镍基高温合金高温变形行为及变形机理研究

论文摘要

高合金化镍基变形高温合金具有良好的高温强度、抗氧化性、抗腐蚀性能、抗疲劳性能、断裂韧性、塑性等综合性能,且在较高温度下具有良好的组织稳定性及可靠性。因此,镍基高温合金广泛应用于火箭涡轮盘、飞机发动机的高温转动部件。本文在国家重点基础研究发展计划“973”项目“高温合金材料设计与制备的基础研究”的支持下,与北京钢铁研究总院共同对“高合金化高温合金塑性加工过程中的组织演变机理”进行研究,取得了如下的研究结果：（1）通过高温压缩模型实验研究GH79合金、U720Li合金、GH4742合金在温度为900～1150℃,应变速率为5×10-4～10s-1范围内的高温变形行为。结果表明：①上述三种合金在不同变形工艺条件下的应变速率敏感性指数m值、变形激活能Q值分别为0.072～0.254、341.57～2290.91 KJ/mol。当变形温度为1100℃时,合金的m值达到最大值、Q值达到最小值。②通过多元线性回归的方法得到三种合金的高温变形本构方程。（2）GH79合金、U720Li合金、GH4742合金在高温变形过程中,随着变形量的增大,晶粒尺寸逐渐减小。当变形温度在1050～1100℃范围内容易发生动态再结晶效应,形成细小等轴状晶粒。当变形温度为1100℃～1150℃时,合金在变形过程发生了MC+γ→ M23C6+γ’和MC+γ→ M6C+γ’的相变反应。同时,对三种合金的晶粒指数p值进行计算可以得出,晶粒指数p值均随着变形温度的升高呈现出先增大后减小的趋势,且在温度为1100℃时达到峰值。当温度为1050℃、1100℃时,p值接近2.0,此时合金具有较好的高温成形性能。（3）通过对GEGEL、MALAS、PRASAD、MURTY、SEMIATIN五种不同失稳判据的理论基础及适用范围的分析,并应用BP人工神经网络技术分别绘制GH79合金、U720Li合金、GH4742合金不同失稳判据下的动态DMM热加工图。准确预报了合金在高温变形过程中的适合加工区及流变失稳区,从而优化了合金的热加工工艺参数。在此基础上,通过对不同变形条件下的金相显微组织进行分析可以得出三种合金不同变形区域的变形机理。（4）分别建立GH79合金、U720Li合金、GH4742合金高温变形过程中的动态再结晶临界应变模型、动态再结晶动力学模型、动态再结晶晶粒尺寸模型。并对三种合金变形过程中发生动态再结晶典型区域的动态再结晶机制进行分析。结果如下：GH79、GH4742合金随着变形温度的升高,动态再结晶机制分别为：孪生动态再结晶（TDRX）、连续动态再结晶（DRX）、不连续动态再结晶（DDRX）。U720Li合金随着温度的升高,动态再结晶机制分别为：孪生动态再结晶（TDRX）、孪生动态再结晶（TDRX）和连续动态再结晶（DRX）共同作用、不连续动态再结晶（DDRX）。（5）通过对A、L-M、R-W-S、含位错数量的R-W-S变形机理图这四种变形机理图理论的分析与比较,绘制出变形温度在900～1150℃范围内的含位错数量的R-W-S变形机理图。运用上述变形机理图对GH79合金、U720Li合金、GH4742合金高温变形过程的变形机理进行了预报,得到了不同变形条件下三种合金在高温变形过程中的变形机理。通过与变形过程中的显微组织观察以及高温力学行为对比可以得出,变形机理图预报的结果真实、准确。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 变形高温合金的发展
• 1.1.1 国外变形高温合金的发展历程
• 1.1.2 国内变形高温合金的发展历程
• 1.1.3 高合金化高温合金的发展趋势及特点
• 1.2 镍基高温合金的应用
• 1.2.1 镍基高温合金在航空航天领域的应用
• 1.2.2 镍基高温合金在电力工业领域的应用
• 1.2.3 镍基高温合金在核电领域的应用
• 1.2.4 镍基高温合金在石油开采领域的应用
• 1.3 高温合金的热变形行为
• 1.3.1 应力-应变曲线
• 1.3.2 高温变形本构方程
• 1.3.3 高温变形行为
• 1.3.4 热加工图
• 1.3.5 变形机理图
• 1.4 高温变形过程中的动态回复与动态再结晶
• 1.4.1 动态回复
• 1.4.2 动态再结晶
• 1.4.3 动态回复与动态再结晶的关系
• 1.5 研究合金简介
• 1.5.1 GH79合金
• 1.5.2 U720Li合金
• 1.5.3 GH4742合金
• 1.6 本课题的研究背景及研究内容
• 1.6.1 研究背景
• 1.6.2 研究内容
• 本章参考文献
• 第二章 实验材料及方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验设备及其原理
• 2.2.2 实验材料制备
• 2.2.3 实验工艺参数
• 2.3 材料组织结构分析
• 2.3.1 光学显微镜（OM）分析
• 2.3.2 透射电子显微镜（TEM）分析
