曲敬龍，杜金輝，王民慶，畢中南，張 繼

（鋼鐵研究總院 高溫材料研究所，北京 100081）

GH4720Li合金是一種以γ′相析出強化以及Mo，W，Cr，Co固溶強化的高強度、耐腐蝕的鎳基高溫合金，主要用于制作650～750℃下使用的壓氣機盤和渦輪盤［1］。它目前已成功應(yīng)用于 Rolls－Royce公司的BR700，AE2100，AE3007，T406，T800發(fā)動機［2－5］以及 Trent航空發(fā)動機［6，7］。

GH4720Li合金的合金化程度相當(dāng)高，強化相γ′的數(shù)量更是高達40%～50%，是國際上公認的最難變形的高溫合金之一。一方面，由于固溶強化和時效強化作用的增強使得該合金的高溫變形抗力迅速提高，塑性降低；另一方面，高合金化造成了其熔點降低，再結(jié)晶溫度升高，熱加工窗口變窄。因此，通過合理的熱加工工藝獲得組織及性能優(yōu)良的棒材是難變形高溫合金GH4720Li研制成功的關(guān)鍵和難點。

目前，國內(nèi)外高溫合金的熱加工開坯方法主要有三種：擠壓開坯、鍛造開坯和軋制開坯，或者兩種開坯方法的結(jié)合。國外大錠型GH4720Li合金鑄錠通常采用鍛造開坯或擠壓開坯，但擠壓開坯需要大噸位快速擠壓設(shè)備，而這種設(shè)備的應(yīng)用工藝在國內(nèi)尚不成熟。因此，本工作針對GH4720Li合金的快鍛開坯工藝進行研究，在對高溫合金開坯工藝調(diào)研以及GH4720Li合金MTS熱模擬和數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，對開坯工藝參數(shù)進行初步確定，然后采用2000t快鍛機對φ406mm的GH4720Li合金鑄錠進行了開坯試制。

1 高溫合金鍛造開坯規(guī)律

鍛造開坯關(guān)鍵的是不同火次變形溫度以及變形量的匹配。其中加熱工藝與變形溫度的確定不僅要考慮使合金具有較好的熱加工塑性，而且要使合金獲得良好的組織［8，9］。其基本原則如下：

（1）防止合金過熱。加熱溫度過高或在確定的上限溫度下保持時間過長都會造成過熱，變形即可引起嚴重開裂。

（2）防止終鍛溫度過低。變形的下限溫度，一般要接近再結(jié)晶溫度，溫度過低一方面變形抗力急劇增加，另一方面會造成工件表面開裂。

（3）避免變形溫度過高而使晶粒粗大。

高溫合金的熱加工變形程度應(yīng)區(qū)別以下不同情況來確定：是鑄態(tài)還是變形態(tài)；不同變形溫度；不同鍛壓方法即不同的變形速率；不同合金的合金化水平即不同的塑性水平。對于形狀復(fù)雜的鍛件而言，一般變形是不均勻的，或者多火次、多錘鍛造也存在變形程度確定及分配問題。一般要參考合金的固溶再結(jié)晶圖，控制變形程度，使之不出現(xiàn)粗大晶粒，避開臨界變形［10］。

在高溫合金開坯過程中，第一火或前幾火鍛造通常在γ′相溶解溫度以上，以使化學(xué)成分均勻及宏觀組織得到破碎、細化。但溫度不能超過局部偏析引起的低熔點相熔解溫度。而接下來的鍛造需在低溫下進行，以使晶粒組織得到充分細化，經(jīng)過多火次鍛造最終得到所需尺寸的棒坯。鍛造過程中微觀組織的演變受到時間－溫度－應(yīng)力的影響，過程比較復(fù)雜，尤其是鑄錠的三維開坯模擬研究工作相對比較少［11］。

