一種難變形鎳基高溫合金GH4151合金的三聯冶煉工藝

C(％):  0.05～0.11

Cr(％):  9.5～10.0

Mo(％):  2.5～3.1

Ni(％):  余量

Co(％):  15.0～16.5

W(％):  6.0～7.5

Al(％):  5.7～6.2

Nb(％):  1.95～2.35

Ti(％):  —

B(％):  0.12～0.02

Fe(％):  ≤0.7

Mn(％):  —

其他(％):  Ce≤0.02,Zr0.03～0.05

GH4151作為一種新型高溫合金材料,目前關于熱加工與熱處理方面的基礎研究較少,尤其是關于該合金高溫變形行為及動態軟化機制、不同熱處理下組織與性能控制方面缺乏系統深入的研究。

針對上述問題,本文開展了如下研究工作:

(1)采用熱物理模擬試驗研究了熱擠壓態合金高溫變形行為,建立了基于雙曲正弦型的Arrhenius本構關系模型和動態材料模型(DMM)的熱加工圖,確定了擠壓棒材熱變形、盤鍛件模鍛的熱加工區間。研究表明,盤鍛件模鍛的最佳熱加工區間為:1045-1125℃、應變速率ε10-2.5s-1。

(2)為了驗證熱擠壓態合金的超塑性的有效性,本文研究了合金分別在1060℃、1080℃和 1100℃,10-4 s-1、5×10-4 s-1和10-3 s-1應變速率下的超塑性拉伸行為。不同溫度下應變速率敏感系數分別為m1060℃=0.69,m1080℃=0.73,m1100℃=0.73,不同應變速率下變形激活能分別為Q10-4=192kJ/mol,Q5×10-4=258kJ/mol,Q10-3=342kJ/mol。研究表明,當應變速率ε=10-4s-1拉伸時,超塑性變形主要以晶界擴散控制的晶界滑動機制為主;而ε=5×10-4 s-1和ε=10-3s-1時,以體擴散控制的晶界滑移機制為主。

(4)本文以熱擠壓態合金為研究對象,研究了亞固溶條件下晶界處一次γ'相(γ'I)的回溶和晶粒長大行為,并建立了引入時間指數m的Sellars晶粒長大動力學模型,揭示了γ'Ⅰ回溶度與晶粒長大關聯性規律;研究了亞固溶后單斜率不同冷速冷卻及先緩冷后快冷的雙斜率控冷處理下γ'相的演變規律,實現了γ'相雙模態分布的析出控制;據此確定了合金的標準熱處理制度。研究表明,熱處理態合金具有優異的力學性能:室溫抗拉強度和屈服強度、750℃/650MPa 高溫持久壽命分別為 1666.5MPa 和 1306.5MPa、173.35 h。

(5)研究了合金長期熱暴露實驗過程中的γ'Ⅱ相演變特征。結果表明,750℃下熱暴露5000h后,γ'Ⅱ相并未明顯長大;800℃下,γ'Ⅱ相演變遵循體擴散控制的Ostwald熟化過程,且基于經典的LSW理論的γ'Ⅱ相粗化速率常數k值為690.5nm3/h。表明合金在750℃～800℃服役溫度γ'Ⅱ相具有長時穩定性,而力學性能衰減主要與晶界寬度增大和μ相的析出有關。綜上,本文通過對新型難變形高溫合金GH4151合金高溫變形行為及組織與性能控制研究,揭示了合金的工藝參數-微觀組織-力學性能的對應關系,為合金工程化制備提供理論和實驗指導。