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Inconel690合金高溫高速熱變形行為研究
發布時間：
2023-03-18 15:31
來源：
Inconel 690 合金是一種鉻含量30%左右的單相奧氏體鎳基耐蝕合金。 20世紀80年代以來, 由于其優良的耐蝕性能以及較高的強度逐漸代替Inconel 600合金 [1, 2] , 成為新一代核電站蒸汽發生器的傳熱管材料 [3, 4] , 并在國內外得到廣泛應用 [5, 6] 。 中國科學院金屬研究所、 北京科技大學和鋼鐵研究總院等單位對Inconel 690合金的化學成分、 組織、 性能和生產工藝等方面進行了比較系統的研究 [7～9] , 但在成形加工方面的研究工作還不夠深入。
由于鎳基高溫合金無法用熱穿孔等方法進行制坯, 因此熱擠壓成為高溫合金管材制坯的主要手段, 而高速熱擠壓可以使坯料在高溫下短時間內完成變形, 從而實現擠壓制坯 [10, 11] , 避免了芯棒因吸收變形熱導致溫度升高而發生變形不能完成管材熱擠壓。 在Inconel 690合金管坯熱擠壓方面的研究工作國外報道較少。 國內對Inconel 690合金管材加工工藝的研究基本上處于探索階段。 呂亞臣等通過熱壓縮實驗, 建立了Inconel 690合金的本構方程, 繪制了合金的熱加工圖, 確定了兩個最佳加工區及3個不穩定變形區 [12] 。 王懷柳 [13] 通過對熱擠壓工藝的研究, 分析了各種擠壓工藝參數的因素, 結合690合金的實際情況, 制訂了合金的熱擠壓工藝, 成功擠出了規格為Ф95 mm×7 mm的管坯, 但合金的擠壓態晶粒很不均勻, 生產的成品管還不能滿足要求。 長城特鋼集團近年引進了一批先進的制管設備, 工藝裝備和技術水平達到了國際上90年代中期的水平, 基本具備了研制高性能Inconel 690合金管的能力, 但擠出的管材晶粒度檢測結果并不盡如人意。 齊麥順通過熱模擬實驗建立了Inconel 690合金的熱加工圖, 并用數值模擬的方法確定了合金管材的擠壓工藝參數, 但是沒有考慮變形條件對變形后組織的影響。
深入了解合金在高溫高速下的熱變形行為, 建立準確的本構模型是提高數值模擬預測精度的關鍵, 也是確定熱擠壓成形工藝參數的主要依據。 國內少數企業雖已具備一定性能高精度管材的加工能力, 但各方面還很不成熟, 而沒有合理的熱擠壓工藝參數也是制約其迅速發展的主要原因之一。 本文分析研究了其高溫變形行為, 建立了高溫變形本構方程和組織演變數學模型, 模擬變形過程, 預測工藝缺陷, 確定出合理的熱擠壓工藝參數, 最終為實際管材生產服務, 具有十分重要的現實意義。
1 實 驗
實驗材料為鍛態Inconel 690合金棒料。 掃描電鏡結果表明, Inconel 690初始組織除基體外, 還有前期工藝析出的相, EDAX判定析出物主要為富鉻的碳化物和鈦的碳化物,。
坯料被機加工成Φ6 mm×9 mm的壓縮試樣, 利用Gleeble-3800熱模擬實驗機在預設的變形溫度和應變速率下進行恒溫、 恒應變速率的壓縮實驗。 升溫速率為5 ℃·s-1, 到溫后保溫3 min開始變形。 選擇的變形溫度分別為1000, 1050, 1100, 1150和1200 ℃; 應變速率分別為1, 10, 50, 80 s-1, 變形量70%, 所有試樣變形后進行快速水冷, 然后用線切割沿壓縮方向從中間剖開試樣, 制備金相試樣, 在光學顯微鏡下觀察試樣變形后的微觀組織。
2 結果與討論
2.1 不同變形條件下合金的應力-應變曲線
應力應變曲線反映了流動應力與各變形條件間的內在聯系, 是材料內部組織性能變化的宏觀表現 。 合金在相同應變速率和不同變形溫度下的真實應力-應變關系。
, 當應變速率為1 s-1時, 各溫度下的流動應力先隨著應變的增加而迅速增大, 呈現明顯的加工硬化現象, 隨后增大的速率逐漸減小, 當流動應力達到最大值后開始逐漸下降; 當應變速率增大到10 s-1時, 在溫度為1000～1100 ℃的情況下, 流動應力先隨著應變的增加而增大, 達到最大值后又逐漸減小, 在應變達到0.7左右時, 由于溫度的降低又出現了流動應力逐漸增大的現象, 由熱壓縮實驗數據可知, 溫度的降幅在8～32 ℃之間; 而溫度為1150和1200 ℃的情況下, 當流動應力達到最大值后, 并沒有出現明顯的下降, 而是應力值保持在峰值附近, 而后又出現了流動應力的提高。 當應變速率增大到50和80 s-1時, 由于變形時間短, 動態再結晶不完全, 即發生了不連續動態再結晶, 因此流動應力隨應變的增加出現了明顯的波動。
從峰值應力與溫度的變化關系曲線上可以看出, 隨著溫度的升高和應變速率的降低, 合金的流動應力都有明顯的下降, 當溫度低于1100 ℃時, 應力隨溫度的升高迅速降低, 當溫度高于1100 ℃時, 應力的下降速率減小, 溫度對流動應力的影響減小了; 當應變速率從80 s-1下降到10 s-1時, 流動應力變化不大, 當應變速率從10 s-1繼續降低時, 流動應力的降低速度加快, 應變速率對應力的影響加劇。
(a) Effect of temperature; (b) Effect of strain rate
