GH4738合金被廣泛應(yīng)用于制造燃汽輪機(jī)的渦輪葉片和渦輪盤(pán)等熱端部件。作為渦輪盤(pán)件，GH4738合金在我國(guó)僅針對(duì)地面煙機(jī)的大型渦輪盤(pán)進(jìn)行了研制工作,晶粒度要求為ASTM2~3級(jí)[1.2]。相對(duì)地面大型煙機(jī)渦輪盤(pán)件，航空渦輪盤(pán)件體積更小，但轉(zhuǎn)速更快，因此需要更加均勻細(xì)小的晶粒組織以獲得更高、更穩(wěn)定的強(qiáng)度和抗疲勞性能,晶粒度需達(dá)到ASTM5級(jí)或更細(xì)。而GH4738合金材料本身的晶粒組織對(duì)熱加工參數(shù)非常敏感，隆繼鍛造溫度過(guò)高時(shí)易出現(xiàn)大晶、混晶現(xiàn)象，鍛造溫度過(guò)低時(shí)又很容易出現(xiàn)開(kāi)裂[23]。因此需要研究合金在不同加熱溫度下的晶粒長(zhǎng)大行為及不同鍛造溫度下的熱塑性，以確定適用于GH4738渦輪盤(pán)的熱加工工藝。

1試驗(yàn)材料及研究方法

本文試驗(yàn)材料由真空感應(yīng)熔煉（VIM)加真空自耗重熔(VAR）雙聯(lián)工藝熔煉而成，鋼錠直徑為508mm，化學(xué)成分如表1所示。經(jīng)鍛造開(kāi)坯后得到180mm的棒材，棒材的微觀組織如圖1所示，中心及R/2處晶粒度為ASTM6級(jí)，邊緣晶粒較細(xì),達(dá)到ASTM8級(jí):棒材原始組織中還包括隨機(jī)分布的塊狀一次碳化物MC相，以及鍛造及冷卻過(guò)程中析出的晶界二次碳化物M;Ce相和晶內(nèi)細(xì)小的顆粒狀的相。隆繼試驗(yàn)分別從棒材R/2處及邊緣處取10mm×10mm的塊狀試樣，在980℃、1000c、1020℃.1040℃、1060℃、1080℃.1100℃.1120℃、1140℃、1160℃、1180℃、1200℃保溫1h水淬，統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸的變化情況并觀察析出相的回溶規(guī)律。另外從棒材R/2處沿軸向取試棒,分別在980℃、1000℃、1020℃、1040℃、1060℃、1080℃、1100℃進(jìn)行拉伸試驗(yàn)確定合金熱塑性隨溫度的變化規(guī)律。綜合晶粒尺寸和熱塑性隨溫度的變化規(guī)律，即可確定實(shí)際鍛造過(guò)程中的鍛造溫度和鍛前加熱工藝。

試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1晶粒長(zhǎng)大行為

圖2為初始晶粒度分別為ASTM6級(jí)和8級(jí)的GH4738合金在980℃~1200℃保溫1h后的晶粒尺寸變化情況。可以看到1020℃以下保溫時(shí)，晶粒尺寸長(zhǎng)大較慢;隨著溫度繼續(xù)升高，晶粒尺寸開(kāi)始加速增長(zhǎng);超過(guò)1140℃后，晶粒尺寸再次開(kāi)始加速增長(zhǎng)。即晶粒長(zhǎng)大隨加熱溫度的變化曲線(xiàn)存在兩個(gè)拐點(diǎn)。無(wú)論加熱前晶粒度為6級(jí)還是8級(jí)，在同一加熱溫度下都將得到接近的晶粒尺寸。

通常情況下,第二相的存在會(huì)起到釘扎晶界從而抑制晶粒長(zhǎng)大,所以圖2中的拐點(diǎn)應(yīng)當(dāng)與第二相的回溶有關(guān)。圖3為不同溫度下的合金的顯微組織變化，除了圖2中晶粒尺寸的變化外，還可以看到隨著溫度的升高，顆粒狀的y'相逐漸變少，并會(huì)在1040℃基本全部回溶，從而失去對(duì)晶界的釘扎作用，因此形成了圖2中的拐點(diǎn)A。這一溫度與熱力學(xué)軟件Thermal-Calc根據(jù)表1成分計(jì)算得到的y'全溶溫度1036℃基本一致。而圖2中拐點(diǎn)B應(yīng)當(dāng)與晶界M2;C相和MC碳化物的回溶及轉(zhuǎn)變有關(guān)，當(dāng)溫度超過(guò)1140℃時(shí)，由于同時(shí)失去了碳化物和y'相的釘扎作用，晶粒尺寸以更快的速度長(zhǎng)大。

2.2熱塑性規(guī)律

圖4為不同溫度下GH4738合金瞬時(shí)拉伸試驗(yàn)(晶粒度ASTM6級(jí))的延伸率。可以看到當(dāng)變形溫度低于1040℃時(shí)，合金的熱塑性明顯更低,這與強(qiáng)化相的脫溶析出有關(guān)。而隨著變形溫度升高,由于晶粒尺寸的長(zhǎng)大,晶界結(jié)合力變?nèi)酰瑹崴苄砸查_(kāi)始逐漸下降。

根據(jù)圖4結(jié)果,為避免鍛造過(guò)程中鍛件開(kāi)裂,鍛造溫度要選擇在1040℃以上。實(shí)際鍛造生產(chǎn)時(shí),工件的表面都存在不同程度的降溫，所以需要根據(jù)降溫的程度選擇合適的鍛造溫度。

1)y相和碳化物的回溶都會(huì)加快GH4738合金的晶粒長(zhǎng)大速度，從而在1020℃和 1140℃附近形成兩個(gè)晶粒尺寸隨溫度變化的拐點(diǎn)。

2) GH4738合金在鍛造溫度低于1040℃時(shí)都會(huì)出現(xiàn)明顯的熱塑性下降。

3)為得到細(xì)晶組織的盤(pán)鍛件，并保證鍛造時(shí)鍛件不開(kāi)裂，鍛造溫度應(yīng)選擇在1040℃~1140℃,并盡量靠近低限。鍛前加熱時(shí)在1020℃添加保溫臺(tái)階可以避免鍛件小變形區(qū)出現(xiàn)大晶或混晶現(xiàn)象。