镍基单晶高温合金对接平台内缩松缺陷的形成机制研究

精 密 成 形 工 程
第15卷 第9期
152 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING
2023年9月
收稿日期：2023-05-04 Received ：2023-05-04
基金项目：国家自然科学基金（5210011310）；陕西省自然科学基础研究计划（2021JQ-604，2021JM-403）；陕西省教育厅科研计划（21JC027） Fund ：National Natural Science Foundation of China(521001130); Natural Science Basic Research Program of Shaanxi (2021JQ- 604, 2021JM-403); Scientific Research Program of Shaanxi Provincial Department of Education (21JC027)
引文格式：霍苗, 简航岳, 陈楚玥, 等. 镍基单晶高温合金对接平台内缩松缺陷的形成机制研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(9): 152-158.
HUO Miao, JIAN Hang-yue, CHEN Chu-yue, et al. Formation Mechanism of Porosity Defects in Rejoined Platforms of Ni-based Single Crystal Superalloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(9): 152-158.
镍基单晶高温合金对接平台内缩松缺陷的
形成机制研究
霍苗，简航岳，陈楚玥，赵惠
（西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065）
摘要：目的 研究镍基单晶高温合金对接平台内的枝晶生长行为及凝固缺陷的形成机制。

方法 在不同抽拉速率条件下，通过定向凝固技术制备了具有对接结构的镍基高温合金单晶铸件，采用实验与有限元模拟相结合的方法，研究了对接平台内缩松缺陷的形成机制，并讨论了抽拉速率对缺陷形成的影响。

结果 缩松缺陷主要出现在各对接平台的最后凝固区，随着抽拉速率的增大，缩松缺陷的范围有所增大、数量有所增加。

结论 铸件各平台中上侧位置均形成了缩孔缺陷，这与铸件特殊的对接型几何结构有关；随着抽拉速率的增大，凝固界面的下凹程度增大，平台两侧熔体过早凝固，使平台内部补缩通道受阻，最终导致各平台最后凝固区产生缩松缺陷。

关键词：镍基单晶高温合金；对接平台；缩松缺陷；抽拉速率；补缩
DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.09.018
中图分类号：TG132.3 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)09-0152-07
Formation Mechanism of Porosity Defects in Rejoined Platforms of
Ni-based Single Crystal Superalloy
HUO Miao , JIAN Hang-yue , CHEN Chu-yue , ZHAO Hui
(School of Materials Science an Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China)
ABSTRACT: The work aims to study the dendritic growth and formation mechanism of solidification defects in the rejoined platforms of Ni-based single crystal superalloys. In this study, the castings of Ni-based single crystal superalloys with rejoined structure were prepared by directional solidification under different withdrawal rates. The formation mechanism of porosity in rejoined platforms was studied by experiment and finite element simulation. The influence of withdrawal rates on the formation of defects was discussed. The results showed that the porosity mainly appeared in the final solidification zone of the rejoined platforms. With the increase of the withdrawal rate, the range and number of porosity increased. Porosity defects form on the upper side of each platform of the casting, which is related to the special geometry of the casting. As the withdrawal rate in-creases, the curvature of the “concavity” at the solidification interface increases, and the melt on both sides of the platform is so-lidified prematurely, obstructing the internal feeding channels of the platform and ultimately leading to porosity defects in the
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final solidification zone of each platform.
KEY WORDS: Ni-based single crystal superalloy; rejoined platforms; porosity defects; withdrawal rate; feeding
镍基单晶高温合金因具备优良的高温综合性能，被广泛用于制备发动机及燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片等关键热端部件[1-4]。

为了满足日益苛刻的服役条件，这些热端部件的结构设计多以中空结构为主，而且有多处突变截面，这导致在定向凝固过程中铸件内部温度场分布不均匀、特殊结构处的凝固顺序和枝晶生长路径复杂，极易导致凝固缺陷的形成，从而影响单晶叶片的完整性及其性能，甚至导致单晶叶片报废[5-9]。

一直以来，研究者的关注对象都以涡轮叶片为主，对叶片缘板位置的枝晶生长及缺陷形成开展了广泛研究[10-13]，因此，对涡轮叶片内雀斑、杂晶、小角晶界等凝固缺陷的形成机制已经有了比较充分的认识，然而，关于导向叶片（见图1）的相关研究却鲜有报道。

图1 导向叶片
Fig.1 Guide vane: a) nozzle guide vane[4]; b) double guide vane
随着导向叶片服役条件的日益苛刻，柱晶组织已经不能满足相关使用要求，因此要求其实现单晶化，以进一步提高承温能力。

然而，由于导向叶片具有独特的对接型结构特点（见图1），其枝晶生长路径明显不同于涡轮叶片，其对接平台内的微观组织更为复杂，但凝固缺陷形成机制及其影响因素尚不清楚，而组织和缺陷的形成会对叶片性能产生极大影响，因此，关于单晶导向叶片凝固组织、缺陷及性能的研究逐渐引起大家的关注。

本文将设计一种具有对接结构特点的铸件，就对接平台内缩松缺陷的形成机制进行研究，并采用实验与模拟相结合的方式，就抽拉速率对平台内缩松缺陷的影响进行讨论，以期为合格单晶导向叶片的制备提供基础支持。

