GH5188是一種固溶強(qiáng)化型鈷基高溫合金，具有良好的高溫?zé)釓?qiáng)性、高溫抗氧化性，是制造航空工業(yè)重要的材料之一，常用于制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦流板、燃燒室內(nèi)壁、外壁、冷卻環(huán)等高溫部件[1-3]。由于高溫合金在常溫下塑性較低，其塑性成形加工一般在高溫下進(jìn)行，因此GH5188合金的高溫變形特性對(duì)成形工藝的制定具有重要的指導(dǎo)意義。本文針對(duì)GH5188合金的高溫變形行為，擬建立描述材料流動(dòng)特性的本構(gòu)方程，從而為其熱加工工藝的制定提供理論依據(jù)。

1?試驗(yàn)材料及方法

1.1原材料選擇

試驗(yàn)用原材料為φ220 mm的GH5188合金棒材化學(xué)成分見表1。

1.2?試驗(yàn)方法

從GH5188合金棒材切取并加工成尺寸中8 mm×12 mm的熱壓縮試樣，在Gleeble-3500熱模擬機(jī)上進(jìn)行高溫壓縮變形試驗(yàn)。為了保證試樣在壓縮過程中處于軸向應(yīng)力狀態(tài)，在試樣兩端面涂抹高溫潤滑劑以減小試樣與壓頭間的摩擦力。試樣變形溫度分別為1030,1070,1100和1150℃,應(yīng)變速率分別為10、1、0.1和0.01s?1,變形量為50%。試樣加熱至變形溫度后保溫5 min,熱壓縮過程中應(yīng)變速率和變形溫度均保持恒定。應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等數(shù)據(jù)由Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集。

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1是GH5188合金在不同變形溫度和不同變形速率下熱壓縮的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。從中可以看到，GH5188合金在不同試驗(yàn)條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線變化規(guī)律較為相似：在初始變形階段，由于位錯(cuò)大量增殖和積累，加工硬化占主導(dǎo)地位，流變應(yīng)力隨應(yīng)變的增加急劇增大；隨變形量的不斷增加，由于位錯(cuò)密度不斷增高，晶體內(nèi)部存儲(chǔ)的能量不斷增加，當(dāng)真應(yīng)變超過一定值后，合金出現(xiàn)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，流變應(yīng)力不再隨應(yīng)變量的繼續(xù)增加而發(fā)生明顯的變化，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變特征。

另外，降低變形溫度和提高應(yīng)變速率均使試驗(yàn)材料的流動(dòng)應(yīng)力大幅度升高。這是因?yàn)閼?yīng)變速率增加會(huì)使得合金內(nèi)部位錯(cuò)增殖速度增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的軟化效果相對(duì)減弱，加工硬化效果增強(qiáng)，因此最終導(dǎo)致流變應(yīng)力增大。當(dāng)應(yīng)變速率一定時(shí)，隨變形溫度的升高，合金內(nèi)存儲(chǔ)的能量增大，所需的激活能降低，因此能夠在相對(duì)較低的流變應(yīng)力和應(yīng)變條件下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。這說明GH5188合金的流動(dòng)應(yīng)力對(duì)變形條件十分敏感，因此合金鍛造過程中應(yīng)準(zhǔn)確合理的控制這兩個(gè)工藝參數(shù)。

3?GH5188合金本構(gòu)方程

3.1本構(gòu)方程的建立

金屬材料高溫變形過程一般采用Arrhenius型本構(gòu)方程來描述合金流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率、變形溫度之間的關(guān)系[4-8]:

εA[sinh(ασ)]"exp(-Q/RT)?(1)

式中：式中：ε為應(yīng)變速率(s1);σ為流動(dòng)應(yīng)力(MPa);T為變形溫度(絕對(duì)溫度)(K);Q為變形激活能

(J·mol-1);R為普氏氣體常數(shù)(R=8.314)/(mol·K);a、n、A為常數(shù)。

從式(1)中可以看到，其中并不包含應(yīng)變對(duì)流ε為應(yīng)變速率(s1);σ為流動(dòng)應(yīng)力(MPa);T為變形溫度(絕對(duì)溫度)(K);Q為變形激活能(J·mol-1);R為普氏氣體常數(shù)(R=8.314)/(mol·K);a、n、A為常數(shù)。

