初始晶粒均勻性對(duì)GH720Li 合金等溫鍛造組織演變的影響規(guī)律

文／于秋穎，張敏聰，方爽，蘭博，李凱，林鶯鶯·中國(guó)航發(fā)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(zhì)量均勻性等優(yōu)點(diǎn)，是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的主要成形工藝。根據(jù)棒材初始晶粒組織的不均勻特點(diǎn)，分別針對(duì)初始均勻細(xì)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(guī)律進(jìn)行了分析。

渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱端部件之一，其組織性能要求極高。GH720Li 合金是650 ～750℃長(zhǎng)期使用的高性能渦輪盤材料，其鍛件晶粒組織要求均勻細(xì)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(tài)、鍛前加熱以及等溫鍛造工藝參數(shù)三個(gè)因素共同決定。目前針對(duì)GH720Li 合金棒材初始晶粒組織狀態(tài)的研究相對(duì)較少，而鑒于初始晶粒組織對(duì)晶粒組織控制的重要影響，急需開展相關(guān)研究。

GH720Li 合金棒材初始晶粒組織狀態(tài)中，不同級(jí)別晶粒度和不均勻的晶粒組織狀態(tài)對(duì)等溫鍛造過程晶粒組織控制的影響很大。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了不同級(jí)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(duì)后續(xù)等溫鍛造的影響還未見詳細(xì)報(bào)道。本文以棒材不均勻的初始晶粒組織為研究對(duì)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(guī)律研究，為控制棒材初始組織狀態(tài)和鍛件產(chǎn)品組織性能提供依據(jù)。

試驗(yàn)材料及方法

本文所用GH720Li 合金棒材是真空感應(yīng)+真空自耗雙聯(lián)工藝冶煉的鑄錠，經(jīng)均勻化擴(kuò)散退火和開坯工藝后獲得，其化學(xué)成分見表1。圖1 為GH720Li 合金棒材等溫鍛造試驗(yàn)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(qū)域以內(nèi))，心部以外為均勻細(xì)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(xué)成分(wt%)

圖1 等溫鍛造工藝試驗(yàn)用試樣取樣示意圖

等溫鍛造試驗(yàn)在液壓機(jī)上進(jìn)行，溫度設(shè)定為1080℃、1100℃和1120℃，壓機(jī)鍛造速度設(shè)定為0.1mm/s、1mm/s 和10mm/s，變形量為75%。將試樣加熱到相應(yīng)的等溫鍛造溫度，并保溫35min，然后以不同的鍛造速度經(jīng)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?qū)⒃嚇訉?duì)半剖開，然后對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械磨光，用于后續(xù)組織觀察。晶粒組織浸蝕劑是5g CuCl2+100ml HCl+100ml C2H5OH，采用LEICA DMR光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)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(xì)晶區(qū)組織非常均勻細(xì)小，平均晶粒度細(xì)于ASTM 8 級(jí)，這主要是因?yàn)橐淮桅?相均勻分布于基體，釘扎晶界阻礙了晶粒長(zhǎng)大，如圖2(b)所示。圖2(c)粗晶區(qū)晶粒組織分布較為不均勻，這主要與開坯過程中晶粒再結(jié)晶不充分有關(guān)，其平均晶粒度粗于ASTM 4 級(jí)。

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(jīng)不同速度的等溫鍛造后的晶粒組織

遼、金、元時(shí)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(jīng)不同鍛造速度等溫鍛造后的晶粒組織。其中，過渡區(qū)為等溫鍛造后試樣由細(xì)晶區(qū)到粗晶區(qū)的過渡區(qū)域，此區(qū)域初始粗晶組織的變形程度最大，而粗晶區(qū)位置初始粗晶組織的變形程度較小，是試樣的小變形區(qū)，因此，過渡區(qū)和粗晶區(qū)能夠反映試樣變形程度?？梢钥闯?，1080℃等溫鍛造時(shí)，細(xì)晶區(qū)組織不受鍛造速度的影響，仍然保持細(xì)于ASTM 8 級(jí)的均勻細(xì)晶組織。隨著鍛造速度的增大，粗晶區(qū)中粗晶破碎和再結(jié)晶細(xì)化的程度增大，但不能獲得均勻細(xì)晶組織。相比粗晶區(qū)晶粒組織，過渡區(qū)晶粒組織細(xì)化的程度明顯加大，這主要與過渡區(qū)離試樣中心位置較近，在等溫鍛造過程中變形量較大而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶較為充分有關(guān)。

圖4 GH720Li 合金在1100℃經(jīng)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(jīng)不同鍛造速度等溫鍛造后的晶粒組織?？梢钥闯?，1100℃等溫鍛造時(shí)，細(xì)晶區(qū)晶粒組織也不受鍛造速度的影響，保持細(xì)于ASTM 8 級(jí)的均勻細(xì)晶組織；粗晶區(qū)和過渡區(qū)晶粒組織隨著鍛造速度的增大，粗晶破碎和再結(jié)晶細(xì)化的程度增大，其中過渡區(qū)晶粒細(xì)化程度更大，但仍不能獲得均勻細(xì)晶組織。與1080℃等溫鍛造組織演變相比，1100℃時(shí)粗晶區(qū)和過渡區(qū)晶粒細(xì)化的程度加大，尤其是較大變形量的過渡區(qū)晶粒均勻細(xì)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(jīng)不同鍛造速度等溫鍛造后的晶粒組織?？梢钥闯?，1120℃等溫鍛造時(shí)，細(xì)晶區(qū)、過渡區(qū)和粗晶區(qū)的晶粒組織演變規(guī)律的趨勢(shì)與1080℃和1100℃時(shí)的趨勢(shì)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(qū)和過渡區(qū)組織再結(jié)晶程度進(jìn)一步加深，晶粒組織均勻性提升；過渡區(qū)大部分晶粒與細(xì)晶區(qū)的晶粒度級(jí)別相當(dāng)，但局部還存在粗晶；較高鍛造速度下粗晶區(qū)晶粒組織已演變成均勻再結(jié)晶組織，但晶粒粗于ASTM 8 級(jí)。

圖5 GH720Li 合金在1120℃經(jīng)不同速度的等溫鍛造后的晶粒組織

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

結(jié)論

⑴棒材初始均勻細(xì)晶組織等溫鍛造時(shí)基本不受鍛造參數(shù)的影響，初始粗晶組織等溫鍛造時(shí)，晶粒細(xì)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(shí)，變形量較小時(shí)，初始粗晶組織在較高鍛造速度下演變成粗于ASTM 8 級(jí)的均勻再結(jié)晶組織；變形量最大時(shí)，大部分變形組織細(xì)于ASTM 8 級(jí)，但局部還存在粗晶。

⑶無(wú)論等溫鍛造參數(shù)如何變化，初始晶粒組織不均勻很難獲得細(xì)于ASTM 8 級(jí)的均勻細(xì)晶組織。