热加工过程GH720Li合金组织演变行为研究

对GH720Li合金棒材开展了不同变形温度和变形量的等温镦粗及热处理试验,采用金相显微镜(OM)观察了各工艺的显微组织。结果表明,一火50%变形过程的动态再结晶不充分,组织保留较多的变形态原始晶粒;两次加热50%+50%变形后得到细晶组织,且随变形温度升高,组织细化程度增加。各锻态组织经固溶热处理后均可得到ASTM 9.0级以上的均匀细晶。两火变形时,中间态变形晶粒在火次间保温过程发生静态再结晶,变形温度1115℃和1130℃时,火次间保温后组织完全细化为等轴细晶,该晶粒在第2火锻后进一步细化至ASTM 12.0级以上。变形温度1100℃时,火次间保温过程静态再结晶不完全,残留的变形晶粒可通过后续累积变形逐步破碎。     

变形工艺参数对GH4169合金热变形组织演变的影响

通过高温热压缩实验,分析了不同变形温度、应变速率和变形程度对GH4169合金显微组织演化的影响规律。结果表明,当变形温度小于940℃时合金为混晶组织,当变形温度高于1 020℃发生了完全的动态再结晶;理想的加工工艺参数为应变速率小于0.01 s-1,变形温度在980~1 020℃之间,获得的热变形组织为均匀的等轴晶组织。     

GH4141高温合金热变形行为及组织演变

通过热压缩实验研究了经均匀化处理后的GH4141合金在变形温度为1000～1200℃和应变速率为0.01-5 s^-1条件下的热变形行为,构建了GH4141合金的热变形本构方程,并分析了热变形过程中微观组织的演变规律。结果表明,GH4141合金的峰值应力和峰值应变均随着变形温度的升高和应变速率的减小而显著降低。当变形温度为1100～1150℃时,由于动态再结晶的发生,动态软化逐渐与加工硬化达到平衡,流变应力基本不变,真应力-真应变曲线趋于平稳状态。基于Zener-Hollomon参数的双曲正弦模型可以很好地描述GH4141合金热变形过程中峰值应力与变形温度和应变速率的关系。GH4141合金热变形过程中的再结晶程度随着变形温度升高、应变速率减小和变形量增加而增加。当变形温度≥1100℃,应变速率为0.01～0.1 s^-1,变形量≥50%时,合金发生完全动态再结晶。     

GH4720Li合金热变形行为和相变

对GH4720Li合金在1080~1180℃、应变速率为0.01~10 s~(-1)条件下的单道次压缩变形行为进行了研究。利用压缩实验的应力-应变关系曲线,计算了变形条件下的热变形激活能,建立了相应的本构方程和热加工图。结果表明:动态再结晶是GH4720Li合金的主要软化机制;合金在1120~1180℃、应变速率在0.1~1 s~(-1)、真应变0.7时实现完全动态再结晶,最佳变形温度为1120~1140℃;γ′相的析出行为引起峰值应力和热变形激活能显著变化;热变形激活能在1160℃,达到最小值602 k J/mol;应变速率达到1 s~(-1)以上,合金出现失稳现象。     

GH4199合金的热变形行为与微观组织演变

在变形温度为1050～1180℃、应变速率为0.1～10s-1、最大真应变为0.7的条件下,采用Gleeble-3500热模拟试验机研究GH4199合金的热压缩变形行为,得到该合金的热变形激活能及热变形方程式,建立合金的热加工图,并通过组织观察对其热加工图进行解释。结果表明:在实验条件下,GH4199合金均表现出动态再结晶特征;变形温度和应变速率对合金流变应力及相应峰值应变大小的影响显著,流变应力及峰值应变均随着变形温度的降低和应变速率的增加而增大;在真应变为0.1～0.7时合金的热加工图相似,随着变形温度的升高及应变速率的降低,能量消耗效率逐渐升高;在应变速率为0.01s-1时,能量消耗效率达到峰值,约为41%。     

GH4720Li合金双道次热压缩变形过程的组织演变

对GH4720Li合金在1080~1180℃、应变速率为0.1s~(-1)条件下的双道次压缩过程的热变形行为进行研究。结果表明:动态再结晶是GH4720Li合金的主要软化机制。在双道次压缩间歇期内,合金发生亚动态再结晶、静态再结晶和晶粒长大;低于1120℃的变形间歇期,亚动态再结晶、静态再结晶和晶粒长大的速度缓慢;1120℃及以上温度的变形间歇期,亚动态再结晶、静态再结晶和晶粒长大的速度加快。随变形温度升高和第一道次变形量增大,道次间歇期的亚动态再结晶和静态再结晶速度加快。γ′相在热变形过程中发生协调变形,并发生细化。     

