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GH4169合金作为航空发动机中最重要最典型的高温合金材料,其锻件质量稳定性直接决定了航空发动机的工作状态及寿命。由于GH4169合金的锻造加工窗口窄,组织性能对热加工参数敏感,导致锻件质量难以稳定。虽然国内外对于GH4169合金进行了大量的研究,但是针对以下几个方面的基础问题仍没有明确的阐述:非均匀组织的均匀化机制、晶界特征对δ相析出动力学的影响、初始状态对动态再结晶速率的影响机制、后动态过程中的组织演化机制及机制转变组织特征等。本文主要通过试验方法模拟锻件的实际锻造过程,研究GH4169合金锻件在热加工各工序中的组织形成机制,建立该合金在不同初始状态和设备条件下的热加工工艺窗口。对变形态显微组织为均匀粗晶、混晶和细晶状态的试样进行固溶热处理,获得了非均匀状态组织及均匀状态组织在固溶热处理中的演化特点和机制。将JMat pro热力学软件和试验研究相结合,分析了化学成分、亚结构、温度/时间等对δ相析出的影响,建立了δ相在弯曲界面析出的动力学模型。基于单道次热模拟压缩试验对不同状态GH4169合金的高温变形行为、热加工图和动态再结晶速率进行分析,确定了GH4169合金的变形机理图及不同状态的最佳变形Z参数范围,分析了动态再结晶速率的转变机制。对固溶态GH4169合金进行多道次热模拟压缩试验,确定了该合金锻件在冷却及变形间歇阶段的显微组织演化机制及机制转变的临界组织特征。最后,采用双锥试样压缩试验建立了不同初始状态合金的热加工工艺窗口,并通过全尺寸锻件成形试验验证了加工窗口的可靠性。主要研究内容与成果如下:对变形态均匀粗晶、混晶和细晶状态试样的固溶热处理显微组织进行分析,发现随温度的升高和时间的延长,试样中的小角度晶界含量逐渐降低,大角度晶界逐渐增加,晶粒尺寸先保持稳定后增加。但是变形等轴亚晶及变形拉长晶粒在加热过程中演化机制存在明显差异,随温度的升高和时间的延长,变形态等轴晶粒仅发生晶粒长大,而变形拉长晶粒先发生连续静态再结晶后发生晶粒长大。对于组织状态不均匀的GH4169合金锻件,在990℃1010℃进行固溶热处理可获得相对均匀的组织,降低小角度晶界的含量,提高特殊结构晶界的比例,同时避免晶粒的快速长大。电解萃取的δ相在高分辨SEM下呈现三维立体形貌为片层状,针状和板条状。热力学计算结果显示Nb、C元素含量分别为Nb5.30%-C0.03%时,合金中δ相析出峰值温度与溶解温度之间的差值最高。随时效温度的升高,δ相含量先升高后降低;随时间的延长,其含量先增加后保持稳定。建立了弯曲界面附近δ相形核的动力学模型,分析表明:晶界曲率半径越小,δ相形核的临界半径越小,势垒越低。δ相在晶界及晶内析出动力学主要受晶界曲率和晶内亚结构的影响。通过单道次热模拟压缩试验对不同初始状态试样的变形行为和热加工图进行分析,获得了均匀粗晶、混晶和均匀细晶状态GH4169合金的变形激活能分别为495.497kJ/mol,421.703 kJ/mol,401.111 kJ/mol;建议的热加工参数(温度为980℃1020℃,应变速率为0.01 s-11s-1)能够有效降低初始状态对热加工过程的影响,避免动态再结晶晶粒的长大。对不同初始状态试样的动态再结晶速率分析表明,动态再结晶速率随变形量增加先增加后降低。再结晶体积分数达到50%时,动态再结晶速率达到峰值,同时确定了不同初始状态试样最佳的变形Z参数范围。对不同变形量的组织分析结果表明,当变形量小于速率峰值应变时,合金形核机制包括非连续动态再结晶、连续动态再结晶、孪晶诱导形核和颗粒诱导形核;当变形量大于速率峰值应变时,合金的形核机制为连续动态再结晶和非连续动态再结晶。采用多道次间歇变形热模拟压缩试验,分析了变形温度、应变速率、间歇保温时间及初始道次变形量等对GH4169合金双道次变形行为的影响。结果表明,GH4169合金的间歇变形行为主要受应变速率和间歇保温时间的影响。提出了一种基于初始应力的后动态软化分数计算方法,后动态软化分数随应变速率和间歇保温时间的增加而增加。显微组织分析结果表明:合金在后动态过程中显微组织的演化机制分别为静态再结晶,再结晶晶粒吞噬原始晶粒长大以及再结晶晶粒合并长大。后动态过程显微组织演化机制转变的临界组织特征为形成单层或多层动态再结晶晶粒。通过对均匀粗晶、混晶和均匀细晶双锥形试样在普通液压机和螺旋压力机的双锥试样压缩试验,提出了包含再结晶体积分数和平均晶粒尺寸的热加工窗口表征方法。结果表明:在液压机上采用低温大变形+高温小变形方法和螺旋压力机上采用低温+中等变形+多道/锤次的成形方法可获得显微组织均匀的锻件。对两种方法进行了工程化应用,成功获得了显微组织均匀的GH4169合金锻件。