摘要
楔横轧工艺中常见的心部缺陷问题限制了该工艺在航空航天领域的发展。针对此问题，以GH4169合金楔横轧件为实验对象，采用OM、SEM对轧件的微观组织进行表征，并在轧制前预析出不同含量的δ相，探讨δ相含量对心部缺陷形成的影响。同时，借助有限元数值模拟软件对楔横轧过程中轧件的金属流动、应力、应变等演化规律进行分析。结果表明：楔横轧成形过程中预析出的短小片层状δ相会发生球化行为，转变成短棒状和颗粒状δ相。其中，完全球化的δ相对轧件心部缺陷无明显影响，而未完全球化的片层状δ相在楔横轧过程中因为轴向拉应力和周向剪切应力的共同作用易成为心部裂纹源，导致轧件心部出现缺陷。此外，在分析金属流动规律时发现，轧件心部的金属在径向有异常流动的趋势，且存在异常流动临界半径。
Abstract
The common issue of internal defects in cross wedge rolling process limits the development in the field of aerospace. To address this problem, cross wedge rolled GH4169 alloy products were selected as the experimental subjects. The microstructure of cross wedge rolled GH4169 alloy parts was characterized by metallographic microscope and scanning electron microscope. And the effect of δ phase on the formation of internal defect was studied by precipitating different content of δ phase before rolling. At the same time, the evolution laws of metal flow, stress and strain during cross wedge rolling process were analyzed by finite element simulation. The results show that the pre-precipitated plate-like δ phase undergoes spheroidization, transforming into short rod-like and spherical δ phase. The fully spheroidization δ phase has no obvious effect on the internal defects of rolled parts. In contrast, the partially spheroidized layered δ phase is prone to becoming a the internal crack source due to the combined effects of axial tensile stress and circumferential shear stress during the cross wedge rolling processes, resulting in the internal defects. In addition, the analysis of metal flow patterns revealed an anomalous radial flow direction in the internal metal, along with the existence of a critical radius for this abnormal flow.
Keywords
楔横轧是一种高效、近净成形的塑性加工技术，已在黑色金属轴类件制坯中得到广泛应用[1-3]。楔横轧成形过程中，轧件易出现心部缺陷[4]、表面螺旋痕和端部凹心等问题[5]。心部缺陷由于难以观察且在轧件服役过程中易产生应力集中，降低轧件的力学性能、疲劳性能和使用寿命等，限制了楔横轧成形技术在以高温合金、钛合金、高强铝合金等难变形材料为主导的航空航天领域的应用[6-8]。目前，关于楔横轧心部缺陷形成机理的认识尚未统一[9-11]，对其研究主要集中在三维有限元数值模拟（应力分析）[9，12]和组织表征（夹杂物或界面）[7，11-12]方面。