2.2 材料熱變形本構方程
本構方程是指材料的流動應力與溫度、 應變速率等熱力參數之間的關系, 它表征了材料變形過程中的特征動態響應, 是有限元方法對塑性成形過程進行數值模擬的前提條件。 本文采用對應力-應變曲線回歸的方法, 建立Inconel 690 合金唯象型本構方程, 為材料成形過程數值模擬提供準確材料模型。 在此我們選用包含變形激活能Q和溫度T的雙曲正弦形式修正的Arrhenius函數模型 [16] :
式 (1) 中, F (σ) 為應力的函數, F (σ) 有以下3種表達形式:
低應力水平時, ασ<0.8, F (σ) =σ n (2)
高應力水平時, ασ>1.2, F (σ) =exp (βσ) (3)
對于所有應力, F (σ) =[sinh (ασ) ]n (4)
其中: n, β和A都是常數, α為應力水平參數, α=β/n;為應變速率 (s -1) ; Q為變形激活能 (kJ·mol -1) ; R為普適氣體常數; T為絕對溫度 (K) 。
在此, 選用適用于所有應力的表達式描述流動應力與各參數間的關系, 則式 (1) 可表示為:
模型中的各參數可以通過對應力應變曲線線性回歸得到。 把式 (2) (3) 分別代入式 (1) , 對兩邊求對數, 并代入不同條件下的峰值應力σp , 可得到和的關系曲線。
可以看出與都基本符合線性關系, 采用線性回歸求出直線斜率, 然后對其求平均值, 得β=0.023996 MPa -1, n=7.51, 由β和n值可得α=0.003196 MPa -1。
對公式 (5) 兩邊取對數, 得到:
所以材料的變形激活能可表示為:
將應力應變曲線數值和常數α, β, n值代入公式 (8) , 可得和ln[sinh (ασ) ]-1000/T關系。
得出直線斜率的平均值, 代入公式 (9) 就可以求出合金的變形激活能Q=417.6 kJ·mol -1。
根據Zener-Hollomon的研究, 材料在高溫塑性變形時應變速率受熱激活過程控制, 應變速率與溫度之間的關系可用Z參數表示:
Z=exp (Q/RT) =A[sinh (ασ) ]n (10)
得出直線的斜率n=5.17342, 截距為38.83141, 可以得到A的值為7.316×1016, 則Inconel 690合金高溫本構方程可以表示為:
Inconel 690合金高溫峰值應力和Z參數的解析式為:
2.3 熱變形過程中的組織演變
合金在應變速率為1 s-1, 不同變形溫度下的微觀組織, 可以看出, 在本文的實驗條件下, 溫度的升高和應變速率的增大都有助于動態再結晶的進行 [17, 18] , 隨著應變速率的增大, 晶粒的細化效果越好, 這是因為提高應變速率, 一方面可以加快位錯積累, 使原子來不及擴散, 從而促進再結晶形核; 另一方面, 變形熱提高了變形溫度, 間接提高了再結晶形核率。 在相同的應變速率 (1 s-1) 下, 隨著變形溫度的提高, 再結晶百分數也越高, 并且伴隨有晶粒的長大, 溫度達到1150 ℃后, 晶粒長大速度加快。
在相同的溫度下, 應變速率較低時, 變形所需要的時間比較長, 發生動態再結晶的晶粒已經開始長大, 而應變速率較高的情況, 由于變形時間較短, 雖然晶粒發生了動態再結晶, 但是沒有足夠的時間長大, 所以晶粒相對來說更加細小, 隨著應變速率的增大, 晶粒逐漸細化。
由于合金的熱變形過程是由變形溫度和變形速率共同控制的, 所以為了得到均勻的細晶組織必須綜合考慮這兩方面的影響。 可以看出, 在溫度為1150 ℃、 應變速率為50～80 s-1時已發生完全動態再結晶, 變形流線已經基本消除, 晶粒細小且均勻。 溫度較低時, 動態再結晶不完全, 甚至出現剪切帶, 這是因為在較高的應變速率下, 溫度較低時, 變形很不均勻, 變形集中在某一滑移面上而導致出現剪切帶, 而當繼續增大應變速率 (50～80 s-1) 時, 則由于溫升的影響, 變形更加均勻, 這一現象得到了緩解或消除; 溫度較高時, 則晶粒明顯長大; 在應變速率較低的情況下, 再結晶晶粒隨溫度的升高明顯長大, 因此根據變形后的微觀組織, 綜合考慮溫度和應變速率的因素, 本文選定的變形條件為溫度1150 ℃左右, 應變速率 50～80 s-1。
3 結 論
1. Inconel 690合金高溫變形行為表現為持續硬化和動態再結晶軟化的過程, 應變速度較高時 (50和80 s-1) , 表現為不連續動態再結晶。
2. 通過對合金的峰值應力進行線性回歸, 計算得到了Inconel 690合金的高溫材料常數: Q=417.6 kJ·mol-1, α=0.003196 MPa-1, n=7.51, 獲得了Inconel 690合金的高溫變形本構方程。
3. 合金的熱變形過程是由變形溫度和變形速率共同控制的, 為了得到均勻的細晶組織需要綜合考慮這兩方面的影響, 要獲得均勻細晶組織, Inconel 690合金的熱變形應控制在溫度1150 ℃左右, 應變速率為50～80 s-1之間。
Inconel 690 合金
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