为了提高航空发动机的推重比，人们对关键热部件所用材料的高温性能和强度提出了越来越高的要求[1],[2]。作为核心承力部件之一，涡轮盘的工作温度通常达到约800°C，这对用于涡轮盘应用的超合金的高温耐受性和机械性能提出了严峻挑战[3]。GH4151合金是一种先进的镍基超合金[4],[5]，含有大约10%的时效硬化元素（Al、Ti、Nb）和高达34%的固溶强化元素（Cr、Co、Mo、W）。因此，γ′相的平衡质量分数可达到55%，使其成为目前可用的最高强度的镍基锻造超合金之一[6],[7]。由于其γ′相含量超过50%，GH4151合金被用于制造在800°C工作条件下运行的关键高温部件，如涡轮盘、环、叶片和紧固件[5],[8]。
然而，虽然高体积分数的γ′相赋予了合金优异的高温强度，但也显著增加了热加工的难度。不过，这也带来了一个机会：丰富的γ′相可以固定晶界以控制晶粒尺寸，从而有可能实现UFG结构。具体来说，GH4151合金存在热加工窗口窄、变形抗力高、极易开裂以及容易形成混合晶粒结构等问题[5],[9]。如果热加工参数控制不当，容易在棒材边缘形成粗晶，影响材料的微观结构均匀性，进而降低其整体机械性能。Sun等人在对锻造GH4151合金进行50%变形的研究中发现，在1100-1140°C的温度范围和0.01-0.1 s⁻¹的应变率下可以获得无裂纹且微观结构均匀的材料[10]。Heng等人对铸造GH4151合金的热加工窗口进行研究时发现，安全加工区域最初扩大，随后随着应变的增加而缩小，但尚未明确找到实现均匀细晶结构的理想区域[11]。Lv等人研究了热挤压GH4151合金，发现最佳热加工性能出现在1045-1125°C的温度和10⁻².5 s⁻¹的应变率下[12]。因此，通过优化热加工在均匀的粗晶GH4151合金中实现均匀、UFG且无裂纹的结构仍然是一个关键挑战。
作为GH4151合金中的主要强化相，γ′相的形态、尺寸和含量对其动态再结晶（DRX）行为有显著影响。研究表明，在高合金化的超合金中，γ′相可能具有双重作用：它既可以促进也可以抑制再结晶过程。例如，Chen等人观察到细小的γ′颗粒可以抑制Udimet 720LI合金的再结晶核化[13]，而Li等人在研究一种新型HEXed P/M镍基超合金时指出，γ′相可能促进再结晶核化[14]。此外，Jia等人指出，在粗晶GH4151合金中，γ′相的存在减弱了其对DRX的抑制作用，并发现大于1 μm的MC型碳化物可以作为粒子刺激核化（PSN）的优选位点，从而诱导再结晶[15]。
尽管高γ′相含量对GH4151合金具有显著的强化效果，但精确控制热变形过程的原则和机制——特别是利用高γ′相体积分数来调控再结晶并实现UFG结构——仍不清楚。为了解决这一问题，本研究通过整合多种表征技术（包括光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）系统地研究了均匀粗晶GH4151合金的热变形行为。研究确定了获得UFG结构的关键热加工窗口，并阐明了γ′相在DRX过程中的作用和微观机制，揭示了它如何调控UFG的形成。这为优化该合金的热加工提供了坚实的理论基础和实用的技术途径。
