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無錫國勁合金有限公司
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Incoloy800H鋼板現(xiàn)貨充足相對于傳統(tǒng)TiAl基金屬間化合物,高鈮TiAl合金具有更高的強度、更為優(yōu)異的抗蠕變及抗氧化性能,因而能夠將TiAl基合金的使用溫度區(qū)間提高50100℃,成為競爭力的高溫結構材料。然而,金屬間化合物的本征脆性為高鈮TiAl合金的加工成型帶來很大困難,使應用成本大幅度提高,進而阻礙了其大規(guī)模工業(yè)化應用。超塑成形可能是解決高鈮TiAl合金成形問題的有效的方法之一。這是因為在超塑性條件下,材料具有延伸率高、流動性好、無回彈、變形抗力小等特點,因而可以一次性加工出形狀復雜的零件。過去二十年內人們對TiAl基合金的超塑性行為進行了大量的研究,旨在分析超塑性條件（晶粒度、應變速率及溫度）、探索變形能力、闡明變形動力學及揭示變形機理等。雖然對TiAl基合金超塑性的相關研究取得了很大進展,但仍然在變形動力學和變形機制方面存在很多爭議。尤其是當合金中含有大量亞穩(wěn)β/B2相時,其超塑性能顯著提高。但目前對β/B2相在超塑變形中的作用機理尚不明確。另外,僅僅有極少的研究關注高鈮TiAl合金的超塑性。針對以上研究現(xiàn)狀,本研究制備了名義成分為Ti–（42.5-43.5）Al–8Nb–0.2W–0.2B–（0-0.1）Y的合金鑄錠,通過熱機械處理細化晶粒并獲得了兩種不同顯微組織（分別稱為（α2+γ）和（β/B2+γ）合金）。
然后結合高溫拉伸試驗研究了合金的超塑性力學行為及變形機制。主要研究內容和結果如下:為了制備出適合超塑變形的均勻細小顯微組織,利用單軸壓縮及應力松弛試驗對高鈮TiAl合金的動態(tài)/亞動態(tài)再結晶動力學開展研究。結果表明,高鈮TiAl合金的顯微組織對熱變形十分敏感,再結晶極易發(fā)生但動力學較慢,整體呈現(xiàn)出爆發(fā)式形核而有限長大的特征,從而有利于細化組織。而同樣很慢的亞動態(tài)再結晶動力學使得合金鍛餅可以通過道次間退火的方法消除變形死區(qū),進而獲得均勻的顯微組織分布。另外發(fā)現(xiàn)當在（α+β）相區(qū)進行熱等靜壓或鍛造變形時,合金中的β/B2相含量顯著提高,即熱力耦合作用對β/B2轉變具有明顯的抑制作用。利用該效應能夠實現(xiàn)對合金中β/B2相含量的調整。在上述研究的基礎上制定了合金的開坯鍛造工藝,獲得了具有相似成分但不同相組成（（α2+γ）合金與（β/B2+γ）合金）的高鈮TiAl合金鍛餅,為高鈮TiAl合金細晶超塑性的研究奠定了材料基礎。在應變速率為10-4 s-1、溫度為8501050℃的條件下對兩種合金進行了高溫拉伸試驗。
結果發(fā)現(xiàn),兩種合金均在1000℃時表現(xiàn)出大延伸率（400%）。但（β/B2+γ）合金在850℃時的延伸率即超過*,而（α2+γ）合金則僅有50%。利用拉伸曲線對合金的變形動力學進行了分析,發(fā)現(xiàn)合金在佳超塑性條件下的應變速率敏感因子均≥0.5。（α2+γ）合金的表觀變形激活能為390 kJ/mol,與Al元素在TiAl晶格中的擴散激活能相當;而（β/B2+γ）合金則為295 kJ/mol,顯著低于前者。進一步分析發(fā)現(xiàn),對于所有具有（α2+γ）組織的TiAl合金,其超塑性變形動力學與普通無序合金近似,說明二者具有相同的速率控制機制。對于富β/B2相的TiAl合金,其超塑性變形動力學受到β/B2相體積分數(shù)的顯著影響。利用SEM、EBSD對兩種合金在850℃和1000℃變形后的顯微組織進行了分析。結果發(fā)現(xiàn),在850℃變形后,兩種合金均發(fā)生了顯著的動態(tài)再結晶,小角晶界數(shù)量急劇增大,并形成了明顯的<100>+<111>絲織構,說明合金的變形機制以晶內滑移/孿生為主。而在1000℃變形時,兩種合金的變形組織存在顯著差異。（α2+γ）合金在變形前后的晶粒度、相組成、晶界特征幾乎沒有發(fā)生變化,但初始鍛造織構幾乎*消除,僅僅出現(xiàn)了極其微弱的<100>+<111>絲織構,表明（α2+γ）合金的超塑性變形機制為晶內變形協(xié)調的晶界滑動。
