热挤压态FGH4096镍基粉末高温合金的热变形行为的研究

摘 要：采用Gleeble 3180D热模拟试验机对热挤压态FGH4096镍基粉末高温合金在变形温度1020-1140℃，应变速率0.001-1.0s-1的条件下做等温热压缩试验，研究了其高温变形行为。分析了真应力——真应变曲线，并且观察了变形组织。计算出该合金的热变形激活能约为1124.7kJ/mol，相比热等静压态的变形激活能有明显的增加。结果表明：在低于1080℃变形条件下，变形后的试样观察到严重的宏观开裂现象，并造成相应的真应力——真应变曲线明显地下降，微观组织没有明显的动态再结晶发生；当变形温度高于1080℃时，发生了明显的动态再结晶，并在随着应变速率的降低发生了晶粒长大。

关键词：镍基粉末高温合金；热挤压工艺；本构方程；热加工性能；宏观裂纹

FGH4096合金是国内研制的第二代损伤容限型镍基粉末高温合金，具有良好的拉伸和蠕变性能，并且能够在750℃条件下满足强度的要求。然而，该合金的合金化程度高，热加工性能差，锻造变形工艺进行开坯和成形难度大。

大挤压比的热挤压能够有效地改善合金的加工性，同时也能提高其性能。本工作基于对挤压态的FGH4096镍基高温合金的热模拟压缩的研究，研究了热挤压态FGH4096合金的热变形行为。

1 实验

1.1 实验材料

实验采用热挤压态FGH4096镍基高温合金，该合金材料通过雾化制粉+热等静压+热挤压雨成。图1为热挤压态FGH4096的原始微观组织。挤压后晶粒得到了一定程度的均匀与细化，在横向无原始颗粒边界(Prior Particle Boundary,PPB)，而在纵向，PPB经过挤压拉长后得到了一定程度的消除。

1.2 实验方法

利用线切割从挤压棒材半径1/2处取冷8*12mm的圆柱试样。试样分别在变形温度1020-1140℃，应变速率0.001-1.0s-1条件下进行热压缩实验，每个试样以10℃/s的加热速率至变形温度，保温2min保证试样的温度均匀，然后分别压下0.7真应变。变形后的试样通过快速水冷的方式保持其在高温条件下的微观组织。

2 结果与讨论

2.1 真应力——真应变曲线

图2为热挤压态FGH4096镍基高温合金在不同变形条件下的真应力——真应变曲线。可以看出，流变应力随着变形温度增加而降低，随着应变速率增加而升高。如图2中变形温度低于1080℃的流变曲线，流变应力在峰值应力之后迅速下降，这是在较低温度下试样变形出现宏观开裂所致。

2.2 流变应力本构方程

根据连续性变形方程可知，高温变形时真应力(σ)、真应变(ε)、变形温度(T)和应变速率（ε）存在着一定的关系，可表示为：

对不同材料的研究结果表明，高温塑性变形是一个受热激活控制过程。描述这一热激活过程中流变应力与应变速率关系的数学模型主要有三种形式：指数关系、幂指数关系和双曲正弦函数关系。其表达式分别为：

式中，A1，A2，A，n1，n，β和α(α=β/n)是材料常数。

通过线性拟合和反复迭代的方法，将最终计算α=0.0033代入式(4)，绘制出Insinh（ασP）-Inε和Insinh（ασP）-1000/T曲线如图3(a)和(b)所示，代人下式(5)：

实验的挤压态的FGH4096高温合金的热变形激活能Q= 1124.7kJ/mol。

热变形激活能反映了合金热变形的难易程度，挤压态FGH4096合金的热变形激活能明显较高，较对应的热等静压态FGH4096合金885.28 kJ/mol的热变形激活能明显增加。说明该热挤压后的FGH4096 镍基高温合金的热加工性能仍然较差。

Zener-Hollomon参数可表达为：

图4为Insinh（ασP）- lnZ的线性关系式，相关系数 R=0.98157，n=4.39，A=3.918*1042。热挤压态FGH4096镍基高温合金的本构方程为：

2.3 变形组织分析

图5为变形后试样的宏观形貌，主要可分为3个区域：均匀变形区、微开裂区、严重开裂区。在1020℃、1050℃以及1080℃/0.01-0.001s-1时，变形后的试样存在着开裂严重的现象。并且温度越低，应变速率越小，试样开裂越严重，结合变形后的真应力—真应变曲线，可以看到在严重开裂区的曲线由于裂纹的产生出现了真应力剧烈下降的现象；在1080℃/0.1-1.0s-1和1110℃/0.01-1.0s-1区域，试样出现了轻微开裂；在1110℃/0.001s-1和1140℃区域，压缩后试样变形均匀，试样表面没有产生裂纹。结合前面计算的高的热变形激活能，该种热挤压态的FGH4096合金的热加工性能较差，加工窗口窄，在变形温度低于1080℃时，该合金的热加工性能较差，容易产生明显的开裂现象。

图6为变形后的微观组织。图6(a)-(c)所示在变形温度为1020℃时，晶粒发生一定程度变形，没有发生动态再结晶；由图6(d)-(f)，在应变速率为1.0s-1时，随着温度的升高，出现了明显的动态再结晶，在变形温度为1110℃和1140℃时，变形后的组织在组织均匀，并一定程度的得到了细化；在变形温度较高时[图6(g) -(i)]，随着应变速率的增加，变形后的微观组织发生了明显的晶粒长大过程，这种晶粒长大的现象在1110℃和1140℃都被观察到。因此，热挤压FGH4096镍基高温合金在变形后的微观组织在较低温度条件下，没有明显的动态再结晶现象，变形后的试样容易产生宏观开裂；随着变形温度的升高，当变形温度高于1080℃时，微观组织发生了明显的动态再结晶，在较高应变速率条件下的晶粒均匀细化，随着应变速率的降低，动态再结晶晶粒明显长大，宏观试样变形均匀。

3 结论

(1)建立了热变形本构方程，该合金的热变形激活能约为1124.7kJ/mol，相比热等静压态增加明显。

(2)热挤压态FGH4096合金在变形温度较低时容易出现开裂，变形能力差，热加工窗口窄。

(3)该合金在变形温度低于1080℃时，没有发生明显的动态再结晶，在变形温度高于1080℃时，发生动态再结晶，并在低应变速率条件下发生了晶粒长大。