從式(1)中可以看到，其中并不包含應(yīng)變對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響。而多份研究結(jié)果指出[9-12],合金在實(shí)際變形過程中，高溫條件下積累的塑性應(yīng)變也是一個(gè)不可忽略的重要變量。因此，在本構(gòu)方程中必須引入等效應(yīng)變，可以表示為：

σ=f(ε,T)f(ε)?(2)

因此，本研究將α、n、A和等材料常數(shù)視為應(yīng)變量的ε函數(shù)，通過對(duì)不同應(yīng)變量下的材料常數(shù)進(jìn)行回歸擬合，建立改進(jìn)的GH5188合金的本構(gòu)方程。

3.2?材料參數(shù)的確定

當(dāng)ασ<0.8時(shí)，合金處于低應(yīng)力水平條件下，流變應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)潘俾士梢员硎緸橹笖?shù)關(guān)系：ε =A?σn-1?(3)

式中：A?,n?為常數(shù)。

而αa>1.2時(shí)，合金處于高應(yīng)力水平條件下，流變應(yīng)力σ和應(yīng)變速率ε之間接近冪指數(shù)關(guān)系：

ε=A?exp(βσ)?(4)

式中：A?,β為常數(shù)。

a、n1和β滿足如下關(guān)系：

式(3)和式(4)兩邊取對(duì)數(shù)后可得：

lnε =1nA?+n?1nα?(6)

lne =1nA?+βσ?(7)

由式(6)和式(7)可知，n?和β分別為lnε-lnσ和lnε-σ曲線的斜率。取不同真應(yīng)變?chǔ)偶皩?duì)應(yīng)流動(dòng)應(yīng)力σ,分別作Ine-Ing關(guān)系曲線(圖2)和Inε-σ關(guān)系曲線(圖3),并用最小二乘法線性回歸求得所取應(yīng)變量下的n和β,進(jìn)而根據(jù)式(5)確定不同真應(yīng)變?chǔ)畔碌摩林怠?/p>

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

對(duì)式(8)求偏微分可得熱變形激活能Q為：

上式中Inε-In[sinh()]曲線的斜率為常數(shù)n。利用求得的α值，在不同應(yīng)變量ε時(shí)繪制Inε-Inσ[sinh(ασ)]曲線見圖4,采用最小二乘法線性回歸求出斜率n。同時(shí)，繪制的關(guān)系曲線見圖5,求得斜率K。將n和k帶入式(9),從而可以得到GH5188合金不同應(yīng)變量下的變形激活能Q。最后將此時(shí)的變形激活能Q和n代入式(8),可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的常數(shù)A的數(shù)值。分別以不同真應(yīng)變下的Q、α、n和A為函數(shù)，真應(yīng)變?chǔ)艦樽宰兞窟M(jìn)行四次多項(xiàng)式回歸，得到圖6所示的擬合曲線，可見材料參數(shù)與真應(yīng)變?chǔ)诺乃拇味囗?xiàng)式擬合較好。

將材料參數(shù)值代入式(1),整理后得到GH5188合金的本構(gòu)方程：

InA=48.41351-108.9278×?+444.60853×?2-745.88369×?3+458.58099×??α=0.00393-0.00625X+0.02095×?2-0.02444×?3+0.01124×??n=6.07253-12.48329×?+42.58179×?2-69.70957×?3+42.6182×??Q=574731.75-1285860×?+5183890×?2-8616460×e3+5266930×??

圖7為不同應(yīng)變速率和溫度下的計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比，其中實(shí)線為試驗(yàn)值，虛線為計(jì)算值。可以看到兩者相對(duì)誤差較小，這說明所建立的本構(gòu)方程具有良好的預(yù)測能力。

4?結(jié)論

(1)在本試驗(yàn)條件下，變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)GH5188合金的流變應(yīng)力影響強(qiáng)烈，隨變形溫度升高和變形速率的降低，相同變形程度下合金的流變應(yīng)力顯著降低，并且在較低的應(yīng)變下合金即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)流變狀態(tài)。

(2)建立了包含應(yīng)變量因素的GH5188合金高溫變形本構(gòu)方程，較好地反映了合金在熱變形過程中流變應(yīng)力的變化規(guī)律。