有限元数值模拟是目前研究楔横轧心部缺陷形成机理最主要的方法。Shi等[7]认为TC11双相钛合金楔横轧过程中两相界面易导致缺陷的形成与扩展。Zhou等[11]认为非金属夹杂物的数量与尺寸对缺陷的影响大于相组成和晶粒尺寸等。Huo等[12]建立了耦合组织和损伤的多尺度本构模型，组织表征结果表明缺陷是由夹杂物（TiN）和晶界解离引起的。Silva等[13]研究了DIN38MnSiVS5钢楔横轧成形过程中损伤演化规律，认为合金中高锰硫化物等夹渣是心部缺陷形成的重要原因。此外，适用于楔横轧心部缺陷的一系列损伤模型得到创新与发展[12，14-16]。
目前国内外关于镍基变形高温合金楔横轧成形的报道不多，且多数研究集中于组织演化规律。甘洪岩等[17-18]对GH4169合金楔横轧过程中的动态再结晶机制、织构演化规律等进行了研究；张宁等[19-21]采用有限元数值模拟分析了不同楔横轧工艺条件下GH4169合金平均晶粒尺寸及微观组织演化规律。Xia等[22]结合正交试验和组织演化模型进一步对工艺参数（温度、截面收缩率、成形角和展宽角）进行优化。近期，出现了有关 GH4169合金心部缺陷研究的报道。Li等[8]建立了考虑应力三轴度和心部缺陷对温度和应变速率敏感性的损伤模型，认为碳化物是缺陷的形核源。δ相作为GH4169合金的重要强化相之一，其含量、形貌及分布情况对GH4169合金的成形性能及使用性能均有较大影响。Chen等[23]通过对GH4169合金锻件多道次热成形的研究，揭示了δ相与动态再结晶的相互作用机制。Li等[24]研究了δ相对GH4169合金蠕变性能的影响，析出δ相含量越多，其蠕变性能越低。当前涉及GH4169合金楔横轧心部缺陷的研究主要以优化工艺为主，缺少δ相对心部缺陷形成理论研究。
本研究以GH4169为实验材料，δ相含量为实验变量，开展楔横轧实验。采用金相显微镜、扫描电镜对楔横轧件的微观组织进行表征，结合有限元数值模拟研究GH4169合金楔横轧过程中的金属流动、应力、应变演化规律，揭示δ相对GH4169合金楔横轧件心部缺陷形成的影响。本研究能够为实现无缺陷的GH4169合金航空零件楔横轧工艺优化提供理论依据。
1 实验
实验材料为商用优质GH4169合金圆柱棒，化学成分如表1所示。实验前先将试样在电阻炉中进行均匀化固溶处理，消除原始合金棒料残余应力、偏析和初始组织中的第二相对研究结果的影响。将固溶处理后的试样进行不同的δ相时效处理，热处理工艺如表2所示。楔横轧实验在自主研发的板式楔横轧机上进行。轧制前试样在电阻炉中加热至1 000℃，保温30 min，轧制后的试样水冷至室温，以保持高温变形组织。楔横轧工艺参数如表3所示。楔横轧设备及GH4169合金楔横轧零件的尺寸图及成品零件如图1所示。
表1实验用GH4169合金化学成分（质量分数/%）
Table1Chemical compositions of GH4169 alloy used in experiments (wt. %)
表2热处理工艺参数
Table2Process parameters during heat treatment
表3主要楔横轧参数
Table3Main process parameters during cross-wedge rolling
将楔横轧试样沿轴向剖开，经机械抛光和化学腐蚀后，用Axiat倒置金相显微镜观察轧件的微观组织，腐蚀液为HCl+H2O2（体积比1 ∶1）。采用SmartLab-X射线衍射（XRD）仪定量测量δ相含量。使用ZEISS Gemini SEM 460场发射扫描电镜观测δ相和缺陷形貌。
2 有限元模拟
采用有限元软件DEFORM-3D对GH4169合金楔横轧过程进行数值分析，获得楔横轧成形过程中金属流动以及应力、应变演化规律。有限元模型如图2所示，有限元模拟中的工艺参数设定如表4所示。楔横轧模拟参数设定参考文献[8]，其中，摩擦系数定义为剪切摩擦，数值为0.9，坯料与模具之间换热系数为25 000 W/（m2 ·K），坯料与环境之间对流换热系数为20 W/（m2 ·K），力能转换系数为 0.9，热辐射系数为0.7。网格划分数量为50 000。
图1楔横轧机和GH4169合金楔横轧件：（a）楔横轧机；（b）零件尺寸图（单位：mm）；（c）成品零件
Fig.1Cross wedge rolling mill and CH4169 alloy rolled workpiece: (a) CWR mill; (b) part drawing; (c) rolled parts
图2有限元模型
