初始晶粒均勻性對GH720Li 合金等溫鍛造組織演變的影響規律

文／于秋穎，張敏聰，方爽，蘭博，李凱，林鶯鶯·中國航發北京航空材料研究院

等溫鍛造成形具有提高材料可鍛性、降低鍛件成形載荷、提高材料利用率和鍛件冶金質量均勻性等優點，是目前航空發動機渦輪盤的主要成形工藝。根據棒材初始晶粒組織的不均勻特點，分別針對初始均勻細晶組織和初始粗晶組織在不同鍛造溫度和鍛造速度條件下的組織演變規律進行了分析。

渦輪盤是航空發動機的關鍵熱端部件之一，其組織性能要求極高。GH720Li 合金是650 ～750℃長期使用的高性能渦輪盤材料，其鍛件晶粒組織要求均勻細小，以滿足渦輪盤性能要求。鍛件最終晶粒組織主要由棒材初始晶粒組織狀態、鍛前加熱以及等溫鍛造工藝參數三個因素共同決定。目前針對GH720Li 合金棒材初始晶粒組織狀態的研究相對較少，而鑒于初始晶粒組織對晶粒組織控制的重要影響，急需開展相關研究。

GH720Li 合金棒材初始晶粒組織狀態中，不同級別晶粒度和不均勻的晶粒組織狀態對等溫鍛造過程晶粒組織控制的影響很大。國內外已經開展了不同級別晶粒度條件下組織演變行為研究，而棒材初始晶粒組織均勻性對后續等溫鍛造的影響還未見詳細報道。本文以棒材不均勻的初始晶粒組織為研究對象，開展不同等溫鍛造溫度和鍛造速度條件下的組織演變規律研究，為控制棒材初始組織狀態和鍛件產品組織性能提供依據。

試驗材料及方法

本文所用GH720Li 合金棒材是真空感應+真空自耗雙聯工藝冶煉的鑄錠，經均勻化擴散退火和開坯工藝后獲得，其化學成分見表1。圖1 為GH720Li 合金棒材等溫鍛造試驗用試樣取樣圖。合金棒材直徑為φ125mm，其心部為粗晶組織(圖1 紅色區域以內)，心部以外為均勻細晶組織。從合金棒材上切取φ44mm×100mm 的等溫鍛造用試樣。

表1 GH720Li 合金化學成分(wt%)

圖1 等溫鍛造工藝試驗用試樣取樣示意圖

等溫鍛造試驗在液壓機上進行，溫度設定為1080℃、1100℃和1120℃，壓機鍛造速度設定為0.1mm/s、1mm/s 和10mm/s，變形量為75%。將試樣加熱到相應的等溫鍛造溫度，并保溫35min，然后以不同的鍛造速度經兩火次鍛造至75%變形量，變形后空冷。將等溫鍛造后的試樣沿著平行于壓縮軸方向將試樣對半剖開，然后對試樣進行機械磨光，用于后續組織觀察。晶粒組織浸蝕劑是5g CuCl2+100ml HCl+100ml C2H5OH，采用LEICA DMR光學金相顯微鏡進行晶粒觀察。

初始晶粒組織

圖2 為GH720Li 合金棒材初始晶粒組織。圖2(a)中細晶區組織非常均勻細小，平均晶粒度細于ASTM 8 級，這主要是因為一次γ'相均勻分布于基體，釘扎晶界阻礙了晶粒長大，如圖2(b)所示。圖2(c)粗晶區晶粒組織分布較為不均勻，這主要與開坯過程中晶粒再結晶不充分有關，其平均晶粒度粗于ASTM 4 級。

