GH4720Li合金是典型的难变形镍基高温合金,主要表现在变形温度窗口窄、变形抗力大、热塑性差,处于变形方式生产与不可变形方式生产的临界点。随着GH4720Li合金盘锻件尺寸的不断增大,促使GH4720Li合金生产向着大尺寸铸锭、大尺寸锻造棒坯的方向发展;这给合金铸锭的冶炼和锻造提出来众多新的问题;大尺寸GH4720Li合金锻造棒坯的组织和性能控制是其中的关键问题之一。本文以“快-精锻联合”锻造GH4720Li合金的过程为研究对象,对GH4720Li合金的热变形行为、微观组织演变及其对力学性能的影响等进行了较为系统的研究;建立了GH4720Li合金热变形状态的本构方程,并制作了相应的热加工图;结合相应的研究结论,制定并实践了 GH4720Li合金三联冶炼的Φ508铸锭锻造Φ250mm大尺寸棒坯的锻造工艺。主要的内容如下:(1)以锻造状态的棒坯二分之一半径处的试样为研究对象,对其进行多种制度的固溶处理实验;研究GH4720Li合金等温状态下的晶粒长大行为和γ’相的溶解行为,结果表明:GH4720Li合金晶粒的生长速度在γ’相的完全溶解温度——1160℃附近发生变化,晶粒长大的激活能在684.0 kJ/mol～2040.4kJ/mol波动。1160℃以下温度,晶粒生长缓慢;1160℃及以上温度,合金的晶粒发生快速、均匀的长大。晶界上一次γ’相在1130℃～1150℃之间发生明显的部分溶解,晶粒发生明显的不均匀生长、呈带状分布。应用相关数据建立GH4720Li合金晶粒生长的数学模型。(2)对锻造状态的棒坯二分之一半径处的试样进行1170℃的固溶处理,然后对该试样进行多种制度的时效处理实验;研究GH4720Li合金在时效处理状态下合金的性能变化和γ’相的组织演变行为,结果表明:合金在650℃～760℃时效处理,硬度持续升高;在850℃～1050℃时效处理,硬度先升高再下降;随着时效处理时间的增加,γ’相尺寸增大,并出现“方形化”趋势。(3)对取自棒坯不同位置的试样按照通用的热处理制度进行热处理,并进行拉伸力学实验;研究不同组织状态对合金力学性能的影响,结果表明:一次γ’相的数量及其塑性是影响合金塑性的主要因素,其与基体的相界处是拉伸断裂的主要裂纹源。棒坯心部的一次γ’相由于析出温度高、冷却速度,而具有较好的塑性,能够明显提高合金的塑性;由此提出以提高GH4720Li合金的锻造塑性为目的的特殊处理工艺,热压缩的实验结果表明该工艺显著改善了合金的热加工塑性。(4)以粗大晶粒组织的GH4720Li合金坯料为实验对象,在MMS-200热力模拟试验机进行单道次和双道次的热模拟实验,研究合金的动态再结晶、静态再结晶行为以及γ’相的组织演变行为,结果表明:动态再结晶是GH4720Li合金在热变形过程中的主要软化机制;合金热变形温度低于1160℃时,γ’相的析出和再结晶行为引起峰值应力和热变形激活能显著升高。GH4720Li合金的热变形激活能平均值为1240.7 kJ/mol;热变形激活能随着温度升高,先下降再升高;随着应变速率的升高,亦先下降再升高;合金在1160℃、应变速率为0.1s-1时,其热变形激活能达到最小值602 kJ/mol。以实验数据为基础,建立包含温度、应变速率和微观组织演变的热变形本构方程,并建立相应条件下的合金热加工图。(5)以刚(粘)塑性有限元理论为基础,应用三维有限元软件-DEFORM-3D的cogging模块,系统研究了变形温度、道次压下量、进给量、变形速率等因素对锻造过程中合金内部温度场、应变场和微观组织演变的影响;结果表明:进给量和道次压下量是影响坯料温度场、应变场的主要参数;加热温度和压下速率是影响坯料温度场、应变场的次要参数。通过模拟计算结果,确定锻造变形的工艺原则为:快锻变形的加热温度不大于1150℃,压下速率控制40～80mm/s之间,进给量控制在200mm左右,道次压下量控制在50mm/道次以下;精锻变形的加热温度不大于1120℃,道次压下量不大于40mm/道次。(6)综合考虑合金的晶粒生长、动态再结晶和静态再结晶行为、热加工图等相关研究结论,并参考有限元模拟分析得出的相关结论,制定GH4720Li合金的快锻开坯和精锻锻造工艺。在3150t快锻机和1800t精锻机上对Φ508mm的GH4720Li合金铸锭进行工业实践,并对得到的快锻坯料和精锻成品棒坯进行显微组织和力学性能检验,验证快锻开坯和精锻锻造工艺合理、可行。