U720Li 高温合金热加工图

2019-11-22陈志远

冶金与材料 2019年5期

关键词：热加工涡轮合金

陈志远

（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

DMM 加工图以大塑性变形连续介质力学、不可逆热力学和物理系统模拟为基础。DMM 加工图将外界作用与材料塑性形变消耗二者的能量联系在一起，可以表述外界作用的能量通过工件塑性变形耗散的信息。

利用加工图，可以更加方便的选区合适的加工区间，使得金属材料在加工后能够获得更好的性能

1 U720Li 合金

1.1 U720Li 合金简介

“Li”的全称是“Low interstitial”，意为低间隙原子［1］。U720Li 标准成分见表1。

U720Li 合金强化元素和强化γ′相的含量都非常之高，强化元素含量14%，γ′相含量40%～50%。受益于强化元素与强化γ′相高含量，该合金使用温度较高，高温下依旧拥有优异性能，基于这一点，该合金主要用于制作工作温度650～750 ℃的气压机盘和涡轮盘、在900 ℃短时间工作的涡轮盘，在工作温度极高，不要求较长时间的使用寿命的战略导弹和大推力火箭发动机的动力装置中也有应用。

1.2 U720Li 合金的应用

镍基高温合金由于在高温下的优异性能，主要用于各种高温环境工作环境，而且普遍工作强度也比较高。U720Li 主要用于制造涡轮盘，涡轮盘，整个涡轮盘在不同的部位，受到的应力、工作温度以及介质作用程度都不同。因此，U720Li 合金的高屈服强度、高疲劳强度以及良好的耐腐蚀性和组织稳定性使其成为涡轮盘材料的不二之选。

涡轮在服役中既处于高温工作环境中，又要进行高强度的工作，地面燃气轮机对于材料的要求低于航空发动机，因此U720Li 合金更能够胜任地面燃气轮机的涡轮制造材料。

2 U720Li 合金热加工图分析

2.1 功率耗散因子曲线图

耗散效率因子，所代表的是成形过程中组织演变所耗散的能量与线性耗散能量的比例，其值为：

功率耗散效率因子η 在温度为横轴，应变速率为纵轴的坐标图里用等值曲线表示即为功率耗散图，通过origin 将横坐标编辑为T，纵坐标为lgε 的功率耗散因子η 曲线图。

2.2 失稳判据

在材料的热变形过程中，采用的变形机制不同，则功率耗散系数也不同，所以不能只通过功率耗散图来判断哪些区域是适合选择的。

表1 U720Li 合金的标准成分［2］

（1）PRASAD 失稳准则：

（2）GEGEL 失稳准则：

（3）MALAS 失稳准则：

（4）MURTY 失稳准则：

（5）SEMIATIN 失稳准则：

2.2 功率耗散率图

对U720Li 合金通过热压缩后得到应力-应变曲线如图1 所示，结合得到的流动应力数据，用程序绘制相应变形温度与应变速率下η 等值曲线，如图2 所示。横坐标为变形温度T，纵坐标为应变速率对数lgε，曲线为功率耗散率η。

图1 U720Li 合金在各变形温度下不同应变速率的应力-应变曲线

图2 U720Li 合金不同温度、不同应变速率的功率耗散图

从图2 中可以看出，Ⅰ区（950～1050 ℃，5×10-4～5×10-2s-1）、Ⅱ区（1115～1150℃，5×10-4～10-3s-1）。查阅文献可得当功率耗散率值在40%以上时，合金发生动态再结晶。这种动态过程同样伴随着位错的重组，会对合金高温成形性能有帮助。所以这2 个区域为U720Li 合金的适合加工区域。由于断裂与空穴之类的内部缺陷会对功率耗散值产生较大的影响，因此不能仅凭借功率耗散图，还要结合失稳判据。

2.2 基于失稳判据的热加工图

图3 为U720Li 合金不同条件下，不同失稳判据的动态DMM 热加工图。

表2 U720Li 合金不同失稳判据下的流变失稳区间

图4 为U720Li 合金在图3 中5 种失稳判据的叠加图。

图3 U720Li 合金不同失稳判据的热加工图

图4 U720Li 镍基高温合金不同失稳判据加工图Ⅰ-Prasad；Ⅱ-Gegel；Ⅲ-Malas；Ⅳ-Murty；Ⅴ-Semiatin

从图4 中可以看出，U720Li 合金在图中左下区域，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ判据出现流变失稳现象；左上区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ判据出现流变失稳现象；右上区域中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ判据出现流变失稳现象；右下区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ判据出现流变失稳现象。通过观察图中的这些重叠部分，可以发现该合金在高温和低温，多种表示失稳判据的阴影相互重叠。可以得出，U720Li 合金在温度为975～1050 ℃，应变速率为5×10-4～5×10-2s-1区间内，功率耗散值大于40%，成形性能较好，而且不处于失稳区间内，不会出现流变失稳现象。