inconel751合金材质特点及应用

1前 言

Inconel751合金是一种以Ni-Cr为基，以γ'-Ni₃(Al,Ti)为主要强化相的镍基变形高温合金，是早期发展的镍基高温合金Inconel X-750合金的改进型。与Inconel X-750合金相比，主要差别是In-conel751合金中增加了Al的含量，从而提高了合金的持久强度，可使工作温度达870℃。国外已经大量使用Inconel751合金作为排气阀材料，国内也开始对Inconel 751合金的组织性能和加工工艺开展研究。本论文通过在Gleeble-1500热模拟机上采用圆柱体高温单道次压缩试验，对Inconel 751合金流变应力进行研究，分析其高温变形时流变应力的变化规律，为生产中制定合理的热加工工艺提供理论依据。

2试验条件及方法

Inconel751合金采用真空感应炉冶炼，经锻造制成φ16mm～18mm的棒材，再加工成φ8mm×15mm试样，在Gleeble-1500热模拟机上进行压缩试验，试验用合金的化学成分见表1。压缩过程中，在圆柱体试样两端加放钽片，以减少摩擦对应力状态的影响。试验温度为：980℃、1030℃、1080℃、1100℃、1130℃、1150℃、1180℃、1200℃,变形速率为：0.005s⁻1、0.01s-1、0.05s-1、0.1s-1、

1.0s-1、10.0s-1、20.0s⁻1,应变量为1.0。热模拟试验的升温速率为10℃/s,保温时间为5min,变形完成后立即对试样水淬。

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3试验结果与分析

3.1 真应力-真应变曲线

整理Gleeble-1500高温压缩试验所得数据，采用Origin6.0软件做出相同温度、不同应变速率，相同应变速率、不同温度下的真应力-真应变曲线，平滑后得图1和图2,其中σt为真应力，单位为MPa,εt为真应变。

3.1.1 变形温度的影啊

Inconel 751合金在不同变形温度、同一应变速率下的真应力-真应变曲线(见图1),可以看出，热压缩变形过程中发生了明显的动态再结晶[2],在同一变形条件下，随着变形的增加产生加工硬化，这是由于随着变形量增大，位错不断增殖，位错间的交互作用又增大了位错运动的阻力，从而呈现加工硬化现象。超过某一形变量后，变形储存能成为再结晶的驱动力，再结晶可以消除或改变原来的变形织构，发生动态再结晶软化，当软化速率与硬化速率平衡时，流变应力达到最大值；随后随着动态再结晶的进行，软化速率大于硬化速率，应力逐渐下降；当发生完全动态再结晶后，其晶粒组织和流变应力不随变形量变化，进入稳态变形阶段。当应变速率相同时，变形温度越高，合金的流变应力越低，这是由于随着温度升高，滑移系的临界切应力下降，合金的变形抗力降低。

3.1.2 变形速率的影响

在同一温度下，不同变形速率的真应力-真应变曲线如图2所示。

从图2可以看出，Inconel 751合金热压缩变形时，同一变形温度下，应变速率越低，相同变形量、所对应的真应力越小。再结晶由形核、长大过程组成，形核是个热激活过程，在低应变速率条件下，变形组织有较长的时间形核长大，核心形成的几率增加，因而再结晶更容易进行，流变应力更小。从图2可以明显看出，同一变形温度下，变形速率越低，峰值应力所对应的应变越小，这是由于变形速率较低时，再结晶形核的时间较长，形核量数量多，所以再结晶软化的作用强于加工硬化的作用。

3.2热变形流变应力方程

热变形过程中，材料的高温流变应力σ主要取决于变形温度T和应变速率ε。Zener和Hollomon在1944年提出并试验σ-ε证实了确定钢在高速拉伸试验条件下流变应力的一种方法，提出Z参数的概念[3]。其物理意义是温度补偿的变形速率因子，依赖于T,而与σ无关；Q是热变形激活能，它反映材料热变形的难易程度，也是材料在热变形过程中重要的力学性能参数。如果知道函数关系Z=f(σ),或者更确切地说，已知与试验结果相符的经验公式Z=f(σ),便可以测定与σ无关的热变形激活能。该方法有自调节功能，即材料常数的近似值已包含在Z=f(σ)式中，由该公式确定的Q值又反过来进一步精确材料常数值[4]。

研究表明，热加工参数Z可由以下两种形式表示[5]:

其中e为应变速率，Q为表观形变激活能，与应力几乎无关，R为气体常数，T为变形温度，a,为峰值应力，k、β为常数，n为应力指数。式(1)适用于热变形时应力较大的情况，式(2)适用于热变形时应力较小的情况，根据试验结果，对于In-conel751合金选用式(1)。

将式(1)两边取对数可得

由最小二乘法原理，可以推出b、b₂必须满足下面的方程组[6]:

Inconel751合金高温压缩变形试验得到不同温度和变形速率下的峰值应力如图3所示。

将图3数据代入到上述模型中，使用Origin6.0软件进行计算和分析，可以解得：

a=-691.2956

b₁=31.3415

b₂=1.236832×106

经转换计算可得

β=0.0319,k=3.7946×109

变形激活能

Q=328.10kJ/mol

代入数据计算可得：R相关=0.9671,故所得回归方程比较理想。

将回归所得参数代回式(1),可以得到Z参数的表达式为

Z=εexp(39463.01/T) (7)

Z=3.7946×10⁹exp(0.0319σ,) (8)

将结果代入式(5)得到Inconel751合金热压缩变形时的流变应力方程为

σp=31.3415Inε+1.236832×10⁶·(1/T)—691.30 （9）

根据式(9),同一变形温度，变形速率越高，峰值应力越大；同一变形速率，温度越高，峰值应力越小，这与本试验所得数据和曲线一致。

4结 论

1) Inconel751合金在变形温度为980℃～1200℃、应变速率为0.005s-1～20.0s⁻¹时，发生了明显的动态再结晶。在不同变形条件下，应变速率保持不变时，变形温度越高，稳态变形阶段的流变应力越低，发生动态再结晶的临界变形量越小；变形温度保持不变时，应变速率越低，稳态变形阶段的流变应力也越低，发生动态再结晶的临界变形量越小。

2)用Zener-Hollomon参数的双曲对数函数形式能较好的描述Inconel751合金高温变形时的流变应力方程，获得的Inconel751合金Z参数和应力的表达式分别为Z=εexp(39463.01/T)Z=3.7946×10⁹exp(0.0319σ,)a=31.3415lnε+1.236832×10⁶·(1/T)-691.30。

3)Inconel 751合金热变形激活能：Q=328.10kJ/mol。