Fig.2Finite element model
表4模拟中主要工艺参数设定
Table4Main process parameters during the simulation
3 结果与讨论
3.1 不同热处理状态下的微观组织
为研究δ相对楔横轧成形的影响，采用表2所示的热处理工艺进行δ相预析出热处理，获得GH4169合金微观组织如图3所示。
图3GH4169合金初始微观组织：（a）固溶态；（b）δ相析出态（8 h）；（c）δ相析出态（24 h）
Fig.3Initial microstructure of GH4169 alloy: (a) solid solution; (b) δ phase precipitation (8 h) ; (c) δ phase precipitation (24 h)
由图3可知，经时效处理后，在合金的晶界、孪晶界和基体γ相晶内均有δ相析出，但晶内析出δ相形貌不同。时效8 h后，晶界、孪晶界析出δ相形貌为短小片层状，晶内析出的δ相形貌为短小颗粒状。时效24 h后，基体γ相晶内析出的δ相形貌为长片层状，且数量较多。这是由于GH4169合金中δ相（Ni3Nb）是Nb元素的稳定相，且与基体为非共格关系，在热处理过程中Nb向晶界扩散并聚集，δ相在晶内形核析出较在晶界和孪晶界析出所需能量大，时效过程中δ相优先在晶界和孪晶界处形核析出。采用定量X射线衍射技术测定经不同热处理后合金的XRD曲线，如图4所示，从图中可以看出，存在δ相、γ相及碳化物NbC的衍射峰，计算热处理后合金中各相含量[25]，其中，时效8和24 h获得的δ相含量分别为3.18%和8.29%。
图4时效处理后XRD谱图
Fig.4XRD pattens after aging treatment: (a) 8 h; (b) 24 h
3.2 GH4169楔横轧件的微观组织
图5为GH4169合金楔横轧件心部微观组织观测结果。从图5中可以看出，固溶态GH4169合金楔横轧件微观组织为等轴晶组织；初始δ相形貌为短小片层状的GH4169合金（δ相含量3.18%）楔横轧件中的δ相断裂溶解为短棒状/颗粒状，弥散分布在晶界处，获得细小等轴晶组织；初始δ相形貌为长片层状的GH4169合金（δ相含量8.29%）楔横轧件中的δ相发生了明显的变形，δ相形貌仍以片层状为主，少量δ相断裂溶解为短棒状/颗粒状。这是由于楔横轧成形过程由轧件表层向心部逐渐扩展，随着初始δ相含量增加，GH4169合金的变形抗力增加，初始δ相为长片层状的GH4169合金楔横轧成形无法完全轧透，轧件心部δ相仍以片层状为主。
3.3 δ相对GH4169楔横轧件心部缺陷的影响
δ相为硬质相，可成为GH4169合金变形过程中裂纹萌生和扩展的通道[26-27]。为进一步分析δ相对GH4169合金楔横轧件心部缺陷的影响，对轧件进行SEM表征。从图6所示GH4169合金楔横轧件心部SEM图可以看出，初始δ相含量3.18%的GH4169合金，楔横轧成形后δ相完全球化，轧件心部未发现孔洞或裂纹缺陷，这是由于初始短片层状δ相完全球化，促进了动态再结晶的发生，降低了合金缺口敏感性；初始δ相含量 8.29%的GH4169合金，δ相的附近出现孔洞和裂纹。这是由于初始长片层状δ相楔横轧成形后仍以片层状为主，在楔横轧复杂的应力状态下成为裂纹萌生和扩展通道，促进了心部裂纹和孔洞生成。
图5GH4169合金楔横轧件微观组织：（a）固溶态；（b）δ相析出态（8 h）；（c）δ相析出态（24 h）
Fig.5Microstructure of GH4169 alloy cross wedge rolled workpiece: (a) solid solution; (b) δ phase precipitation (8 h) ; (c) δ phase precipitation (24 h)
3.4 楔横轧对金属流动行为的影响
由文献[4]报道的楔横轧件缺陷形貌特征可以发现轧件心部缺陷产生与金属流动密切相关，为此对GH4169合金楔横轧成形进行有限元数值计算，沿坯料横截面径向选取4个追踪点，追踪点之间等距，其中，D点位于坯料中心位置。图7为 GH4169合金轧件径向各点金属流动规律。从图7中可以看出，轧件金属流动由轧件表层逐渐向轧件心部扩展，轨迹为空间不规则螺旋曲线，随着轧制过程的进行，距轧件心部距离越近，金属轴向流动距离越大。这是由楔横轧特殊的非线性塑性成形特征决定的。
图6GH4169合金楔横轧件（a）8 h和（b）24 h δ相析出态SEM图
Fig.6δ phase precipitation SEM of GH4169 alloy cross wedge rolled workpiece： (a) 8 h; (b) 24 h
