（1.上海交通大學(xué) 模具CAD國家工程研究中心，上海 200030；2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

Inconel 718是一種沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，國內(nèi)牌號(hào)為GH4169，該合金在650 ℃范圍內(nèi)具有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗疲勞性能、蠕變性能，廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)關(guān)鍵零部件的制造。比如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)因其工業(yè)技術(shù)要求之高而被譽(yù)為“皇冠上的明珠”，其中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件作為“明珠”體內(nèi)的紐帶，也因其高壓、高溫、高強(qiáng)度的使用環(huán)境要求，使得其性能及技術(shù)要求相對(duì)其他緊固件而言有更多的特殊性、更高的安全性和可靠性。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件中，高溫高強(qiáng)度螺栓、螺釘?shù)闹圃旒夹g(shù)難度最大，其形狀復(fù)雜，加工精度要求高，而且成形工藝一直處于專利或保密狀態(tài)。國內(nèi)航空領(lǐng)域隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃汽輪機(jī)兩個(gè)重大專項(xiàng)的落地實(shí)施，不僅對(duì)其需求量增加，而且對(duì)該類產(chǎn)品的精度和性能提出了更高的要求。Inconel 718鎳基合金材料的螺栓、螺釘是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最為廣泛的高溫高強(qiáng)度緊固件，該類零件經(jīng)熱處理后抗拉強(qiáng)度達(dá)1250 MPa，而這類高強(qiáng)度緊固件的螺紋溫滾加工技術(shù)是研究和發(fā)展的方向。深入Inconel 718熱加工性能調(diào)控規(guī)律，特別是其組織演變規(guī)律是獲得目標(biāo)構(gòu)件優(yōu)異力學(xué)性能的關(guān)鍵[1—2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)Inconel 718鎳基高溫合金多種加工條件下材料成形性與微觀組織演變規(guī)律展開了大量的研究工作。近年來，Lin Yongcheng等[3—7]系統(tǒng)研究了Inconel 718鎳基合金熱加工組織演變規(guī)律、析出相調(diào)控機(jī)理與高溫流變行為，為航空Inconel 718鎳基合金構(gòu)件控性鍛造提供了理論指導(dǎo)。王春光等[8]對(duì)熱鍛與熱處理工藝對(duì)GH4169鎳基合金熱變形過程的相分布開展了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)，精確控制變形和熱處理工藝可以調(diào)控δ相、γ'相和γ''相等析出相的分布特征，最終獲得性能優(yōu)異的綜合力學(xué)性能鍛件。耿志杰等[9]系統(tǒng)研究了不同焊絲材料對(duì)316LN和Inconel 718異種金屬材料激光焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。Zhao Yunhao等[10]對(duì)比了增材制造與真空澆注兩種熱加工方式對(duì)Inconel 718組織均勻化的影響規(guī)律，分析了獲得均勻化組織的增材制造工藝參數(shù)窗口。Zhao Yanan等[11]研究了后續(xù)熱處理對(duì)選擇性激光熔覆Inconel 718試樣二次相析出及力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)了在室溫與高溫條件下，熱處理與激光熔覆匹配的工藝參數(shù)。Ran Rong等[12]研究了兩階段冷軋變形對(duì)Inconel 718微觀組織、析出相與力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)二次冷軋?jiān)贂r(shí)效處理的試樣屈服強(qiáng)度達(dá)到945 MPa，650 ℃的伸長率達(dá)到36%。綜上所述，隨著材料集成計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)Inconel 718材料的高溫變形組織演變?nèi)灾档蒙钊胗懻摚绾谓⒖梢暬挠?jì)算模型為實(shí)際熱加工工藝的制定提供依據(jù)仍然是高溫合金熱加工領(lǐng)域亟待解決的難題。

1 實(shí)驗(yàn)

材料為棒材，其主要化學(xué)成分如表1所示。將合金材料加工成直徑為8 mm、高度為12 mm的圓柱體試樣，在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等溫恒應(yīng)變速率壓縮實(shí)驗(yàn)。變形溫度分別為940，980，1020，1060 ℃，應(yīng)變速率分別為0.001，0.01，0.1，1 s-1，變形量為1.0。為了減少圓柱試樣與壓頭平砧之間的摩擦對(duì)均勻變形的影響，采用坦片置于圓柱試樣兩端。實(shí)驗(yàn)時(shí)以10 ℃/s的升溫速度將試樣加熱到變形溫度，保溫3 min以使試樣溫度均勻化，再進(jìn)行恒定溫度和應(yīng)變速率條件下壓縮變形。設(shè)備自動(dòng)記錄載荷與位移的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為真應(yīng)力真應(yīng)變速率，變形結(jié)束之后對(duì)試樣進(jìn)行水冷以保留高溫變形的組織。變形后的試樣沿著端面中心線剖開，如圖1所示，在靠近試樣中間區(qū)域制備金相試樣，觀測(cè)高溫變形之后的組織，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 Inconel 718鎳基高溫合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical component of Inconel 718 nickel-based superalloy (mass fraction) %

