分别为1 012.9kJ·mol-1和1 146.9kJ·mol-1。

GH4169稀土强化镍基高温合金热变形行为

采用Gleeble-3500热模拟试验机对GH4169稀土强化镍基高温合金进行了高温压缩试验,变形温度为1223、1273、1323、1373和1423 K,应变速率为0.001、0.01、0.1、1和10 s^(-1),压下量为65%。分析了GH4169稀土强化镍基高温合金在不同变形条件下的流变应力曲线,并采用正交试验和方差分析方法得出真应变、应变速率以及变形温度对流动应力的影响规律。建立了GH4169稀土强化镍基高温合金的修正非线性回归模型,引入相关系数和平均相对误差,验证了所建立的本构模型的有效性。结果表明:该模型能够较准确地描述GH4169稀土强化镍基高温合金的高温流变行为。

两种取向镍基单晶高温合金拉伸变形行为原位研究

本文基于课题组开发的原位拉伸测试系统,结合扫描电镜(SEM)与数字图像相关方法(DIC),研究了[001]和[314]取向的二代镍基单晶高温合金在室温下的拉伸变形断裂行为和微观结构演变之间的关系.结果显示,镍基单晶高温合金的力学性能具有各向异性.室温下镍基单晶高温合金的拉伸变形主要以滑移带剪切γ'相为主,其中[001]取向试样开启(111)[011]、(111)[011]滑移系,表现为交叉滑移;而[314]取向开启(111)[(1)10]滑移系,表现为单滑移.不同晶体取向激活的滑移系统及数量不同,滑移引起的塑性变形区扩展方向不同,由此造成不同的延伸率.室温下,不同取向的合金为类解理断裂机制.不同晶体取向的合金,开启滑移系的数目与难易程度不同,呈现出不同的断口形貌特征.

新型Ni-Co基高温合金的显微组织特点和析出相热力学计算

利用光学显微镜和扫描电镜观察新型Ni-Co基高温合金的铸态组织,采用JMatPro软件在平衡和非平衡凝固条件下对该合金进行热力学计算,研究了合金的相析出特点。结果表明:试验合金呈现枝晶形貌,偏析严重,主要组织为γ'相、η相、γ/γ'共晶组织以及MC碳化物。平衡凝固条件下,试验合金的主要析出相为γ'、η、μ、σ、碳化物以及硼化物;钛和铝含量增加导致γ'相析出量增加,析出温度升高;η相析出温度和析出量随钛含量增加呈线性增加。在非平衡凝固过程中,钛、钼元素富集在液相中,而铝、铬、钴和钨元素在液相中贫乏。