1、第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:江丰建聪,鲁世强,王克鲁,等.Laves 相 NbCr2/Nb 两相合金热变形工艺参数优化 J.塑性工程学报,2023,30(2):141-151.JIANG Fengjiancong,LU Shiqiang,WANG Kelu,et al.Optimization of hot deformation process parameters of Laves phase NbCr2/Nb dual-phase alloyJ.J
2、ournal of Plasticity Engineering,2023,30(2):141-151.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51964034);江西省教育厅科技计划(DA202101164)通信作者:鲁世强,男,1962 年生,博士,教授,主要从事高温结构材料及其塑性加工技术研究,E-mail:niatlusq 第一作者:江丰建聪,男,1998 年生,硕士研究生,主要从事高温结构材料研究,E-mail:sdjfjc 收稿日期:2022-04-18;修订日期:2022-10-12Laves 相 NbCr2/Nb 两相合金热变形工艺参数优化江丰建聪,鲁世强,王克鲁,邓莉萍,肖 璇(
3、南昌航空大学 航空制造工程学院,江西 南昌 330063)摘 要:采用 Gleeble-3500 热模拟试验机研究了 Laves 相 NbCr2/Nb 两相合金在变形温度为 1000 1200 和应变速率为0.0010.1 s-1条件下的热变形行为,基于动态材料模型建立了合金的功率耗散图和加工图,分析了工艺参数对功率耗散效率和失稳参数的影响,并结合微观组织获得了最优工艺参数。结果表明,降低应变速率和提高变形温度,功率耗散效率和失稳参数总体均增大。根据加工图和微观组织确定出的 Laves 相 NbCr2/Nb 两相合金的流动失稳变形工艺参数范围大致为:10001100、0.0040.1 s-1和
4、 1100 1200、0.016 0.1 s-1,对应的失稳形式为裂纹形成。适宜的热变形工艺参数范围为:10001100、0.0010.002 s-1和 1100 1200、0.001 0.01 s-1,其中最佳变形工艺参数分别为 1050、0.001 s-1和1175、0.001 s-1,对应的塑性变形机制主要为 Nb 固溶体的动态回复和 Laves 相 NbCr2的孪生。关键词:Laves 相 NbCr2/Nb 两相合金;热变形行为;工艺参数优化;加工图;微观组织中图分类号:TG142.1 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0141-11doi:10.3969/
5、j.issn.1007-2012.2023.02.017Optimization of hot deformation process parameters of Laves phase NbCr2/Nb dual-phase alloyJIANG Feng-jian-cong,LU Shi-qiang,WANG Ke-lu,DENG Li-ping,XIAO Xuan(School of Aeronautical Manufacturing Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)Abstract:The
6、hot deformation behavior of Laves phase NbCr2/Nb dual-phase alloy under the condition of deformation temperature of 1000-1200 and strain rate of 0.001-0.1 s-1 was studied using Gleeble-3500 thermal simulator.The power dissipation maps and pro-cessing maps of the alloy were established based on the d
7、ynamic material model,the influence of process parameters on power dissipation efficiency and instability parameter were analyzed,and optimum process parameters were obtained by combining with the microstructure.The results show that when the strain rate decreases and the deformation temperature inc
8、reases,both the power dissipation efficiency and instability parameter increase.The flow instability deformation process parameters of Laves phase NbCr2/Nb dual-phase alloy determined according to the processing map and microstructure are roughly as follows:1000-1100,0.004-0.1 s-1 and 1100-1200,0.01