• 2.3.3 同步热分析
• 第三章 镍基高温合金高温变形行为及本构关系
• 3.1 GH79合金高温变形行为特征及本构方程
• 3.1.1 GH79合金应力-应变曲线
• 3.1.2 GH79合金应变速率敏感性指数
• 3.1.3 GH79合金高温变形激活能
• 3.1.4 GH79合金本构关系模型
• 3.2 U720Li合金高温变形行为特征及本构方程
• 3.2.1 U720Li合金应力-应变曲线
• 3.2.2 U720Li合金应变速率敏感性指数
• 3.2.3 U720Li合金高温变形激活能
• 3.2.4 U720Li合金本构关系模型
• 3.3 GH4742合金高温变形行为特征及本构方程
• 3.3.1 GH4742合金应力-应变曲线
• 3.3.2 GH4742合金应变速率敏感性指数
• 3.3.3 GH4742合金高温变形激活能
• 3.3.4 GH4742合金本构关系模型
• 3.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 镍基高温合金高温变形过程中的组织演变
• 4.1 GH79合金高温变形过程中的组织演变
• 4.1.1 GH79合金原始组织
• 4.1.2 变形温度对GH79合金组织的影响
• 4.1.3 应变速率对GH79合金组织的影响
• 4.1.4 变形量对GH79合金组织的影响
• 4.1.5 GH79合金高温变形行过程中相转变
• 4.1.6 GH79合金晶粒度指数分析
• 4.2 U720Li合金高温变形过程中的微观组织演变
• 4.2.1 U720Li合金原始组织
• 4.2.2 变形温度对U720Li合金组织的影响
• 4.2.3 应变速率对U720Li合金组织的影响
• 4.2.4 变形量对U720Li合金组织的影响
• 4.2.5 U720Li合金高温变形过程中的相转变
• 4.2.6 U720Li合金晶粒度指数分析
• 4.3 GH4742合金高温变形过程中的微观组织演变
• 4.3.1 GH4742合金原始组织
• 4.3.2 变形温度对GH4742合金组织的影响
• 4.3.3 应变速率对GH4742合金组织的影响
• 4.3.4 变形量对GH4742合金组织的影响
• 4.3.5 GH4742合金晶粒度指数分析
• 4.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 镍基高温合金高温变形过程中的热加工图研究
• 5.1 热加工图的理论基础
• 5.1.1 热加工图的物理模型
• 5.1.2 热加工图塑性失稳准则
• 5.1.3 热加工图不同失稳判据的理论分析与比较
• 5.1.4 热加工图的构建方法
• 5.1.5 加工图理论与应用存在的问题
• 5.2 镍基高温合金高温变形过程中的热加工图研究
• 5.2.1 GH79合金热加工图分析
• 5.2.2 U720Li合金热加工图分析
• 5.2.3 GH4742合金热加工图分析
• 5.3 运用BP人工神经网络绘制热加工图
• 5.3.1 人工神经网络的概述
• 5.3.2 BP人工神经网络模型的构建
• 5.3.3 结果分析与讨论
• 5.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 镍基高温合金高温变形过程中的动态再结晶研究
• 6.1 镍基高温合金动态再结晶临界应变模型
• 6.1.1 动态再结晶临界应变模型的构建方法
• 6.1.2 动态再结晶临界应变模型的应用
• 6.2 镍基高温合金动态再结晶动力学模型
• 6.2.1 动态再结晶动力学模型的构建方法
• 6.2.2 动态再结晶动力学模型的应用
• 6.3 镍基高温合金动态再结晶晶粒尺寸模型
• 6.3.1 动态再结晶晶粒尺寸模型的构建方法
• 6.3.2 动态再结晶晶粒尺寸模型的应用
• 6.4 镍基高温合金动态再结晶机制分析
• 6.4.1 GH79合金不同变形条件下的动态再结晶机制
• 6.4.2 U720Li合金不同变形条件下的动态再结晶机制
• 6.4.3 GH4742合金不同变形条件下的动态再结晶机制
• 6.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 镍基高温合金高温变形过程中的变形机理图研究
• 7.1 变形机理图的理论基础
• 7.1.1 变形机理图中流变应力模型的理论基础
• 7.1.2 变形机理图的种类
• 7.1.3 几种不同变形机理图的理论分析与比较
• 7.2 变形机理图的构建方法
• 7.3 包含位错数量的变形机理图的应用
• 7.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第八章 结论
• 附表
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 作者简介