摘要：镍基合金作为航空发动机涡轮盘等高端构件的核心材料，其高温塑性成形质量直接取决于动态再结晶（DRX）行为，而精准的本构模型是工艺数值模拟与参数优化的关键。文章通过热压缩实验分析不同温度、应变速率下的应力-应变特性及微观组织演化规律，提取再结晶关键参数，并基于实验结果，构建了耦合动态再结晶的高温塑性本构模型，实现力学响应与组织演化的统一描述，以期为镍基高温合金成形工艺优化提供参考。

　　关键词：镍基合金；高温塑性成形；动态再结晶；本构模型；工艺参数

　　镍基合金由于拥有优异的高温力学性能和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空发动机、燃气轮机等能源装备中。在高温塑性成形中，其动态再结晶（Dynamic Re-crystallization，DRX）成为控制材料组织均匀性和力学性能的重要微观机制。应力-应变的本构关系和再结晶的演变过程较难同时反映在经验的本构模型中，这限制了其成形工艺的优化和模拟的准确程度。文章结合热压缩实验，系统分析镍基合金的高温变形特性和再结晶行为，并构建了耦合动态再结晶的高温本构模型，以期为镍基合金高温成形的精确控制和工艺优化提供工程参考。

　　1镍基合金高温成形再结晶机理

　　1.1动态再结晶的基本原理

　　动态再结晶（DRX）是镍基合金在高温塑性变形过程中，伴随变形同时发生的再结晶过程，具体原理如图1所示。

　　冷变形使合金晶粒产生加工硬化，位错大量增殖并缠结，形成胞状亚结构。当变形温度较高时，通过热激活，亚晶界迁移、合并，形成无应变的亚晶粒；部分高能亚晶界进一步弓出形核，新晶粒通过晶界迁移吞噬周围变形晶粒并长大，最终形成等轴状的再结晶晶粒，实现变形组织的动态软化［1］。在此过程中，形核与长大同时进行，变形提供的储能为再结晶提供驱动力，热激活促进原子扩散，保障晶界迁移与晶粒长大。

　　1.2镍基合金的高温变形特性

　　由于Ni基合金包含γ'相（Ni3Al）、碳化物（MC、M23C6）等强化相，高温变形显示出特殊的变形行为：高温下，位错在第二相粒子处受到阻碍，需通过热激活克服阻力，其变形行为特别依赖于温度、应变速率。

　　在较低应变速率、较高温度条件下，原子扩散好，动态再结晶可得到充分，从而细化晶粒、削弱加工硬化；在较高应变速率、较低温度条件下，位错快速增殖但却不能有效地扩散，在动态再结晶中，DAS处于抑制地位，难以获得充分的再结晶状态，易出现部分再结晶甚至是无再结晶组织，变形抗力增大和组织的均匀性变差。此外，在变形过程中“动态硬化”和“动态软化（DRX主导）”相互竞争，其平衡将直接影响合金的高温力学行为。

　　1.3本构模型的核心理论框架

　　高温塑性成形本构模型表达温度、应变、应力以及应变速率之间的定量关系是工艺数值模拟模型的核心。目前主要有如下3种类型：基于试验数据拟合构建的经验/半经验模型（如Arrhenius型本构模型），基于热激活理论，利用实验数据拟合确定应力-应变关系，数学表达式简单但难以揭示其物理意义；基于物理基础的模型（如内变量模型），引入位错密度、再结晶分数等物理变量，通过反映微观组织演变来表达构成本构模型，能揭示明确的物理过程，但其数学表达式复杂；基于机器学习模型（如神经网络模型），建立在大量试验数据基础上用于拟合试验数据中的非线性关系，适用于含参量多、耦合强的条件，但依赖数据支持。

　　对于镍基高温合金变形需要结合其DRX特点，选用或者改进模型以兼顾物理意义和拟合精度，如在Arrhenius模型基础上考虑再结晶分数等内变量，用以反映DRX对软化行为的影响。