γ’相对U720Li合金热变形行为的影响

为了降低U720Li镍基合金锻造强度,通过改变γ’相的组织形态和析出数量的方法,研究1130℃下保温10、20和30 h后γ’相的析出形态、体积分数和显微硬度的影响,并对其进行1100～1170℃,变形速率1.0 s-1和50%变形量的热变形。结果表明,当保温30 h后,合金中γ’相形貌由方形向圆形转变,γ’相尺寸长大,体积含量最小,具有较小的流变应力。在1130℃保温30 h条件下,当变形温度低于1150℃时,析出的γ’相数量越多,对位错的阻碍作用越强烈,流变抗力越大;当变形温度超过1150℃时,合金中γ’相溶解,此时变形温度越高,合金的流变抗力越低。同时在较低温度下变形,因γ’相对晶界迁移的阻碍作用,再结晶晶粒尺寸较小,而在高温下变形再结晶晶粒长大,温度越高,再结晶晶粒越大。     

初始晶粒均匀性对GH720Li合金等温锻造组织演变的影响规律

等温锻造成形具有提高材料可锻性、降低锻件成形载荷、提高材料利用率和锻件冶金质量均匀性等优点,是目前航空发动机涡轮盘的主要成形工艺。根据棒材初始晶粒组织的不均匀特点,分别针对初始均匀细晶组织和初始粗晶组织在不同锻造温度和锻造速度条件下的组织演变规律进行了分析。     

初始晶粒度对GH720Li合金等温热变形组织演变的影响

对3种不同初始晶粒度的锻态GH720Li合金的等温热变形组织演变行为进行研究。结果表明,细于ASTM 6.5级的晶粒度是最终获得均匀细小热变形晶粒组织的关键临界初始组织条件,而初始ASTM 10级以上晶粒度合金具有较宽的热加工窗口。初始晶粒度对流变行为的影响非常明显,晶粒组织越粗大,合金的流变抗力越大。初始ASTM3级合金热变形时不连续和连续动态再结晶都发挥重要作用,初始ASTM 6.5级合金热变形时以不连续动态再结晶为主,初始ASTM 10级合金热变形时除了动态再结晶,超塑性变形机制也起重要作用。进一步确定了初始ASTM 6.5和ASTM 10级晶粒度的合金获得均匀细晶组织的热加工区间。     

GH4169合金热变形微观组织演变模型

基于等效位错密度建立GH4169高温合金的本构方程及微观组织演变模型,通过遗传算法结合热模拟压缩实验结果对模型参数进行求解;对有限元模拟软件DEFORM-3D进行二次开发,模拟工件的镦粗成形,得到了工件平均晶粒尺寸和再结晶百分数的分布情况,并与实验结果进行了对比分析。结果表明,二次开发的软件对微观组织演变的模拟结果与实验结果的平均误差在10%左右,验证了GH4169合金本构方程和微观组织演变模型的准确性,以及对软件二次开发的可行性。     

GH4738合金均匀化过程组织演变及热变形行为

采用OM、SEM及EDS研究了均匀化处理对铸态GH4738合金的晶粒尺寸、偏析程度、组织及热变形行为的影响,分析了经热压缩变形实验后合金的偏析程度、晶粒尺寸,以及再结晶程度,并绘制应力应变曲线,考察合金的变形抗力。结果表明,均匀化处理过程中,样品晶粒直径增大,偏析程度减小。部分均匀化处理后的样品,再结晶程度较高,变形抗力较小。建议采取部分均匀化处理的方式,保留少量的枝晶组织在样品中,这样既可节约能源,又可提高开坯的再结晶率。     

难变形高温合金GH720Li平衡析出相的热力学计算

为了给热处理制度和热加工工艺提供理论依据,采用Thermo-Calc热力学计算软件,对GH720Li合金平衡析出相和非平衡凝固进行模拟计算分析.结果表明,合金凝固过程中Mo、Ti偏析比较严重,并给出Ti、Al含量对γ'相析出温度和析出量的定量计算结果.C含量的增加可以显著提高碳化物的析出量,但对碳化物的析出温度无影响;Cr对M23C6的析出量没有影响,但显著提高其析出温度.进一步对一次碳化物MC的析出温度与合金初熔点的关系进行定量计算.     