9、6-0.1 s-1.The corresponding instability mode is the formation of cracks.The appropriate hot deformation process parameters are as follows:1000-1100,0.001-0.002 s-1 and 1100-1200,0.001-0.01 s-1,and the optimum deformation process parameters are 1050,0.001 s-1 and 1175,0.001 s-1,respectively.The corre
10、sponding plastic deformation mechanism is mainly dynamic recovery of Nb sol-id solution and twinning of Laves phase NbCr2.Key words:Laves phase NbCr2/Nb dual-phase alloy;hot deformation behavior;process parameters optimization;processing map;mi-crostructure 引言随着高推重比发动机关键构件使用温度的不断提高,高温结构材料的应用环境变得越来越苛
11、刻,对材料的熔点、高温强度、高温抗氧化性能和抗疲劳性能提出了越来越高的要求1。目前,传统镍基高温合金的工作温度已接近熔点的 80%90%(约达 1100),其使用温度进一步提高的空间已变得很小。因此,开发低密度、高性能的新型高温结构材料具有重要的理论意义及应用价值2-3。Laves 相 NbCr2的熔点高达 1770,密度仅为7.7 gcm-3,比镍基高温合金(约 8.3 gcm-3)低4-5;且 NbCr2具有优异的高温抗蠕变性和良好的高温强度,使用温度有望超过 1200,作为高温合金候选材料引起了国内外的广泛关注6-7。但Laves 相 NbCr2具有明显的室温脆性,限制了其工程应用。为了
12、改善 Laves 相 NbCr2的室温脆性,一些学者研究了合金化元素对其韧性和组织的影响规律,如张婷等8探讨了 Ti 含量对 Laves 相 NbCr2合金力学性能及耐蚀性能的影响规律,结果表明,随 Ti 含量的增加,显微硬度逐渐降低,断裂韧性逐渐增大,Ti 原子分数为 15%时,断裂韧性达 3.1 MPam1/2;但随 Ti 原子分数的增加,耐腐蚀性能有所下降。HUANG H T 等9采用第一性原理方法,通过生成焓、断裂韧性和电子结构等参数表征和评价了合金元素对 C15NbCr2断裂韧性的影响,并从电子结构角度揭示了 V、Mo 和 Ti 元素增韧 NbCr2的微观机理。DENG L P 等1
13、0研究了机械合金化+热压工艺制备的细晶 NbCr2/Cr 合金的热稳定性,结果表明,热暴露过程中,Cr 基体尺寸有一定程度的长大,而Laves 相 NbCr2尺寸无明显变化;合金在温度 8001200 下暴露50 h 仍具有较高的抗压强度、屈服强度和良好的塑性;但随热暴露时间的进一步延长,组织长大明显,屈服强度和塑性明显下降。YOSHI-DA M 等11-12研究了经过 1623 K 高温变形后,Laves 相 NbCr2及 5%V 合金化后的微观组织,发现其高温塑性变形由 Burgers 矢量为 1/2的位错的滑移和攀移所决定,含 5%V 的 NbCr2的堆垛层错能比 NbCr2高 2.2
14、倍,元素 V 可使 NbCr2相更稳定。TAKASUGI T 等13-14研究了 Cr-Nb 合金的高温变形行为,认为随变形温度的升高,可加工性显著增加,当变形温度较低时,主要为脆性断裂,或超过屈服强度后快速硬化;当变形温度较高时,屈服后可观察到稳态流动,说明合金在高温结构材料领域具有良好的应用前景。TAKEYAMA M 等15研究了 Laves相 NbCr2合金的微观组织和力学性能,发现单相NbCr2合金室温下的硬度很高,但韧性较差;而富Cr 的 NbCr2/Cr 合金的硬度随富 Cr 软相的增加而降低,即软相的引入有利于改善合金的室温脆性。一些学者对 Laves 相 NbCr2/Nb 两相
15、合金也进行了初步研究,如 QIAO Y Q 等16为减少 NbCr2/Nb合金的高温氧化,研究了硅化物涂层对高温氧化行为的影响,认为 Y 改性硅化物涂层能有效减小氧化生长速率。肖璇等17采用机械合金化与热压工艺制备出 Nb 固溶体为软第二相的 Laves 相 NbCr2/Nb 两相合金,研究了成分不同的 Cr、Nb 元素粉经 20 h机械合金化,然后经 1250 0.5 h 热压所获得的NbCr2/Nb 两 相 合 金 的 组 织 和 性 能,结 果 表 明,Laves 相含量为 29%的 Cr-77.5Nb 合金的组织均匀,晶粒尺寸达到亚微米级,实现了细晶和软第二相综合增韧的效果。邓莉萍等1
16、8研究了热暴露对 Nb-Cr2/Nb 两相合金组织及性能的影响,结果表明,热暴露过程中没有明显的物相变化;随着热暴露温度的升高和暴露时间的延长,合金的相对密度略有增加,断裂韧度逐渐下降;室温抗压强度和塑性应变随热暴露时间的延长逐渐增大,屈服强度随热暴露时间的延长先增加后降低。总体而言,目前已有研究主要集中在 Laves 相 NbCr2合金的物理冶金、力学及抗氧化性能方面,而对塑性变形工艺参数确定和优化方面的研究较少,尤其对大塑性变形而言,目前尚未检索到工艺参数优化的文献报道。基于动态材料模型(Dynamic Material Model,DMM)理论的加工图技术可以很好地描述材料在不同工艺条件下的组织演变机制,这为工艺条件的优化设计提供了参考依据19。由于基于 DMM 模型的加工图技术适用范围广,构建过程相对简单,已在生产实践中得到较为广泛的应用。如 LIN X J 等20在热模拟压缩实验的基础上,分析了 Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr-0.2Zr 合金的热变形行为,构建了真应变分别为 0.2、0.4、0.6 和 0.8 时的加工图,确定了较佳热变形工艺参数范围和失稳变形工艺
