粉末高温合金FGH4097热变形行为研究

袁 波，严宝辉，谢 梦，周 宣，2，李宇力，2

（1.西部新锆核材料科技有限公司，陕西 西安 710018；2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016）

先进高温合金的变形加工长期以来一直是航空发动机核心部件制造的关键难点。相较于传统变形高温合金，粉末高温合金组织成分更加均匀[1]，没有宏观偏析、缩孔和疏松等缺陷，但是后者烧结致密化后普遍存在晶粒粗大，存在合金元素含量高的和γ′相含量高的特点，使得粉末高温变形非常困难，加工窗口较窄。FGH4097合金主要通过直接热等静压成形的工艺制备高压涡轮盘。现阶段，由于合金热等静压性能研究的欠缺，烧结盘尺寸较大，后期机加工时多，合金的原材料和机加成本较大。虽然，直接热等静压涡轮盘有着近净成形的发展趋势，但是，近净成形需要大量基于材料本构性能的数值模拟工作，以确定包套的最优尺寸。目前，FGH4097合金的热变形行为及其本构方程研究工作较少。此外，FGH4097合金中的γ′相含量更高，对固溶处理方式更为敏感。因此，有必要开展FGH4097合金的热变形行为研究，以获得合金的本构方程及热变形特点。

1 实验材料及实验方法

实验所用材料为过固溶处理的FGH4097合金。利用Gleeble-3800进行热压缩实验，变形温度分别为1080℃、1120℃、1160℃、1200℃，变形速率为0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1。变形量为40%，变形结束后采用空气强制冷却的方式冷却至接近室温。

2 实验结果及分析

2.1 真应力-真应变曲线

图1为FGH4097合金不同变形条件对应的真应力-真应变曲线。表1为不同变形条件获得的峰值应力。这些真应力-真应变曲线都是典型的动态再结晶型曲线，且应力水平随着变形速率的降低而降低，随着变形温度的降低而升高。由于温度越低，应变速率越高，DRX的软化作用越弱，引起基体中的位错密度不断上升，因而导致稳态应力水平越高，亦引起峰值应变εp随着变形温度的降低和应变速率的升高而呈现增大的趋势。

图1 不同变形条件下的真应力-真应变曲线

2.2 本构方程

金属材料的热加工过程主要取决变形温度T、变形速率和变形量ε等三个参数，其中T和对热变形过程的影响尤为显著。利用式（1）～（3）可以用于计算合金本构方程：

图2 （a）关系曲线和（b）关系曲线

由于粉末高温合金FGH4097的合金含量接近43%，γ′相稳定性高（完全溶解温度为1180℃～1190℃），其变形抗力远高于欧美的一代或者二代粉末高温合金，导致其表观热变形激活能高于FGH4095和FGH4096。FGH4097的表观应力指数为4.3，对应的变形机制主要为晶格扩散引起的高温攀移。

图3 （a）关系曲线和（b）-1000/T关系曲线

2.3 热加工图

通常，功率耗散系数η越高的区域代表材料在该区域的加工性能越好。

图4为真应变为0.2和0.4的功率耗散图。可以看出，功率耗散系数的大小取决于应变、应变速率以及变形温度。真应变为0.2时，功率耗散系数η在1160℃～1200℃/0.001s-1附近获得极大值；而真应变达到0.4时，功率耗散系数在1120℃/0.001s-1附近达到峰值。

这两处极值对应的动态转变机制并不相同，在1160℃～1200℃/0.001s-1范围内，动态再结晶大量出现，消耗了大量的能力；而在1120℃/0.001s-1附近，除了发生一些动态再结晶外，还伴有二次γ′相转变[2]，这些析出相的演变成为吸收能量的主要方式。

图4 FGH4097合金的功率耗散图

3 结论

（1）FGH4097合金流变曲线呈典型的动态再结晶型，在达到峰值应力后应力水平逐渐下降。流变应力水平随着变形温度的升高而降低，而随着应变速率的增大而升高。

（2）FGH4097合金表观热变形激活能Q和表观应力指数n分别为1636kJ/mol和4.3，较普通FGH4096合金高得多。

（3）功率耗散系数的大小取决于应变、应变速率以及变形温度，真应变达到0.4时，在动态再结晶和二次γ′相演变的交互作用下，功率耗散系数在1120℃/0.001s-1附近达到峰值。