图7楔横轧件径向各点金属流动规律：（a）跟踪点（单位：mm）；（b）金属流动
Fig.7Metal flow patterns at each radial points of cross wedge rolling: (a) tracking point; (b) flow path of track points
为研究心部金属流动趋势，以轧件中心D为起点沿径向每隔0.1 mm取一点，将有限元数值模拟获得的楔横轧件径向各点坐标进行后处理，通过线性拟合获得不同轧制温度、轧制速度下的金属流动规律，如图8所示。从图8可以看出，随着距轧件心部距离的增加，轧件心部金属沿径向流动的距离由正值逐渐变为负值，最大值出现在轧件中心，径向流动距离约为0.15~0.20 mm，轧件金属沿径向流动距离为正，说明心部金属有向表层流动的趋势。将金属径向移动距离为零的位置定义为金属异常流动临界半径。可以看出，随着轧制温度的升高，金属异常流动临界半径先增大后减小；随着轧制速度的增加，金属异常流动临界半径逐渐减小。由于楔横轧件为回转轴对称结构，成形过程由轧件表层逐渐向轧件心部扩展，心部金属沿轧件径向发生异常流动导致轧件心部受到径向拉应力，促进了心部裂纹、微孔洞等缺陷的产生。
图8楔横轧过程中的金属流动规律：（a）温度；（b）速度
Fig.8Metal flow patterns during cross wedge rolling: (a) temperature; (b) speed
3.5 楔横轧成形过程中应力、应变演化规律
楔横轧件金属流动规律是由轧件受力状态决定的。楔横轧过程中轧件发生径向压缩、轴向拉伸和周向剪切3种变形方式导致轧件内部各点存在着复杂的应力、应变状态演化行为，轧件不同位置在轧制的不同时刻受力状态存在明显区别。图9和图10分别为轧件表层和心部的X、Y、Z方向以及XY面、YZ面、ZX面的应力、应变状态。从图9可以看出，轧件表层的X、Y、Z方向以及XY、YZ、ZX面内的应力呈周期性变化，X、Y、Z轴向应力变化幅度明显高于XY面、YZ面、ZX面的应力变化幅度；而轧件心部X、Y轴方向为拉应力状态，Z向和YZ面内为压应力状态，XY和ZX面内应力变化很小。从图10中可以看出，轧件表层和心部εxx随着变形的进行而不断增加，为拉应变；εzx和εxy呈现正负周期性变化，且振幅随着轧制过程的进行不断减小，以拉应变为主；而εyy、εzz和εyz呈现负周期性变化，振幅随着轧制过程的进行不断增大，以压应变为主；轧件心部的εzz、εyz和εyy随着轧制过程的进行压应变逐渐增加，εzx和εxy随着轧制过程变化平稳。由上述分析可知，楔横轧过程中轧件变形由表层向心部扩展，心部塑性变形明显滞后于表层，轧件表层与心部金属变形的不均匀程度不断加剧。
坯料中原始晶粒取向不同，变形过程中晶粒向有利于金属发生塑性变形的取向旋转，取向旋转的不同步性会引起变形不均匀和局部受力不均匀。由于δ相、MC碳化物与基体的变形不协调性，MC碳化物、δ相阻碍位错运动，位错在碳化物和δ相处聚集，产生应力集中，当超过材料许用应力时发生开裂，成为裂纹萌生源头。当各晶粒间或基体与第二相间变形不协调，合金变形应力、应变分布不连续，轧件心部受到轴向拉应力及剪切应力的作用更明显，在轴向拉应力和周向剪切应力共同作用下易导致在第二相与基体的界面处出现裂纹、微孔洞等缺陷。
图9轧件表层（a）和心部（b）的应力变化曲线
Fig.9Stress variation curves for the (a) surface and (b) center of rolled workpiece
图10轧件表层（a）和心部（b）的应变变化曲线
Fig.10Strain variation curves for the (a) surface and (b) center of rolled workpiece
4 结论
通过对预析出不同含量、形貌δ相的GH4169合金楔横轧件微观组织及楔横轧成形过程中金属流动及应力应变演化规律的分析，探讨了δ相对GH4169合金楔横轧件心部缺陷的影响，获得以下结论。
1）预析出长片层状δ相在GH4169合金楔横轧成形过程中未完全球化，易导致心部出现微裂纹。
2）GH4169合金楔横轧成形过程中金属流动轨迹为螺旋曲线，距离轧件心部越近螺旋曲线的螺距越大。
3）轧件心部金属径向异常流动的趋势是导致心部疏松的重要原因，且异常流动存在临界半径。
4）固溶态或预析出短小颗粒状δ相的GH4169合金楔横轧成形有利于获得无心部缺陷零件。
