铸态与锻态INCONEL 783高温合金热加工行为差异及其本构模型与热加工图研究

为解决IN-783镍基高温合金热加工性能差、工艺窗口窄的问题，研究人员系统开展了铸态与锻态合金高温变形行为研究，构建了Zener-Hollomon本构方程并绘制热加工图，揭示了锻态合金具有更高热稳定性（Q=556.6 kJ/mol）和更宽安全加工区间（温度高50–70°C，应变率窗口扩大3倍），为航空发动机关键部件热加工工艺优化提供重要理论依据。

　　

随着航空发动机向高推重比、高涡轮进口温度方向发展，镍基高温合金成为关键材料。INCONEL 783（又称GH6783）作为一种低热膨胀系数、高抗氧化性的镍基高温合金，被广泛应用于航空发动机密封环、机匣等间隙控制部件。然而，该合金固有的热加工性能差、热加工窗口窄的问题，给其精密成形带来巨大挑战。特别是铸态IN-783合金存在显微组织不均匀、各向异性严重等问题，而锻态合金虽经热机械处理，但其在热变形过程中的本构行为和微观演化机制尚不明确。因此，系统研究铸态和锻态IN-783合金的高温变形行为，建立准确的本构模型和热加工图，对优化其热加工工艺、提高构件性能具有重要意义。

研究人员通过高温压缩试验，结合本构分析和热加工图构建，系统研究了铸态和锻态IN-783合金在不同温度（900–1200°C）和应变速率（0.01–2.5 s^-1）下的热变形行为。主要技术方法包括：采用Gleeble-3800热模拟试验机进行等温压缩试验；基于Zener-Hollomon方程构建本构模型，计算激活能（Q）和材料常数（n, α, A）；通过动态材料模型绘制热加工图，识别稳定区和失稳区；利用Hermite插值法处理应变速率敏感系数（m）和失稳函数（ξ）。试验材料来自国内钢铁研究院提供的铸态和锻态IN-783合金样品，化学成分符合AMS5940标准。

3.1. 压缩行为

研究表明，IN-783合金的流变应力显著依赖于温度和应变速率。铸态合金在900°C、2.5 s^-1时流变应力达541.9 MPa，而在1200°C、0.01 s^-1时降至52.2 MPa，表现出明显的热软化效应。锻态合金流变应力普遍高于铸态，尤其在低温区（如850°C、1.0 s^-1时高26.9%），但随着温度升高，差异逐渐减小。高温下（>1100°C），两种状态均呈现稳态流变特征，表明动态再结晶（DRX）趋于完全。

3.2. 不同应变下的本构方程

通过Zener-Hollomon方程拟合，得到铸态合金的本构方程为：

Z = A[sinh(ασ)]ⁿ = ε˙ exp(Q/RT)

其中n=3.933，α=0.0057852，Q=476.92 kJ/mol，A=2.9097×10¹⁷。锻态合金的激活能显著提高（Q=556.6 kJ/mol），表明其热变形阻力更大，热稳定性更强。参数lnA和Q随应变增加而非线性变化，但α和n相对稳定，证实变形机制以位错滑移为主。

3.3. 定量热加工图

基于Prasad失稳准则绘制热加工图显示，铸态合金的失稳区主要集中在低温（900–1020°C）和高应变速率（>1 s^-1）区域，而稳定区位于1020–1120°C、应变速率0.01–0.1 s^-1。锻态合金的稳定窗口更宽，推荐工艺参数为1080–1120°C、0.3–0.6 s^-1。应变水平对外部应变率窗口有显著影响：低应变（ε≤0.3）时，铸态合金宜采用0.05 s^-1；高应变（ε>0.3）时需提高至0.4 s^-1。

研究结论表明，锻态IN-783合金因显微组织均匀、动态再结晶更易触发，表现出更优的热加工性能：其激活能提高约80 kJ/mol，安全加工温度窗口拓宽50–70°C，应变速率范围扩大近3倍。本构建模和热加工图为IN-783合金的工业热加工提供了精准的工艺设计依据，显著降低试错成本，对航空发动机高温部件的控形控性制造具有重要指导意义。该研究不仅揭示了预处理历史对镍基高温合金热变形机制的深远影响，还为其他先进高温合金的工艺优化提供了可推广的方法论。