而對于（β/B2+γ）合金,在1000℃變形后發(fā)生了顯著的晶粒細化和應變增強β→α2轉變,并且形成了明顯的立方織構,表明其超塑性變形機制為相變協(xié)調的晶內變形—不連續(xù)動態(tài)再結晶。利用SEM及X射線斷層掃描技術對1000℃變形后試樣中的孔洞進行了定量表征。結果表明,（α2+γ）合金中的孔洞主要在三叉相界處形核,而在（β/B2+γ）合金中則主要分布于界面凸出處。兩種合金的孔洞密度相當,但（β/B2+γ）合金中孔洞的體積分數(shù)、孔洞尺寸、聯(lián)接程度等均明顯大于（α2+γ）合金。另外,（β/B2+γ）合金中較大的孔洞傾向于沿拉伸方向延伸,而（α2+γ）合金中大尺寸孔洞的取向則更為隨機。后結合變形機制對兩種合金中孔洞特征的形成原因進行了詳細討論。為了進一步明確TiAl基合金的高溫變形機制、揭示其超塑性變形區(qū)間,本研究對文獻中有關DP/NG-TiAl合金的力學性能數(shù)據(jù)進行總結分析,定量闡述了顯微組織、合金成分及晶粒度對位錯蠕變、晶界滑動、擴散蠕變等變形機制的影響規(guī)律,建立了普適性的本構方程組,并在此基礎上構建了適用于DP/NG-TiAl合金的變形機制圖譜,從而為理解TiAl合金的高溫變形動力學、預測其超塑性條件提供了有力工具。鎳基高溫合金GH4169是多組元復雜合金,具有理想的抗蠕變性能,有害相少,耐高溫氧化,具有優(yōu)良的高溫強度、較好的熱穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能,廣泛應用于空、天及核工業(yè)。但由于GH4169切削加工性很差,在切削過程中,切削變形復雜,切削溫度高、切削力大且波動大,形成鋸齒形切屑,*磨損嚴重,嚴重制約其廣泛應用,一直是學術界與企業(yè)界關注的焦點問題。因此,鎳基高溫合金GH4169切削區(qū)材料塑性行為的研究具有重要的價值和意義。鎳基高溫合金GH4169在切削過程中,形成鋸齒形切屑,但鋸齒形切屑中單節(jié)切屑的形成過程非常短暫,相關的實時微觀測試手段實施比較困難,很難使用傳統(tǒng)方法對整個過程進行實時觀察與分析。
Incoloy800H鋼板現(xiàn)貨充足本文采用切削實驗與有限元仿真相結合的方法對高速切削鎳基高溫合金GH4169的過程進行研究,主要包括以下幾方面的研究成果和結論:首先,通過霍普金森壓桿實驗建立GH4169高速、高應變率條件下的Johnson-Cook本構模型,并采用ABAQUS有限元軟件模擬高速切削GH4169高溫合金的切削變形過程,結合切削實驗獲取的切屑根金相圖片,分析鋸齒形切屑演變過程與機理。結果表明:切削過程中的局部材料溫度升高導致材料的熱軟化效應,改變了切削應力的分布狀態(tài),發(fā)生了熱塑性剪切失穩(wěn),形成剪切局部化,導致切屑的不均勻變形從而形成了鋸齒形切屑。其次,通過研究絕熱剪切帶的微觀結構及組織演變,進而深入研究裂紋形成機理?？梢缘玫?絕熱剪切帶以兩種形式存在,形變帶和轉變帶。通過切屑根金相組織的觀察并結合不同溫度和應變率條件下材料流動應力的情況,深入研究鋸齒形切屑的形成過程。基于變形過程中切削區(qū)材料組織的流動應力情況,建立切削區(qū)材料隨應變的硬化模型,將硬化情況顯性化;基于Avrami equation,建立切削區(qū)動態(tài)再結晶動力學模型,并研究不同溫度和應變率條件下的動態(tài)再結晶情況。后,通過引入應力三軸度和Lode角來揭示不同切削條件與斷裂的關系,重點研究GH4169在切屑形成的過程中剪切帶材料斷裂失效的行為。
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