等溫鍛造過程組織演變分析

1080℃等溫鍛造過程組織演變分析

圖2 棒材初始晶粒組織

圖3 GH720Li 合金在1080℃經不同速度的等溫鍛造后的晶粒組織

遼、金、元時期的服飾既沿襲漢人的禮服制度，又具有本民族的特色。

圖3 為GH720Li 合金試樣在1080℃經不同鍛造速度等溫鍛造后的晶粒組織。其中，過渡區為等溫鍛造后試樣由細晶區到粗晶區的過渡區域，此區域初始粗晶組織的變形程度最大，而粗晶區位置初始粗晶組織的變形程度較小，是試樣的小變形區，因此，過渡區和粗晶區能夠反映試樣變形程度。可以看出，1080℃等溫鍛造時，細晶區組織不受鍛造速度的影響，仍然保持細于ASTM 8 級的均勻細晶組織。隨著鍛造速度的增大，粗晶區中粗晶破碎和再結晶細化的程度增大，但不能獲得均勻細晶組織。相比粗晶區晶粒組織，過渡區晶粒組織細化的程度明顯加大，這主要與過渡區離試樣中心位置較近，在等溫鍛造過程中變形量較大而動態再結晶較為充分有關。

圖4 GH720Li 合金在1100℃經不同速度的等溫鍛造后的晶粒組織

1100℃等溫鍛造過程組織演變分析

圖4 為GH720Li 合金試樣在1100℃經不同鍛造速度等溫鍛造后的晶粒組織。可以看出，1100℃等溫鍛造時，細晶區晶粒組織也不受鍛造速度的影響，保持細于ASTM 8 級的均勻細晶組織；粗晶區和過渡區晶粒組織隨著鍛造速度的增大，粗晶破碎和再結晶細化的程度增大，其中過渡區晶粒細化程度更大，但仍不能獲得均勻細晶組織。與1080℃等溫鍛造組織演變相比，1100℃時粗晶區和過渡區晶粒細化的程度加大，尤其是較大變形量的過渡區晶粒均勻細化更為明顯。

1120℃等溫鍛造過程組織演變分析

圖5 為GH720Li 合金試樣在1120℃經不同鍛造速度等溫鍛造后的晶粒組織。可以看出，1120℃等溫鍛造時，細晶區、過渡區和粗晶區的晶粒組織演變規律的趨勢與1080℃和1100℃時的趨勢相一致。與1080℃和1100℃等溫鍛造組織演變不同的是，隨著鍛造溫度升高至1120℃，粗晶區和過渡區組織再結晶程度進一步加深，晶粒組織均勻性提升；過渡區大部分晶粒與細晶區的晶粒度級別相當，但局部還存在粗晶；較高鍛造速度下粗晶區晶粒組織已演變成均勻再結晶組織，但晶粒粗于ASTM 8 級。

圖5 GH720Li 合金在1120℃經不同速度的等溫鍛造后的晶粒組織

綜合分析可知，當棒材初始組織細于ASTM 8 級時，等溫鍛造變形組織基本不受鍛造參數的影響。當棒材初始組織粗于ASTM 4 級時，隨鍛造溫度升高、鍛造速度提升和變形程度增加，晶粒細化和均勻程度增大。1120℃時，過渡區大部分變形組織細于ASTM 8 級，但局部還存在粗晶；較高鍛造速度下粗晶區已演變成粗于ASTM 8 級的均勻再結晶組織。但無論等溫鍛造參數如何變化，初始晶粒組織不均勻時，很難獲得細于ASTM 8 級的均勻細晶組織。

結論

⑴棒材初始均勻細晶組織等溫鍛造時基本不受鍛造參數的影響，初始粗晶組織等溫鍛造時，晶粒細化和均勻程度隨鍛造溫度升高、鍛造速度提升和變形程度增加而增大。

⑵1120℃時，變形量較小時，初始粗晶組織在較高鍛造速度下演變成粗于ASTM 8 級的均勻再結晶組織；變形量最大時，大部分變形組織細于ASTM 8 級，但局部還存在粗晶。

⑶無論等溫鍛造參數如何變化，初始晶粒組織不均勻很難獲得細于ASTM 8 級的均勻細晶組織。