　　2镍基合金高温成形动态再结晶表征

　　2.1样品制备与实验参数设计

　　实验样品选用了Inconel 718镍合金，按规范制作圆柱形热压缩试样，直径10mm，高度15mm，经线切割，打磨抛光去掉氧化皮和加工缺陷。

　　考虑到镍合金实际高温塑性成形时的工艺情况（如航空发动机涡轮盘成形加工），设计了多组试验参数：温度设置为950~1150℃,覆盖合金再结晶的温度段；应变速率选择0.01s-1、0.1s-1、1s-1，覆盖低速的等温锻造到高速热模锻区间；总应变在0.6~1.0之间，以确保DRX进行得比较完全［2］。

　　2.2热压缩实验方案

　　热压缩实验采用Gleeble-3800热模拟试验机进行，以准确表征镍基合金在高温塑性成形过程中的动态再结晶行为，具体如图2所示。

　　将试样放置于真空室，以10℃/s速率升温到试样试验的温度并保温5min，待试样温度达到热平衡后，以预先设定的应变速率（0.01~10s-1）对试样进行等向压缩流动变形，试验中实时监测内置应变片和力传感器记录真应力-真应变曲线，确定材料的流变变形行为和最大应力，考察动态软化及其引起再结晶的变形条件。

　　在试样压缩流动变形后迅速用水淬快速冷却试样，以便使试样中的形变显微组织特征被即时冻结，保持试样的动态再结晶形核、再结晶长大现象，以便于进一步分析显微组织特征并定量表征。每组试验至少重复3次试验，用统计学方法确定试验结果的可重复性和可靠性［3］。

　　为防止仪器系统热惯性带来的试验误差及测量系统带来的误差，在进行试验前对Gleeble装置进行试验温度标定及力传感器标定，并同时记录试验时试样环境温度及真应变速率，保证试验结果的高精度和可比性，为建立高温塑性本构方程提供可靠试验依据。

　　2.3工艺参数的影响规律

　　通过对热压缩实验后试样的显微组织观测与定量分析，得到不同工艺参数下动态再结晶行为的关键数据，如表1所示。

　　2.3.1温度影响

　　由表1数据可知，温度对DRX行为具有显著促进作用。再结晶分数随升温升高而显著增加，并伴随平均再结晶晶粒尺寸的增大。这是由于温度升高后，晶格原子振动增强，原子扩散速率加快，位错运动阻力降低，从而减小临界应变，使再结晶更易发生。在1150℃时，试样的再结晶分数高达90%，组织几乎完全再结晶，晶界呈现等轴状分布，显示出典型的完全再结晶特征。此时再结晶晶粒尺寸明显长大，说明在高温下再结晶晶粒长大速率远大于形核速率，导致晶粒趋于粗化。

　　另一方面，在较低温度（950℃)下，由于扩散系数较低，形核受限，形成了较多亚晶结构与部分再结晶区域，呈现“混晶”组织特征，表明再结晶过程受到热激活能的限制。综合分析表明，温度升高不仅能加快形核速率，还能提高晶界迁移速率，从而使动态再结晶过程由不完全再结晶向完全再结晶转变。

　　2.3.2应变速率影响

　　由表1数据可知，应变速率的变化同样对DRX行为产生显著影响。应变速率降低时，再结晶分数显著增加，但平均再结晶晶粒尺寸略有细化。例如，在1050℃时，应变速率由1s-1降低至0.01s-1，再结晶分数由40%提高至82%，晶粒由16μm增至25μm。较低应变速率为位错积累、亚晶长大及形核提供了充分的时间，促进动态再结晶的完全进行；同时较多的形核点抑制了单一晶粒的过度长大，故晶粒整体更为均匀细化。

　　当应变速率较高时，位错产生速率大于扩散与形核速率，局部应变能积累快但释放不充分，易形成部分再结晶组织。这类组织中往往存在明显的变形带与亚晶界，表现为再结晶分数降低（如1150℃、1s-1条件下仅为55%），晶粒略有细化但形核不均匀，说明此时动态再结晶受制于扩散动力不足和形核时间受限。

