GH99高溫合金高溫變形行為及組織演化規(guī)律研究.pdf

1、GH99是一種典型的γ′相強(qiáng)化型鎳基高溫合金，合金中的W、Mo、Co等元素可以起到固溶強(qiáng)化作用，B、Ce、Mg等元素可以起到晶界強(qiáng)化作用。該合金具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能，抗蠕變性能和耐腐蝕性能，目前主要用于航空航天的發(fā)動(dòng)機(jī)中。該合金的最高使用溫度可以達(dá)到1000℃，是使用溫度較高的一種高溫合金。該合金的熱變形行為對(duì)溫度和應(yīng)變速率等工藝參數(shù)非常敏感，其變形抗力很大，成形非常困難。GH99合金的合金化程度很高，其在高溫條件下的組織演變非常復(fù)雜

2、，而且高溫變形時(shí)的工藝參數(shù)也會(huì)對(duì)該合金的微觀組織造成很大影響，其組織控制難度很大。此外，該合金中存在大量的退火孿晶，探索退火孿晶在熱處理過(guò)程及高溫變形過(guò)程中的演化規(guī)律也十分必要。
　　本文研究了GH99合金熱處理過(guò)程中的組織演化特點(diǎn)，采用高溫壓縮實(shí)驗(yàn)研究該合金的高溫變形力學(xué)行為，同時(shí)探索了該合金高溫變形過(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織以及退火孿晶的演化規(guī)律。
　　通過(guò)對(duì)該合金進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，得到了合金中Σ3晶界和γ′相在不同熱處理?xiàng)l件下

3、的演化規(guī)律。固溶處理過(guò)程中，隨著固溶溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Σ3晶界體積分?jǐn)?shù)會(huì)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。時(shí)效處理過(guò)程中，Σ3晶界結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，且其體積分?jǐn)?shù)變化不大，一直維持在0.553-0.633范圍內(nèi)。此外，隨著時(shí)效溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金中γ′相的粗化現(xiàn)象明顯，其長(zhǎng)大激活能約為248.8kJ/mol。隨著γ′相的逐漸長(zhǎng)大，部分γ′相形狀會(huì)由球形變成方形。
　　通過(guò)研究該合金的高溫變形力學(xué)行為，建立了該合金在加工硬化

4、-動(dòng)態(tài)回復(fù)階段和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶階段的本構(gòu)方程，并驗(yàn)證了該本構(gòu)方程的準(zhǔn)確性。同時(shí)，利用Arrhenius方程計(jì)算出了該合金的熱變形激活能，Q=427.626kJ/mol?；贒MM模型，建立了GH99合金不同應(yīng)變下的功率耗散圖，結(jié)合微觀組織觀察得到了該合金成形的最佳工藝參數(shù)為：溫度區(qū)間1090-1160℃，應(yīng)變速率區(qū)間0.01-0.3s-1。利用四種失穩(wěn)判據(jù)(Prasad、Murty、Gegel和Malas)繪制GH99合金在真應(yīng)變?yōu)?.65

5、時(shí)的熱加工圖，結(jié)合微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)了該合金的兩個(gè)失穩(wěn)區(qū)：第一個(gè)位于溫度區(qū)間1010-1080℃，應(yīng)變速率區(qū)間0.16-1s-1范圍內(nèi)；第二個(gè)位于溫度區(qū)間1080-1160℃，應(yīng)變速率區(qū)間0.32-1s-1范圍內(nèi)。通過(guò)微觀組織觀察發(fā)現(xiàn) GH99合金熱成形過(guò)程中失穩(wěn)變形的主要機(jī)制是局部流動(dòng)和絕熱剪切帶。
　　利用EBSD技術(shù)，對(duì)GH99合金高溫壓縮過(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織的演化規(guī)律進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明：隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的減

6、小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與其體積分?jǐn)?shù)會(huì)不斷增大。依據(jù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織隨著工藝參數(shù)的演化規(guī)律，建立了該合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸預(yù)測(cè)模型。此外，GH99合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核機(jī)制主要包括兩種：不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。雖然這兩種機(jī)制在該合金的高溫變形過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行，但連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶只是一種輔助形核機(jī)制。不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶包括晶粒形核與長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程，其中長(zhǎng)大過(guò)程在高溫低應(yīng)變速率條件下占主導(dǎo)地位，而形核在低溫高應(yīng)變速率條件

7、下占據(jù)主導(dǎo)地位。連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶雖然只是一種輔助機(jī)制，但是它在高溫變形的初始階段得到一定強(qiáng)化，隨著應(yīng)變的增大，它的作用再次削弱。此外，連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的作用還會(huì)隨著變形溫度的升高而削弱，隨著應(yīng)變速率的增大而增強(qiáng)。
　　利用EBSD技術(shù)，對(duì)GH99合金高溫壓縮過(guò)程中退火孿晶的演化規(guī)律進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明：高溫壓縮初始階段，原始晶粒內(nèi)部的Σ3n(n=1,2,3)晶界大量消失，導(dǎo)致Σ3n(n=1,2,3)晶界的體積分?jǐn)?shù)和Σ3晶界密度降低

8、。隨著應(yīng)變的逐漸增大，大量的Σ3晶界在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織中以共格Σ3晶界的形式出現(xiàn)，從而導(dǎo)致Σ3n(n=1,2,3)晶界的體積分?jǐn)?shù)和Σ3晶界密度逐漸增大。此外，在GH99合金高溫變形過(guò)程中，新的Σ3晶界主要通過(guò)偶然生長(zhǎng)機(jī)制形成，而Σ9和Σ27晶界則主要通過(guò)晶界再生機(jī)制形成。此外，隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的減小，該合金中的Σ3n(n=1,2,3)晶界體積分?jǐn)?shù)和Σ3晶界密度都會(huì)呈現(xiàn)出先增大而后減小的趨勢(shì)，而Σ3晶界中共格Σ3晶界的比例則會(huì)不