CN107326314B - 一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法，该方法包括以下步骤：(1)在设计的变形工艺参数条件下，进行含铌镍基合金的高温压缩变形试验，获得含铌镍基合金的真应力–真应变；(2)观察变形后的含铌镍基合金的微观组织，统计各变形工艺参数条件下含铌镍基合金中δ相的剩余含量；(3)建立含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的预测模型；(4)预测含铌镍基合金高温变形过程中δ相动态溶解体积分数。本发明方法可以快速地准确预测高温变形过程中含铌镍基合金的δ相动态溶解体积分数，为含铌镍基合金模锻工艺的制定提供了技术支持。

Description

一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法

技术领域：

本发明涉及一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法，属于铌镍基合金加工工程技术领域。

背景技术：

目前，对含铌镍基合金δ相溶解行为的相关研究多集中在材料无外力作用状态下的静态溶解行为，较少涉及变形过程中δ相的动态溶解行为。δ相的静态溶解过程主要可以分为：(1)δ相的分解；(2)溶质原子由δ相一侧向基体一侧的短程扩散；(3)溶质原子在基体中的长程扩散。通常，δ相的静态溶解过程耗时较长，动力学进展缓慢。在高温变形过程中，垂直于压缩方向的δ相由于受拉应力作用，存在显著的拉伸断裂现象。沿压缩方向分布的δ相，为了协调变形，出现弯曲，扭断现象明显，并且随着变形程度的增加，δ相快速溶解。相对于静态溶解过程，δ相动态溶解过程发展较快。一方面，由于变形导致δ相发生断裂，并且随着变形量的增加，基体的流动会在δ相表面产生摩擦力，进一步迫使裂纹扩展，显著提高了δ相的分解速率。另一方面，由于δ相长度尺寸可以达到几十微米，与基体非共格，存在大量的空位和错配位错，在变形过程中，空位使溶质原子更容易移动，位错运动难以切过或者绕过δ相，堆积在δ相附近形成高密度的位错网，并与晶界共同为δ相的溶解扩散提供了高扩散率通道网络，提高了溶质原子短程扩散和长程扩散的速率。

在δ相静态溶解动力学建模中，通常根据不同阶段的溶解控制方式(界面反应或长程扩散)，分别采用界面反应动力学和菲克定律进行建模。该静态溶解动力学建模方法难以考虑高温变形过程中变形温度、应变速率、应变量以及初始δ相含量对δ相动态溶解体积分数的影响，无法形成对δ相动态溶解全过程的统一描述，难以指导含铌镍基合金模锻工艺的制定。

因此，本发明充分考虑了高温变形过程中变形工艺参数以及初始δ相含量对δ相动态溶解体积分数的影响，提出了一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法。该方法的发明和推广应用有助于快速地准确预测高温变形过程中含铌镍基合金的δ相动态溶解体积分数，可有效地控制含铌镍基合金中δ相的剩余含量，为含铌镍基合金模锻工艺的制定提供了技术支持。

发明内容：

由于传统的δ相静态溶解预测模型尚未考虑高温变形过程中变形温度、应变速率、应变量以及初始δ相含量对δ相动态溶解体积分数的影响，无法对δ相动态溶解全过程进行统一描述。本发明的目的在于提供一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法，为有效控制含铌镍基合金中δ相的剩余含量，以及含铌镍基合金模锻工艺的制定提供了技术支持。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法。该方法的具体步骤为：

步骤1：在设计的变形工艺参数条件下，进行含铌镍基合金的高温压缩变形试验，获得含铌镍基合金的真应力–真应变；其中，变形工艺参数是指变形温度、应变速率和变形量；

步骤2：观察变形后的含铌镍基合金的微观组织，统计各变形工艺参数条件下含铌镍基合金中δ相的剩余含量；

步骤3：建立含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的预测模型。

步骤4：预测含铌镍基合金高温变形过程中δ相的动态溶解体积分数。

2.按照上述方法，步骤3中所述的含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的预测模型可以表示为：

X_δ＝1-exp(-kεⁿ) (1)

式中，X_δ为δ相的溶解体积分数，k和n为材料参数；

材料参数(k和n)与Zener-Hollomon参数服从以下关系：

式中：a₁、a₂、m₁和m₂为材料常数，Z为Zener-Hollomon参数。

本发明充分考虑了高温变形过程中变形工艺参数以及初始δ相含量对δ相动态溶解体积分数的影响，提出了一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法，可以快速地准确预测高温变形过程中含铌镍基合金的δ相动态溶解体积分数。

本发明的有益效果为：本发明提出了一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法，解决了传统的δ相静态溶解预测模型未考虑高温变形过程中变形温度、应变速率、应变量以及初始δ相含量对δ相动态溶解体积分数的影响，无法对δ相动态溶解全过程进行统一描述的弊端。该方法的发明和推广应用有助于快速地准确预测高温变形过程中含铌镍基合金δ相动态溶解体积分数，为有效控制含铌镍基合金中δ相的剩余含量，以及含铌镍基合金模锻工艺的制定提供了技术支持。

