(GH5188)化学元素成分有哪些？

GH5188是一种固溶强化型钴基高温合金，具有良好的高温热强性、高温抗氧化性，是制造航空工业重要的材料之一，常用于制备航空发动机涡流板、燃烧室内壁、外壁、冷却环等高温部件[1-3]。由于高温合金在常温下塑性较低，其塑性成形加工一般在高温下进行，因此GH5188合金的高温变形特性对成形工艺的制定具有重要的指导意义。本文针对GH5188合金的高温变形行为，拟建立描述材料流动特性的本构方程，从而为其热加工工艺的制定提供理论依据。

1 试验材料及方法

1.1原材料选择

试验用原材料为φ220 mm的GH5188合金棒材化学成分见表1。

1.2 试验方法

从GH5188合金棒材切取并加工成尺寸中8 mm×12 mm的热压缩试样，在Gleeble-3500热模拟机上进行高温压缩变形试验。为了保证试样在压缩过程中处于轴向应力状态，在试样两端面涂抹高温润滑剂以减小试样与压头间的摩擦力。试样变形温度分别为1030,1070,1100和1150℃,应变速率分别为10、1、0.1和0.01s⁻¹,变形量为50%。试样加热至变形温度后保温5 min,热压缩过程中应变速率和变形温度均保持恒定。应力、应变和温度等数据由Gleeble-3500热模拟试验机自动采集。

2 试验结果及分析

图1是GH5188合金在不同变形温度和不同变形速率下热压缩的真应力-真应变曲线。从中可以看到，GH5188合金在不同试验条件下的真应力-真应变曲线变化规律较为相似：在初始变形阶段，由于位错大量增殖和积累，加工硬化占主导地位，流变应力随应变的增加急剧增大；随变形量的不断增加，由于位错密度不断增高，晶体内部存储的能量不断增加，当真应变超过一定值后，合金出现产生动态回复和动态再结晶，流变应力不再随应变量的继续增加而发生明显的变化，出现稳态流变特征。

另外，降低变形温度和提高应变速率均使试验材料的流动应力大幅度升高。这是因为应变速率增加会使得合金内部位错增殖速度增加，位错运动阻力增大，动态回复和动态再结晶引起的软化效果相对减弱，加工硬化效果增强，因此最终导致流变应力增大。当应变速率一定时，随变形温度的升高，合金内存储的能量增大，所需的激活能降低，因此能够在相对较低的流变应力和应变条件下实现动态回复和动态再结晶。这说明GH5188合金的流动应力对变形条件十分敏感，因此合金锻造过程中应准确合理的控制这两个工艺参数。

3 GH5188合金本构方程

3.1本构方程的建立

金属材料高温变形过程一般采用Arrhenius型本构方程来描述合金流动应力与应变速率、变形温度之间的关系[4-8]:

εA[sinh(ασ)]"exp(-Q/RT) (1)

式中：式中：ε为应变速率(s¹);σ为流动应力(MPa);T为变形温度(绝对温度)(K);Q为变形激活能

(J·mol-1);R为普氏气体常数(R=8.314)/(mol·K);a、n、A为常数。

从式(1)中可以看到，其中并不包含应变对流ε为应变速率(s¹);σ为流动应力(MPa);T为变形温度(绝对温度)(K);Q为变形激活能(J·mol-1);R为普氏气体常数(R=8.314)/(mol·K);a、n、A为常数。

从式(1)中可以看到，其中并不包含应变对流动应力的影响。而多份研究结果指出[9-12],合金在实际变形过程中，高温条件下积累的塑性应变也是一个不可忽略的重要变量。因此，在本构方程中必须引入等效应变，可以表示为：

σ=f(ε,T)f(ε) (2)

因此，本研究将α、n、A和等材料常数视为应变量的ε函数，通过对不同应变量下的材料常数进行回归拟合，建立改进的GH5188合金的本构方程。

3.2 材料参数的确定

当ασ<0.8时，合金处于低应力水平条件下，流变应力σ和应变ε速率可以表示为指数关系：ε =A₁σn-1 (3)

式中：A₁,n₁为常数。

而αa>1.2时，合金处于高应力水平条件下，流变应力σ和应变速率ε之间接近幂指数关系：

ε=A₂exp(βσ) (4)

式中：A₂,β为常数。

a、n1和β满足如下关系：

式(3)和式(4)两边取对数后可得：

lnε =1nA₁+n₁1nα (6)

lne =1nA₂+βσ (7)

由式(6)和式(7)可知，n₁和β分别为lnε-lnσ和lnε-σ曲线的斜率。取不同真应变ε及对应流动应力σ,分别作Ine-Ing关系曲线(图2)和Inε-σ关系曲线(图3),并用最小二乘法线性回归求得所取应变量下的n和β,进而根据式(5)确定不同真应变ε下的α值。

对式(1)两边取对数，可得：

对式(8)求偏微分可得热变形激活能Q为：

上式中Inε-In[sinh()]曲线的斜率为常数n。利用求得的α值，在不同应变量ε时绘制Inε-Inσ[sinh(ασ)]曲线见图4,采用最小二乘法线性回归求出斜率n。同时，绘制的关系曲线见图5,求得斜率K。将n和k带入式(9),从而可以得到GH5188合金不同应变量下的变形激活能Q。最后将此时的变形激活能Q和n代入式(8),可以计算出对应的常数A的数值。分别以不同真应变下的Q、α、n和A为函数，真应变ε为自变量进行四次多项式回归，得到图6所示的拟合曲线，可见材料参数与真应变ε的四次多项式拟合较好。

将材料参数值代入式(1),整理后得到GH5188合金的本构方程：

InA=48.41351-108.9278×ɛ+444.60853×ɛ²-745.88369×ɛ³+458.58099×ɛ⁴α=0.00393-0.00625X+0.02095×ɛ²-0.02444×ɛ³+0.01124×ɛ⁴n=6.07253-12.48329×ɛ+42.58179×ɛ²-69.70957×ɛ³+42.6182×ɛ⁴Q=574731.75-1285860×ɛ+5183890×ɛ²-8616460×e³+5266930×ɛ⁴

图7为不同应变速率和温度下的计算值和试验值对比，其中实线为试验值，虚线为计算值。可以看到两者相对误差较小，这说明所建立的本构方程具有良好的预测能力。

4 结论

(1)在本试验条件下，变形温度和应变速率对GH5188合金的流变应力影响强烈，随变形温度升高和变形速率的降低，相同变形程度下合金的流变应力显著降低，并且在较低的应变下合金即可达到稳态流变状态。

(2)建立了包含应变量因素的GH5188合金高温变形本构方程，较好地反映了合金在热变形过程中流变应力的变化规律。