摘要
镍基粉末冶金(PM)高温合金以其良好的热加工性、优异的热稳定性及抗疲劳性成为制造航空发动机重要部件涡轮盘的关键材料。但因涡轮盘实际工作情况复杂严峻，盘心要求高强度和良好的抗疲劳性能，盘缘则要求极佳的抗高温蠕变性与抗裂纹扩展性，优化获得双性能构件的工艺方法至关重要。本文通过对镍基PM高温合金FGH4096在不同变形工艺下进行等温变形，研究工艺参数对合金热变形行为的影响以及显微组织演变的规律。采用等温梯度变形方法实现合金从边缘到中心的晶粒度呈梯度分布，充分发挥粗、细晶组织在高、低温条件下的性能优势。在此基础上，进一步研究了梯度变形合金的变形行为、显微组织的演变以及动态再结晶(DRX)行为。主要研究内容和结论如下:(1)本文以热等静压态镍基PM高温合金FGH4096为研究对象，基于等温压缩实验，建立材料的本构关系模型，考虑变形温度及应变速率对应力的影响，进一步建立了精确的动态回复(DRV)动力学模型和动态再结晶动力学模型。结果表明:在较小应变速率的条件下，根据本构模型预测的应力值与实验值吻合度较好，其平均误差为8.42％;动态回复模型所预测的变形初期应力值与实验值平均误差为4.71％;动态再结晶模型预测的塑性变形后应力值与实验值平均误差为9.56％。基于材料变形过程中DRV和DRX发生时间不同，在应变≤0.1时使用所建立的DRV模型，应变＞0.1时使用DRX模型，建立复合本构模型，其平均误差为6.33％，与传统的本构模型相比精度提高了约25％。 (2)研究变形温度、应变速率及变形量对FGH4096合金形变后显微组织演变及再结晶行为的影响。变形温度较低时，晶粒具有较为平直的边界、尺寸差异性明显且取向随机。随着变形温度升高，晶粒逐渐趋于等轴状，平均晶粒尺寸增大，亚晶界、低角度晶界占比减少，晶粒内部连续动态再结晶(CDRX)现象明显。应变速率较小时，晶粒形状差异性明显且晶粒尺寸较大，同时晶粒取向具有明显方向性。随着应变速率的增大，晶粒细化现象明显，晶粒呈等轴状，尺寸基本一致且取向随机，新的动态再结晶晶粒主要出现在晶界处且相对较少，不连续动态再结晶(DDRX)现象明显。高的再结晶形核率与低的晶粒生长速率均有利于获得细小的等轴晶粒。应变速率较低时，随着变形量的增大，平均晶粒尺寸减小，同时晶粒尺寸分布范围也缩小。当应变速率较大时，晶粒尺寸随变形量变化的趋势与应变速率较小时相反。随着变形量增加，晶粒发生CDRX作用逐渐增强，并且随着应变速率的增大，CDRX作用增强的速率变小。 (3)研究了FGH4096合金等温梯度热变形过程中显微组织演化以及变形量对晶粒再结晶行为的影响。由于变形程度不同，平均晶粒尺寸沿径向从中心处的14 μm增大到边缘处的17 μm，再结晶体积分数从93.14％下降到76.23％。再结晶体积分数预测值与实验值之间的差异，表明动态再结晶和静态再结晶(SRX)同时发生在梯度变形样品中。当变形温度、应变速率一定，变形程度由大到小，再结晶机制由亚晶旋转的CDRX转变为晶界弓出的DDRX。
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