　　综合来看，温度与应变速率对动态再结晶的影响呈协同与制约关系：高温、低应变速率有利于促进再结晶完全进行，而低温、高应变速率条件下则易形成不完全再结晶组织。该规律揭示了材料在热变形过程中的组织演化机制，为后续工艺参数优化（如控温、控速热加工）提供理论依据与实验支撑。

　　3镍基合金高温塑性成形本构模型的构建

　　3.1动态再结晶动力学模型

　　DRX动力学模型建立在JMAK理论基础上，结合镍基合金高温塑性变形中的饱和特点形成，以描述真应变超过临界应变后的动态软化行为的再结晶分数为核心，通过拟合在不同应变速率、温度条件下的实验值确定模型参数以进行再结晶分数定量预测，并结合热激活理论将应变速率、温度等工艺参量与再结晶行为关联，建立起晶粒大小演化方程，进而进行晶粒大小随工艺条件演变规律的预测，从而指导高温塑性成形工艺优化［4］。核心表达式如式（1）：

　　XDRX=1-exp［-k(ε-εc）n］（1）

　　式中：XDRX为再结晶分数；ε为真应变；εc为临界应变；k、n为依赖温度与应变速率的模型参数，可通过实验拟合得到。

　　3.2高温塑性本构模型的构建

　　高温塑性本构模型选择Arrhenius型本构模型为基础框架，考虑DRX软化效应进行修正，核心方程为式（2）：

　　ε=A［sinh(ασ)]n·exp(-Q/（RT））（1-XRX）（2）

　　式中：ε为应变速率；σ为应力，α、n、A、Q为模型参数；η为DRX软化影响系数。通过热压缩实验数据，采用线性拟合与非线性优化相结合的方法求解模型参数：先基于不同温度下的应力-应变曲线提取峰值应力，拟合得到α、n；再计算不同温度下的激活能Q，最终确定A与η,使模型能同时反映加工硬化与DRX软化的竞争过程［5］。

　　3.3本构模型的验证结构分析

　　选取未参与建模的工艺参数组合进行热压缩实验（Inconel 718合金，应变0.8），对比模型预测的应力-应变曲线与实验曲线，并统计模型预测的再结晶分数、晶粒尺寸与实验测量值的偏差，结果如表2所示。

　　由表2可知，模型预测的应力、再结晶分数、晶粒尺寸与实验值偏差较小，平均相对误差均在5%以内，验证了本构模型在不同工艺参数下的预测准确性，可用于镍基合金高温塑性成形工艺的数值模拟与参数优化。

　　4结语

　　基于前期对镍基合金高温塑性成形动态再结晶行为的研究，提出了与实验数据相吻合的再结晶动力学模型和高温塑性本构模型。通过对热压缩实验测定的不同工艺条件下的应力应变响应、形貌及组织演变过程进行了描述，明确了应变速率、温度及临界应变对再结晶行为的作用，并建立了镍基合金高温塑性加工过程的本构模型，本构模型可较真实地描述成形工艺时镍基合金的流变行为和晶粒演变过程，为指导镍基合金的成形技术与材料塑性变形的再结晶行为提供了参考。

　参考文献

　　［1］王强，张兵，瞿宗宏，等.镍基粉末高温合金的热变形行为和微观组织演变［J］.塑性工程学报，2025，32（3）：208-218.

　　［2］葛东伟，刘科虹，张瑞锋，等.740H镍基合金不同热变形工艺下的再结晶行为［J］.锻压技术，2025，50（3）：231-242.

　　［3］王兴茂，丁雨田，毕中南，等.一种新型镍基高温合金的动态再结晶行为（英文）［J］.稀有金属材料与工程，2023，52（2）：517-526.

　　［4］王稳.GH4169镍基高温合金的热变形行为与再结晶模型［J］.机械工程材料，2020，44（9）：87-91+98.

　　［5］许罗鹏，郝梦全，熊磊，等.Waspaloy镍基合金高温流变应力及其本构模型构建［J］.科学技术与工程，2024，24（17）：7406-7413.