依據(jù)材料的應(yīng)用狀況，進一步的晶粒細化需要通過軋制或者徑鍛機鍛造完成。特別是隨后需要經(jīng)過閉模鍛造及要求材料具有高強度情況下，軋制或鍛造應(yīng)在γ′相溶解溫度以下進行。但在要求材料具有較好的蠕變性能情況下，最后的軋制或者鍛造溫度應(yīng)該在γ′相溶解溫度以上，以獲得充分的再結(jié)晶晶粒組織［12］。

根據(jù)以上高溫合金基本開坯鍛造規(guī)律，結(jié)合合金本身的組織特點以及MTS等物理模擬結(jié)果，就可以初步確定出合金的開坯工藝參數(shù)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)塑性圖

為了確定不同溫度下鑄態(tài)GH4720Li合金的最大變形量，對其不同溫度下的拉伸性能進行了測試。試樣取自高溫均勻化處理后φ406mm合金鑄錠的徑向1／2R處，每個實驗點是三個試樣拉伸結(jié)果的平均值，得到的塑性曲線如圖1所示。

圖1 GH4720Li合金鑄態(tài)拉伸塑性圖Fig.1 The tensile plasticity of as－cast GH4720Li alloy

由圖1可見，鑄態(tài)GH4720Li合金在小于1150℃時，塑性隨溫度升高逐漸增大，其中在1150～1160℃時塑性達到最大值，然后快速下降。當(dāng)溫度小于1080℃或大于1160℃時，合金塑性都會低于30%，開坯過程中容易造成鑄錠開裂。因此，GH4720Li合金的第一火的始鍛溫度和終鍛溫度應(yīng)該控制在1080～1160℃范圍內(nèi)，且不能超過相應(yīng)溫度下的最大變形量。

2.2 MTS熱模擬實驗

為了得到變形溫度、變形速率、變形量等參數(shù)對合金熱變形行為的影響規(guī)律，采用 MTS實驗機對GH4720Li合金進行了熱模擬壓縮實驗。

MTS試樣取自高溫均勻化處理后φ406mm合金鑄錠的徑向1／2R處，試樣尺寸為φ14mm×20mm，兩端面0.2mm深度的凹槽涂抹玻璃潤滑劑。實驗時試樣以20℃／s的速率升溫至變形溫度，保溫10min后進行等溫壓縮，變形溫度為1000～1170℃，每隔10℃為一個實驗點，應(yīng)變速率分別為1，0.1s－1和0.01s－1，變形量為30%，50%，70%。圖2為典型的三種不同實驗條件下GH4720Li合金的組織。

圖2 GH4720Li合金熱模擬試樣晶粒組織 （a）1070℃，0.1s－1，50%；（b）1130℃，0.1s－1，50%；（c）1150℃，0.1s－1，50%Fig.2 Microstructure of GH4720Li thermal simulation samples（a）1070℃，0.1s－1，50%；（b）1130℃，0.1s－1，50%；（c）1150℃，0.1s－1，50%

由不同熱變形條件下的組織可以得到，當(dāng)變形溫度低于1100℃時，變形量即使達到70%，組織依然不能發(fā)生完全再結(jié)晶；當(dāng)溫度超過1150℃時，γ′相發(fā)生大量溶解，再結(jié)晶晶粒變得粗大。而變形溫度在1100～1150℃，變形量超過50%（真應(yīng)變＞0.7）時，可以得到最為理想的再結(jié)晶組織。因此，GH4720Li合金適宜的開坯溫度應(yīng)該在1100～1150℃，累積變形量超過50%，但單道次變形量不能超過相應(yīng)溫度下的最大允許變形量。

