GH5188高溫合金流變行為研究

GH5188是一種固溶強化型鈷基高溫合金，具有良好的高溫熱強性、高溫抗氧化性，是製造航空工業重要的材料之一，常用於製備航空發動機渦流板、燃燒室內壁、外壁、冷卻環等高溫部件。由於高溫合金在常溫下塑性較低，其塑性成形加工一般在高溫下進行，因此GH5188合金的高溫變形特性對成形工藝的制定具有重要的指導意義。本文針對GH5188合金的高溫變形行為，擬建立描述材料流動特性的本構方程，從而為其熱加工工藝的制定提供理論依據。

GH5188的主要基體為鈷。基體鈷對待測元素均有一定的增強效應，其中對鉍和硼的測定影響較大。試驗採用基質匹配法來消除此干擾。此外，共存元素鉻、鎳、鎢對待測元素均有干擾。為了消除此類干擾，試驗採用基體匹配法進行校正。

GH5188已用於製作航空發動機燃燒室筒、導向葉片等高溫部件。GH5188（GH188）應用概況與特殊要求：該合金在國外廣泛應用於製造燃氣渦輪及導彈的高溫部件，如燃燒室、尾噴管及核能工業中的熱交換器等零部件。在國內用該合金製成的航空發動機燃燒室火焰筒和導向葉片等高溫部件已透過長期試車考驗，並投入生產應用。用該合金板材加工成零件的製造工藝中，任何工序（如熱處理、焊接等）均應防止滲碳及銅汙染，以免損害合金的力學效能和耐蝕效能。

1、試驗材料及方法

1。1原材料選擇

試驗用原材料為0220mm的GH5188合金棒材，化學成分見表1。

1。2試驗方法

從GH5188合金棒材切取並加工成尺寸

φ

08mrn×12mm的熱壓縮試樣，在熱模擬機上進行高溫壓縮變形試驗。為了保證試樣在壓縮過程中處於軸嚮應力狀態，在試樣兩端面塗抹高溫潤滑劑以減小試樣與壓頭問的摩擦力。試樣變形溫度分別為1030，1070，1100和1150℃，應變速率分別為10、1、0。1和0。11S，變形量為50%。試樣加熱至變形溫度後保溫5min，熱壓縮過程中應變速率和變形溫度均保持恆定。應力、應變和溫度等資料由熱模擬試驗機自動採集。

對GH5188樣品進行加標試驗，平行測定多次，計算回收率和測定值的相對標準偏差（RSD），結果均滿足日常檢測要求。由於市場上暫時沒有相關牌號或基體相同的標準物質，因此採用方法比對來驗證結果的準確度。

鎢的作用是固溶強化，使合金具有優良的高溫熱強性。敞開式溶解GH5188合金時，除了加入一定體積的鹽酸-硝酸混合液，還需要加入硫酸-磷酸混合液，這使得溶液酸度過高，且硫酸-磷酸混合液冒煙，不能直接進入電感耦合等離子體質譜儀，否則會導致儀器受損。試驗採用微波消解前處理方法解決上述問題，並進一步考察了消解酸用量對GH5188合金消解的影響。經過試驗探究，選擇了合適用量的鹽酸、硝酸和氫氟酸為消解酸。

另外，降低變形溫度和提高應變速率均使試驗材料的流動應力大幅度升高。這是因為應變速率增加會使得合金內部位錯增殖速度增加，位錯運動阻力增大，動態恢復和動態再結晶引起的軟化效果相對減弱，加工硬化效果增強，因此最終導致流變應力增大。當應變速率一定時，隨變形溫度的升高，合金記憶體儲的能量增大，所需的啟用能降低，因此能夠在相對較低的流變應力和應變條件下實現動態回覆和動態再結晶。這說明GH5188合金的流動應力對變形條件十分敏感，因此合金鍛造過程中應準確合理的控制這兩個工藝引數。

2試驗結果及分析

圖1是GH5188合金在不同變形溫度和不同變形速率下熱壓縮的真應力一真應變曲線。從中可以看到，GH5188合金在不同試驗條件下的真應力一真應變曲線變化規律較為相似：在初始變形階段，由於位錯大量增殖和積累，加工硬化占主導地位，流變應力隨應變的增加急劇增大；隨變形量的不斷增加，由於位錯密度不斷增高，晶體內部儲存的能量不斷增加，當真應變超過一定值後，合金出現產生動態回覆和動態再結晶，流變應力不再隨應變數的繼續增加而發生明顯的變化，出現穩態流變特徵。

另外，降低變形溫度和提高應變速率均使試驗材料的流動應力大幅度升高。這是因為應變速率增加會使得合金內部位錯增殖速度增加，位錯運動阻力增大，動態回覆和動態再結晶引起的軟化效果相對減弱，加工硬化效果增強，因此最終導致流變應力增大。當應變速率一定時，隨變形溫度的升高，合金記憶體儲的能量增大，所需的啟用能降低，因此能夠在相對較低的流變應力和應變條件下實現動態回覆和動態再結晶。這說明GH5188合金的流動應力對變形條件十分敏感，因此合金鍛造過程中應準確合理的控制這兩個工藝引數。

3、GH5188合金本構方程

3。1本構方程的建立

金屬材料高溫變形過程一般採用本構方程來描述合金流動應力與應變速率、變形溫度之間的關係：

從式（1）中可以看到，其中並不包含應變對流動應力的影響。而多份研究結果指出，合金在實際變形過程中，高溫條件下積累的塑性應變也是一個不可忽略的重要變數。因此，在本構方程中必須引入等效應變，可以表示為：

因此，本研究將a、、A和Q等材料常數視為應變數￡的函式，透過對不同應變數下的材料常數進行迴歸擬合，建立改進的GH5188合金的本構方程。

3。2材料引數的確定

將材料引數值代入式（1），整理後得到GH5188合金的本構方程：

圖7為不同應變速率和溫度下的計算值和試驗值對比，其中實線為試驗值，虛線為計算值。可以看到兩者相對誤差較小，這說明所建立的本構方程具有良好的預測能力。

4、結論

（1）在本試驗條件下，變形溫度和應變速率對GH5188合金的流變應力影響強烈，隨變形溫度升高和變形速率的降低，相同變形程度下合金的流變應力顯著降低，並且在較低的應變下合金即可達到穩態流變狀態。

（2）建立了包含應變數因素的GH5188合金高溫變形本構方程，較好地反映了合金在熱變形過程中流變應力的變化規律。