初始晶粒均匀性对GH720Li 合金等温锻造组织演变的影响规律

文／于秋颖，张敏聪，方爽，兰博，李凯，林莺莺·中国航发北京航空材料研究院

等温锻造成形具有提高材料可锻性、降低锻件成形载荷、提高材料利用率和锻件冶金质量均匀性等优点，是目前航空发动机涡轮盘的主要成形工艺。根据棒材初始晶粒组织的不均匀特点，分别针对初始均匀细晶组织和初始粗晶组织在不同锻造温度和锻造速度条件下的组织演变规律进行了分析。

涡轮盘是航空发动机的关键热端部件之一，其组织性能要求极高。GH720Li 合金是650 ～750℃长期使用的高性能涡轮盘材料，其锻件晶粒组织要求均匀细小，以满足涡轮盘性能要求。锻件最终晶粒组织主要由棒材初始晶粒组织状态、锻前加热以及等温锻造工艺参数三个因素共同决定。目前针对GH720Li 合金棒材初始晶粒组织状态的研究相对较少，而鉴于初始晶粒组织对晶粒组织控制的重要影响，急需开展相关研究。

GH720Li 合金棒材初始晶粒组织状态中，不同级别晶粒度和不均匀的晶粒组织状态对等温锻造过程晶粒组织控制的影响很大。国内外已经开展了不同级别晶粒度条件下组织演变行为研究，而棒材初始晶粒组织均匀性对后续等温锻造的影响还未见详细报道。本文以棒材不均匀的初始晶粒组织为研究对象，开展不同等温锻造温度和锻造速度条件下的组织演变规律研究，为控制棒材初始组织状态和锻件产品组织性能提供依据。

试验材料及方法

本文所用GH720Li 合金棒材是真空感应+真空自耗双联工艺冶炼的铸锭，经均匀化扩散退火和开坯工艺后获得，其化学成分见表1。图1 为GH720Li 合金棒材等温锻造试验用试样取样图。合金棒材直径为φ125mm，其心部为粗晶组织(图1 红色区域以内)，心部以外为均匀细晶组织。从合金棒材上切取φ44mm×100mm 的等温锻造用试样。

表1 GH720Li 合金化学成分(wt%)

图1 等温锻造工艺试验用试样取样示意图

等温锻造试验在液压机上进行，温度设定为1080℃、1100℃和1120℃，压机锻造速度设定为0.1mm/s、1mm/s 和10mm/s，变形量为75%。将试样加热到相应的等温锻造温度，并保温35min，然后以不同的锻造速度经两火次锻造至75%变形量，变形后空冷。将等温锻造后的试样沿着平行于压缩轴方向将试样对半剖开，然后对试样进行机械磨光，用于后续组织观察。晶粒组织浸蚀剂是5g CuCl2+100ml HCl+100ml C2H5OH，采用LEICA DMR光学金相显微镜进行晶粒观察。

初始晶粒组织

图2 为GH720Li 合金棒材初始晶粒组织。图2(a)中细晶区组织非常均匀细小，平均晶粒度细于ASTM 8 级，这主要是因为一次γ'相均匀分布于基体，钉扎晶界阻碍了晶粒长大，如图2(b)所示。图2(c)粗晶区晶粒组织分布较为不均匀，这主要与开坯过程中晶粒再结晶不充分有关，其平均晶粒度粗于ASTM 4 级。

等温锻造过程组织演变分析

1080℃等温锻造过程组织演变分析

图2 棒材初始晶粒组织

图3 GH720Li 合金在1080℃经不同速度的等温锻造后的晶粒组织

辽、金、元时期的服饰既沿袭汉人的礼服制度，又具有本民族的特色。

图3 为GH720Li 合金试样在1080℃经不同锻造速度等温锻造后的晶粒组织。其中，过渡区为等温锻造后试样由细晶区到粗晶区的过渡区域，此区域初始粗晶组织的变形程度最大，而粗晶区位置初始粗晶组织的变形程度较小，是试样的小变形区，因此，过渡区和粗晶区能够反映试样变形程度。可以看出，1080℃等温锻造时，细晶区组织不受锻造速度的影响，仍然保持细于ASTM 8 级的均匀细晶组织。随着锻造速度的增大，粗晶区中粗晶破碎和再结晶细化的程度增大，但不能获得均匀细晶组织。相比粗晶区晶粒组织，过渡区晶粒组织细化的程度明显加大，这主要与过渡区离试样中心位置较近，在等温锻造过程中变形量较大而动态再结晶较为充分有关。

图4 GH720Li 合金在1100℃经不同速度的等温锻造后的晶粒组织

1100℃等温锻造过程组织演变分析

图4 为GH720Li 合金试样在1100℃经不同锻造速度等温锻造后的晶粒组织。可以看出，1100℃等温锻造时，细晶区晶粒组织也不受锻造速度的影响，保持细于ASTM 8 级的均匀细晶组织；粗晶区和过渡区晶粒组织随着锻造速度的增大，粗晶破碎和再结晶细化的程度增大，其中过渡区晶粒细化程度更大，但仍不能获得均匀细晶组织。与1080℃等温锻造组织演变相比，1100℃时粗晶区和过渡区晶粒细化的程度加大，尤其是较大变形量的过渡区晶粒均匀细化更为明显。

1120℃等温锻造过程组织演变分析

图5 为GH720Li 合金试样在1120℃经不同锻造速度等温锻造后的晶粒组织。可以看出，1120℃等温锻造时，细晶区、过渡区和粗晶区的晶粒组织演变规律的趋势与1080℃和1100℃时的趋势相一致。与1080℃和1100℃等温锻造组织演变不同的是，随着锻造温度升高至1120℃，粗晶区和过渡区组织再结晶程度进一步加深，晶粒组织均匀性提升；过渡区大部分晶粒与细晶区的晶粒度级别相当，但局部还存在粗晶；较高锻造速度下粗晶区晶粒组织已演变成均匀再结晶组织，但晶粒粗于ASTM 8 级。

图5 GH720Li 合金在1120℃经不同速度的等温锻造后的晶粒组织

综合分析可知，当棒材初始组织细于ASTM 8 级时，等温锻造变形组织基本不受锻造参数的影响。当棒材初始组织粗于ASTM 4 级时，随锻造温度升高、锻造速度提升和变形程度增加，晶粒细化和均匀程度增大。1120℃时，过渡区大部分变形组织细于ASTM 8 级，但局部还存在粗晶；较高锻造速度下粗晶区已演变成粗于ASTM 8 级的均匀再结晶组织。但无论等温锻造参数如何变化，初始晶粒组织不均匀时，很难获得细于ASTM 8 级的均匀细晶组织。

结论

⑴棒材初始均匀细晶组织等温锻造时基本不受锻造参数的影响，初始粗晶组织等温锻造时，晶粒细化和均匀程度随锻造温度升高、锻造速度提升和变形程度增加而增大。

⑵1120℃时，变形量较小时，初始粗晶组织在较高锻造速度下演变成粗于ASTM 8 级的均匀再结晶组织；变形量最大时，大部分变形组织细于ASTM 8 级，但局部还存在粗晶。

⑶无论等温锻造参数如何变化，初始晶粒组织不均匀很难获得细于ASTM 8 级的均匀细晶组织。