附图说明：

图1试样不同区域的等效应变量示意图；

图2典型变形工艺参数条件下，GH4169合金δ相动态溶解动力学曲线；

图3δ相动态溶解体积分数实验值和预测值的对比。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明是一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法，下面以GH4169合金(典型含铌镍基合金)中δ相动态溶解行为的预测为例，详细介绍本发明涉及的预测方法的实施细节。本发明方法主要包括以下步骤：

步骤1：对GH4169合金进行高温压缩实验，变形温度分别为920℃、950℃、980℃、1010℃和1040℃，应变速率分别为0.001s^-1、0.01s^-1、0.1s^-1和1s^-1，应变量为1.2，获得GH4169合金的真应力–真应变；

步骤2：观察变形后的GH4169合金的微观组织，统计各变形工艺参数条件下GH4169合金中δ相的剩余含量；

选取不同初始δ相含量的GH4169合金在6组变形工艺参数条件(980℃-0.001s^-1，1010℃-0.001s^-1，1040℃-0.001s^-1，1040℃-0.01s^-1，1040℃-0.1s^-1和1040℃-1s^-1)下的试样微观组织进行观察分析，采用像素法对各试样变形后δ相的剩余含量进行统计。对每个试样取8张金相照片，利用Image-J2x软件进行测定，分别统计确定了各试样变形完成后δ相的剩余含量(V_r)。其中，δ相溶解体积分数X_δ可以通过下式进行计算：

式中，V和V_r分别为试样的初始δ相含量和变形后δ相的剩余含量。

在应变量为1.2条件下，试样不同区域的等效应变量，如图1所示。通过GH4169合金高温压缩实验有限元模拟仿真，可以获得试样不同区域的等效应变量，取三个特征等效应变区域，对应的等效应变量分别0.9，1.2和1.5。不同变形工艺参数条件下的δ相剩余含量和δ相溶解体积分数，如表1所示。

表1δ相剩余含量和δ相溶解体积分数

步骤3：建立GH4169合金中δ相动态溶解体积分数的预测模型；

GH4169合金中δ相动态溶解体积分数的预测模型可以表示为：

X_δ＝1-exp(-kεⁿ) (2)

式中，X_δ为δ相的溶解体积分数，k和n为材料参数。

材料参数(k和n)与Zener-Hollomon参数服从以下关系：

式中，a₁、a₂、m₁和m₂为材料常数，Z为Zener-Hollomon参数。

根据GH4169合金的真应力–真应变数据，不同初始δ相含量条件下GH4169合金的Zener-Hollomon参数与变形温度和应变速率之间的关系可以表示为：

式中，为应变速率(s^-1)，Q为热变形激活能(kJ·mol^-1)，T为变形温度(K)，R为气体常量(8.31J·mol^-1·K^-1)，V为初始δ相含量。

构建δ相溶解体积分数误差函数，利用MATLAB程序中Derivative-Free最小化方法，可以求得一组使误差函数最小的材料常数(a₁，a₂，m₁和m₂)的值，进一步可确定材料参数(k和n)与变形工艺参数，以及初始δ相含量之间的关系。最终，δ相动态溶解动力学模型可以总结为：

步骤4：预测GH4169合金高温变形过程中δ相的动态溶解体积分数。

根据建立的δ相动态溶解动力学模型，可以预测不同变形工艺参数和初始δ相含量条件下GH4169合金δ相动态溶解体积分数，如图2所示。为了验证本发明提出的δ相动态溶解体积分数预测方法的准确性，进行了δ相动态溶解体积分数实验值和预测值的对比，如图3所示。可以发现δ相动态溶解体积分数实验值和预测值吻合较好。表明本发明方法能够准确预测δ相动态溶解体积分数，为有效控制含铌镍基合金中δ相的剩余含量，以及含铌镍基合金模锻工艺的制定提供了技术支持。

上面结合附图对本发明的实例进行了描述，但本发明不局限于上述具体的实施方式，上述的具体实施方式仅是示例性的，不是局限性的，任何不超过本发明权利要求的发明创造，均在本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法，其特征在于：充分考虑了高温变形过程中变形工艺参数以及初始δ相含量对δ相动态溶解体积分数的影响，提出了一种预测含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的方法，可以快速地准确预测高温变形过程中含铌镍基合金的δ相动态溶解体积分数，该方法包括以下步骤：

步骤1：在设计的变形工艺参数条件下，进行含铌镍基合金的高温压缩变形试验，获得含铌镍基合金的真应力–真应变；其中，变形工艺参数是指变形温度、应变速率和应变量；

步骤2：观察变形后的含铌镍基合金的微观组织，统计各变形工艺参数条件下含铌镍基合金中δ相的剩余含量；

步骤3：建立含铌镍基合金中δ相动态溶解体积分数的预测模型，预测模型表示为X_δ＝1-exp(-kεⁿ)，其中，X_δ为δ相的溶解体积分数，ε为应变量，k和n为材料参数，材料参数k和n与Zener-Hollomon参数服从和其中，a₁、a₂、m₁和m₂为材料常数，Z为Zener-Hollomon参数；

步骤4：预测含铌镍基合金高温变形过程中δ相的动态溶解体积分数。