2.3 數(shù)值模擬

基于MTS物理模擬實驗結(jié)果，建立起了針對GH4720Li合金開坯的本構(gòu)方程、再結(jié)晶動力學(xué)及晶粒尺寸預(yù)測模型。再結(jié)合有限元數(shù)值模擬，即可以模擬實際的開坯過程。有限元模擬采用DEFORM 3D V6.1軟件，通過調(diào)整開坯工藝參數(shù)，例如調(diào)整道次分布、變形量、鍛造溫度、變形速率等熱加工參數(shù)，將得到的物理量場以及晶粒度分布等模擬結(jié)果與物理模擬結(jié)果對比，最終得到了φ406mm的GH4720Li合金鑄錠相對最佳的開坯工藝參數(shù)。圖3即為模擬的開坯鍛造過程中部分火次的平均晶粒尺寸分布截圖?？梢缘玫剑谙鄬ψ罴彦懺鞙囟纫约懊炕鸫巫冃瘟糠峙錀l件下，每段棒材經(jīng)過4到5火次拔長鍛造后可以具有較好的鍛透性，組織分布均勻，平均晶粒度可以達到ASTM9級以上。

圖3 GH4720Li合金經(jīng)不同道次鍛造后的晶粒組織 （a）初始晶粒度；（b）中間火次晶粒度；（c）最終火次晶粒度Fig.3 Microstructure of as－forging GH4720Li alloy （a）original grain；（b）grain during forging；（c）final grain

3 GH4720Li合金鑄錠鍛造開坯結(jié)果

依據(jù)高溫合金的基本開坯規(guī)律以及GH4720Li合金本身的組織特點，并根據(jù)GH4720Li合金塑性圖、MTS熱模擬以及有限元模擬結(jié)果，對開坯過程中每火次的加熱溫度以及變形量等工藝參數(shù)進行了初步確定，在此基礎(chǔ)上，對φ406mm的GH4720Li合金鑄錠進行了開坯試制。鑄錠經(jīng)真空感應(yīng)加真空自耗雙真空冶煉，高溫均勻化處理后，利用2000t快鍛機經(jīng)過4～6火次將鑄錠開坯鍛造成φ130mm的棒材，車加工后直徑約100mm。圖4為φ100mm棒材的橫截面低倍組織，中心、1／2R及邊緣不同部位的高倍組織如圖5所示。由圖4，5可以看出，開坯后的棒材晶粒組織均勻細小，平均晶粒度在10級左右。

圖4 GH4720Li合金棒材橫向低倍組織Fig.4 Transverse macrostructure of GH4720Li alloy

將棒材經(jīng)1090℃×4h油淬＋650℃×24h空冷＋760℃×16h空冷熱處理后，對其微觀組織進行觀察并對不同溫度下的拉伸性能進行測試，結(jié)果分別如圖6，7所示。由圖6可以看出，熱處理后GH4720Li合金的微觀組織主要分為一次γ′相、二次γ′相以及三次γ′相，一次γ′相的尺寸在1～4μm左右，二次γ′相的尺寸在200～400nm左右，三次γ′相的尺寸在90nm以下。一次γ′相呈塊狀釘扎于晶界，能夠阻礙晶粒長大，促進再結(jié)晶；二次和三次γ′相主要以球狀分布于晶內(nèi)，主要起強化基體，提高基體強度的作用。性能測試結(jié)果如圖7所示，可以看出，GH4720Li合金在室溫到750℃范圍內(nèi)具有較高的強度以及較好的塑性，750℃以上合金強度以及塑性均隨溫度升高快速下降，其中塑性在850℃附近存在一個低塑性區(qū)，其中的機理需要進一步研究。由棒材的組織及性能結(jié)果，可以看出通過實驗獲得的開坯工藝參數(shù)合理可行。

4 結(jié)論

（1）GH4720Li合金鑄錠的最佳開坯溫度在1080～1160℃，低于1080℃或高于1160℃分別容易引起表面或內(nèi)部開裂。

（2）變形溫度1100～1150℃，變形量超過50%（真應(yīng)變＞0.7）時，可以得到最為理想的再結(jié)晶組織。

（3）通過有限元模擬，得到了開坯過程中每火次鍛造溫度以及變形量的最佳匹配關(guān)系。

（4）對開坯工藝參數(shù)進行了初步確定，據(jù)此對φ406mm的GH4720Li合金鑄錠進行了開坯試制，制備的棒材晶粒組織均勻細小，性能優(yōu)良，表明實驗得到的開坯工藝參數(shù)合理可行。

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