镍基合金大应变量热塑成形过程的变形机制研究及模型建立

Nickel-base alloys exhibit both stress and microstructure oscillations in particular deformation conditions during hot working when true strain gets larger, instead of "steady state" in classical theory. This phenomenon may deeply affect the hot working process with large strain for nickel-base alloys. However, the hot deformation theories of steel were used indiscriminately, which predicts equilibrium for both flow stress and microstructure. Few investigations were carried out for the specialty of nickel-base alloys. To solve the above problem, this projects will studied the hot deformation behaviors for nickel-base alloys in large strain conditions. Work hardening, dynamic recovery and dynamic recrystallization in hot working will be analyzed for this type of alloys. Physical models are established with key points of low-recovery-hardening and cyclic dynamic recrystallization. The models may contain micro-parameters (dislocation density and twin ratio), physical-parameters (activation energy and stacking fault energy) and process-parameters (temperature and strain rate). On the base of mechanism research, engineering models of dynamic recrystallization fraction and grain size will be constructed for cyclic recrystallization. Furthermore, prediction of flow stress may also be involved for high strain stage. This project is expected to be the experimental and theoretical basis for the development of metal thermal deformation theory. Engineering models may provide direct guidance for the actual production of nickel-base alloy components.

随着热变形应变量的增大，镍基合金在某些变形条件下表现出变形抗力和组织的波动，而非传统理论中的流变稳态。该现象会对一些涉及大应变量变形的镍基合金热加工过程产生较大影响。然而，现阶段针对镍基合金的大变形，普遍套用钢铁材料的相关理论，默认大应变量条件下稳态的存在，而并未对镍基合金的特殊性进行深入研究。针对此问题，本项目将围绕镍基合金的大应变量热变形行为进行研究。分析镍基合金热加工过程中硬化、动态回复和动态再结晶机制，以低回复加工硬化和多轮动态再结晶为突破口，建立综合微观参数（位错密度、孪晶比例），物理参数（表观激活能、层错能）和工艺参数（变形温度、应变速率）的物理模型。在机制研究的基础上，构建描述镍基合金多轮次动态再结晶比例、晶粒尺寸变化的组织演化模型和变形抗力的计算模型（工程性模型）。本项目可望对金属热变形理论的发展提供实验和理论基础，其工程化模型可以直接指导镍基合金的实际生产。

本项目围绕镍基合金在大应变量热塑成形过程中的变形行为展开。通过高温压缩热模拟实验研究动态再结晶形核机制，通过低应变量热变形实验研究加工硬化及动态回复行为，通过平面应变实验研究大变形量条件下再结晶动力学，通过初始组织为柱状晶的铸态合金压缩以及大应变速率下的热压缩实验研究高动态回复下的变形行为，分析了变形温度、应变速率和初始晶粒尺寸等变形参数对镍基合金大应变量热变形的影响。通过SEM、TEM、EBSD等手段结合本构分析等数学方法对镍基合金热变形组织进行观察和表征，利用有限元技术对实际热加工过程进行数值模拟。研究结果表明：（1）随着应变量的增大，镍基合金在热变形过程中的动态再结晶形核机制按照开动顺序和效果依次包括：应变诱发晶界迁移，应变诱发退火孪晶界迁移，孪晶碎化形核和晶内亚晶连续转变形核。随着变形温度的降低、应变速率的提高或初始晶粒尺寸的增大，亚晶转变形核作用增强。（2）在低应变量阶段，镍基合金的低层错能导致动态回复作用较弱，亚晶组织发展受阻使位错与亚晶的交互作用降低，位错与位错缠结、位错与固溶原子的交互作用是引起镍基合金加工硬化的主要原因。（3）在镍基合金动态再结晶的扩展过程中，再结晶与未再结晶区域的界面由孪晶界构成，∑3-∑9-∑27孪晶链的产生促进再结晶扩展。随着变形温度的升高，发生动态再结晶的临界应变量降低，但再结晶扩展速率的峰值也同时降低。在真应变量不超过2.0的范围内，变形组织并未出现波动。（4）初始组织为柱状晶的铸态镍基合金，在热变形中的变形抗力随着应变量的增大持续增大。当其他条件相同时，铸态合金在大变形量下的热压缩峰值载荷大于锻态，二者的差值在低温下随压缩速度的提高而增大，而高温下规律相反。在高速变形时，动态回复作用增强，应变速率敏感因子降低，加工硬化可以用修正的K-M位错模型来描述。