圖1 壓縮實(shí)驗(yàn)樣品及微觀觀測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of compressive test samples and microstructure observation

2 結(jié)果與分析

2.1 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同測(cè)試溫度與應(yīng)變速率條件下，Inconel 718合金經(jīng)過摩擦修正后的熱壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2?？梢钥闯?，材料在變形初始階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的累積迅速增加，達(dá)到峰值后逐漸下降，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)應(yīng)變后流變應(yīng)力基本不變。在同一變形溫度下，對(duì)應(yīng)于同一應(yīng)變值，應(yīng)變速率越高，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值越高，并且隨著應(yīng)變速率的升高，應(yīng)力峰值向應(yīng)變?cè)龃蟮姆较蛞苿?dòng)；在應(yīng)變速率一定時(shí)，流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而減?。桓鞣逯蹬c對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力之間的差值隨實(shí)驗(yàn)溫度的上升而減?。辉诟咦冃螠囟群偷蛻?yīng)變速率（如變形溫度為940 ℃，應(yīng)變速率為1 s-1）時(shí)，其峰值應(yīng)力與穩(wěn)態(tài)應(yīng)力差異不明顯。

圖2 Inconel 718鎳基合金不同熱變形條件下真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 True stress-true strain curves of Inconel 718 nickel-based alloy under various thermal deformation conditions

2.2 組織演變模擬參數(shù)計(jì)算

金屬的熱變形是通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中遇到點(diǎn)缺陷、晶界、第二相質(zhì)點(diǎn)等障礙物時(shí)，將受到巨大的阻力，極容易塞積，從而形成高位錯(cuò)密度區(qū)，這些區(qū)域會(huì)優(yōu)先生成晶核。文中組織演變預(yù)測(cè)采用以下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核模型[13]：

金屬熱變形過程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)主要受到應(yīng)變的影響，變形主導(dǎo)的加工硬化導(dǎo)致位錯(cuò)增殖，由動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶導(dǎo)致的軟化又導(dǎo)致位錯(cuò)密度湮滅，文中采用以下模型描述熱變形過程中位錯(cuò)密度的演變[13]：

當(dāng)材料內(nèi)部的物質(zhì)點(diǎn)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶以后，材料的位錯(cuò)密度會(huì)降低到一個(gè)很低的狀態(tài)，此時(shí)與周圍的基體晶粒存在較大的位錯(cuò)密度差值，這為新的再結(jié)晶晶粒長大提供了驅(qū)動(dòng)力。再結(jié)晶晶粒長大速度[15]：

文中采用三維元胞自動(dòng)機(jī)方法模擬了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程中晶粒的形核和長大過程。到目前為止，該方法廣泛應(yīng)用于金屬材料熱加工過程的再結(jié)晶、凝固和相變過程組織演變模擬中。三維元胞自動(dòng)機(jī)模型主要包含了三維元胞，文中采用正方體作為單個(gè)胞元。x，y，z方向元胞50個(gè)，每個(gè)元胞的長度是2 μm，代表了100 μm3的三維元胞空間。每個(gè)元胞包含了取向、位錯(cuò)密度、再結(jié)晶分?jǐn)?shù)、晶粒尺寸等結(jié)構(gòu)變量。Inconel 718熱加工變形微觀組織三維模擬的材料參數(shù)如下：Qb=287 kJ/mol，Qact=287 kJ/mol，δDob=1.34×10-11m3/s，b=2.49×10-10m2。

2.3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶三維組織模擬

三維元胞自動(dòng)機(jī)模擬溫度為1060 ℃，應(yīng)變速率為0.1 s-1條件下，隨著應(yīng)變的增加三維模擬空間動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的演化過程見圖3?？梢钥吹诫S著應(yīng)變的增加，三維空間新的再結(jié)晶晶粒增加，再結(jié)晶分?jǐn)?shù)增加，模擬空間的平均晶粒尺寸逐漸降低。以上模擬結(jié)果驗(yàn)證了文中建立的三維組織演變模型能夠較好地反映動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織演變行為。

圖3 Inconel718鎳基合金在溫度為1060℃，應(yīng)變速率為0.1s-1條件下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織Fig.3 Dy namicrecrystallization structure of Inconel718nickel-based alloyat1060℃andstrain rateof 0.1 s-1

3 結(jié)論

研究了鎳基高溫合金Inconel 718熱變形行為，觀察高溫流變應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)，材料在940～1060 ℃之間均有明顯的再結(jié)晶發(fā)生，但在應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)，在測(cè)試的應(yīng)變范圍內(nèi)材料不能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段。以位錯(cuò)密度的演變?yōu)閮?nèi)變量，通過追蹤其在熱加工過程的演變，借助三維元胞自動(dòng)機(jī)方法模擬動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核和長大過程。該模型能再現(xiàn)Inconel 718熱變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核和長大過程，通過計(jì)算不但可以獲得平均晶粒尺寸、再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的演變，還能追蹤再結(jié)晶形核長大的三維形貌及位置信息。利用該模型跟其他有限元模擬軟件集成，可以預(yù)測(cè)復(fù)雜熱變形過程中該材料全域的組織演變信息。