GH720Li合金棒坯热变形加热过程的晶粒长大模型

对GH720Li合金棒坯在不同加热温度和保温时间下的晶粒长大行为进行研究,建立并验证了热变形加热过程的晶粒长大模型。结果表明,合金棒坯的平均晶粒尺寸随加热温度的升高与保温时间的延长而增大。当加热温度为1120℃时,晶粒开始较明显长大;当加热温度为1160℃时,晶粒显著长大。在1120、1160℃加热条件下晶粒长大行为的差异与γ'相的回溶程度密切相关。为了提高模型预测精度,分别在1000~1120℃和1120~1160℃两个加热温度下建立了GH720Li合金晶粒长大模型。所建立的模型得到的数据与试验数据吻合性高,可用于加热过程中晶粒尺寸演变的模拟计算。     

锻态GH4742合金的热变形行为及组织性能演变

利用单道次等温压缩实验获得了锻态GH4742合金在变形温度为 1020~1150 ℃、应变速率为0.001~1 s_^-1、真应变为0.65时的真应力-应变曲线,构建了GH4742合金的热变形本构方程和热加工图,并采用SEM、EBSD等研究了热变形过程中微观亚结构以及γ′相的演变规律,建立了变形工艺条件-组织形态差异-性能变化之间的关联性。结果表明：合金的组织性能演化机制与Z参数密切相关,1080 ℃低温变形时,应变速率由0.001 s_^-1增加至1 s_^-1后,lnZ值由75.6增加至82.6,热效应增强,小角度晶界比例降低,动态再结晶比例增加,组织发生细化,基体硬度增加;1110 ℃高温变形时,随着应变速率增加,lnZ值由74增加至78.5,位错滑移和晶界迁移减缓,小角度晶界比例增加,动态再结晶比例降低,加工硬化程度增加,基体硬度增加。GH4742合金不发生动态再结晶晶粒粗化的临界lnZ值为73。结合热加工图和变形组织分析得出锻态GH4742合金良好的加工区域为变形温度1110～1150 ℃、应变速率0.01～0.1s_^-1。     

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。     

热处理工艺对GH4720Li合金组织演化的影响

研究了热处理工艺对GH4720Li合金微观组织演化的影响。结果表明:GH4720Li合金在1160℃以下固溶处理时,晶粒缓慢长大,硬度先升高再下降;合金在1160℃及以上温度固溶处理时,晶粒快速长大,硬度单调下降。合金在650~760℃时效处理时,硬度持续升高;合金在850~1050℃时效处理时,硬度先升高再下降;随着时效处理时间的增加,γ'相的尺寸增大,并出现"方形化"的趋势。     

GH625合金的热变形行为

采用Gleeble-1500热模拟试验机研究了GH625高温合金在应变速率为0.001～1 s-1、变形温度为1223～1373 K条件下的热变形行为。结果表明:当变形温度一定时,随应变速率的升高,合金的峰值应力σp和稳态流动应力σs及对应的应变εp和εs均升高;当变形速率一定时,随变形温度的升高,σp和σs以及εs均降低,但εp基本保持不变。GH625合金在热压缩变形过程中应变速率的降低和变形温度的升高均有利于动态再结晶的发生;根据应力-应变曲线,通过线性回归获得GH625合金的本构方程。     

U720Li合金高温变形行为及变形机理研究

对U720Li合金的高温变形行为进行了系统的研究。通过对该合金高温变形过程中力学行为特征及组织演变规律的分析与计算,得出了不同应变速率、不同变形温度下应变速率敏感性指数m值、变形激活能Q值和晶粒指数P值的变化规律。分别绘制动态材料模型热加工图及包含位错数量的U720Li合金高温变形机理图。应用动态DMM热加工图分析了合金的适合加工区间。运用U720Li合金高温变形机理图,根据不同温度下U720Li合金柏氏矢量补偿的晶粒尺寸、模量补偿的应力值预报了该合金的高温变形机理。     

冷却方式对GH720Li合金固溶处理组织及力学性能的影响

对固溶后的GH720Li合金在不同的介质(空气、油、水)中冷却,再经过时效处理。利用光学显微镜(OM)和场发射扫描电镜(FESEM)研究了冷却介质对GH720Li合金的晶粒尺寸、冷却γ'相分布和力学性能的影响规律。结果表明,冷却介质对GH720Li合金晶粒尺寸和一次γ'相无影响,主要影响冷却γ'相(二次和三次γ'相);随着冷速的提高(空冷油冷水冷),γ'相平均尺寸关系为空冷油冷水冷,室温和高温强度关系为空冷油冷水冷;在能满足强度和塑性的前提下,为减少因热应力而造成盘件变形甚至开裂的风险,宜采用油冷。     

GH708高温合金热变形行为

采用Gleeble-3500热模拟机研究了GH708合金在变形温度1000℃～1200℃,应变速率为0.001s-1～1s-1条件下的热变形行为.确定了GH708合金的热变形方程,建立了其热加工图(Processing Map),并通过组织观察对其热加工图进行了解释.GH708合金的热变形激活能Q为493 kJ/mol;不同真应变下的热加工图相似,随着变形温度的升高及应变速率的降低,能量消耗效率η逐渐升高.真应变为0.6时,在变形温度为1150℃左右、应变速率为0.001 s-1时,能量消耗效率达到峰值,约为56%.该结果为GH708合金的热加工工艺优化提供了理论依据.