1 实验
1.1 材料及铸件模型
实验所用材料为第2代镍基单晶高温合金DD6，其名义成分如表1所示。

根据对接结构铸件的结构特征，本文自行设计了一种具有对接结构的铸件模型。

铸型由引晶段、选晶段、对接平台、冒口等部分组成，为了避免由温度场不对称引起的偏差，并减少棱角处应力集中对枝晶生长带来的影响，对接平台采用圆柱形结构，铸型尺寸如图2a所示。

由于在纵截面内可以更加直观地观测缩松缺陷，因此本实验对平台进行纵切，如图2b所示。

为了便于表述，将平台纵截面分为3个区域，分别标为R区、L区和M区，如图2c所示。

采用定向凝固技术制备单晶铸件，参照工业生产中的工艺参数，本文单晶铸件制备的抽拉速率分别为60、75、100、150 μm/s。

图2 对接平台单晶铸件试样（a）、平台（b）及其纵（zx）切割面分区示意图（c）、横（xy）切割面（d）Fig.2 Single crystal casting with rejoined platforms (a), platform (b), and schematic diagram for partition of their longitudinal (zx) cutting surfaces (c) and transverse
(xy) cutting surfaces (d)
1.2 模拟及参数设置
ProCAST模拟软件是基于有限元分析技术的计算机铸造模拟仿真系统，可以在凝固过程中进行传热（热辐射、角系数计算）、流动充型、热场-应力场以及热场-流场-应力场的耦合计算。

本文利用该软件对定向凝固过程中铸件内的温度场进行模拟。

采用的定向凝固系统有限元网格模型如图3所示。

凝固过程的模型参数如表2所示。

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表1 DD6合金的名义成分
Tab.1 Nominal compositions of DD6 alloy wt.% Cr Co Mo W Ta Re Nb Al Hf C Ni
4.3 9.0 2.0 8.0 7.5 2.0 0.5
5.6 0.1 0.006 Bal.
表2 凝固过程的模型参数[14]
Tab.2 Model parameters for solidification modeling[14]
Parameters Typical physical values
Melting temperature 1 550 ℃Initial conditions
Chill-plate temperature 400 ℃
Heater temperature 1 550 ℃
Heater emissivity 0.8
Ceramic shell mold emissivity 0.7
Furnace inner surface emissivity 0.3
Water-cooled chill-plate emissivity 0.2
Heat transfer coefficient with cooling water 2 000 W/(m2·K) Boundary conditions
Cooling water temperature 20 ℃
Alloy melt ceramic shell mold 1 000 W/(m2·K)
Alloy melt water-cooled chill plate 3 000 W/(m2·K)
Interface heat transfer coefficients
Ceramic shell mold water-cooled chill plate20 W/(m2·K)
图3 定向凝固系统有限元网格模型
（a）及铸件网格模型（b）
Fig.3 FEM mesh model of directional solidification system
(a) and mesh model of casting (b)
2 结果与分析
2.1 对接平台内枝晶的生长路径
要明确对接平台内缩松缺陷的形成，首先要明确平台内熔体的凝固过程及枝晶的生长路径。

经金相分析可知，在不同抽拉速率下，平台内枝晶的生长路径相同，平台内枝晶的生长过程示意图如图4所示。

在定向凝固过程中，在对接平台单晶铸件内（见图2a），当多晶组织经过引晶段和选晶段后，只有一个晶粒可以通过螺旋选晶器继续生长，之后枝晶通过分枝生长的形式进入2个不同的竖直通道，一直长到平台位置，如图4中平台两侧的一次枝晶。

这些一次枝晶一旦到达平台，由于生长空间突然增大，两侧都会形成足够发达的二次枝晶（图4中的平台底部枝晶），且二次枝晶会铺满平台底部，由此衍生出的三次枝晶继续生长并长满整个平台，两侧枝晶最终在平台中间位置汇聚，如图4中平台内枝晶所示。

可见，两侧区域的熔体是最先凝固的，而最后凝固区处于平台中间区域的最上侧（图4中椭圆形区域），由此推测该区域是缩松形成的“重灾区”。

图4 平台内枝晶生长示意图
Fig.4 Diagram of dendritic growth in platform
2.2 平台内缩松的形成
为了明确缩松缺陷出现的位置，首先对机械打磨
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和抛光后的试样进行观测，发现缩松缺陷出现位置正处于之前推测的“重灾区”内。

为了进一步对比分析缩松缺陷的微观组织及其形成机制，本文对不同抽拉速率下平台两侧及中上侧区域的缩松组织进行了金相表征和SEM扫描，结果如图5所示。

可见，平台两侧区域很少出现缩松缺陷（见图5a），极少量的缩松出现在共晶边缘，且尺寸也小，如图5b所示；而在平台的中上侧区域，出现了较大范围的缩松缺陷，而且随着抽拉速率的增大，缩松的数量明显增多，出现范围明显增大，但是其分布并不均匀，如图5c、图5d、图5f、图5g所示。

另外，当抽拉速率低于100 μm/s 时，缩松缺陷尺寸较小，如图5e所示；当抽拉速率为150 μm/s时，缩松尺寸明显增大，呈现为“连通式”孔洞，如图5h所示，这可能与镍基单晶高温合金的凝固特性及凝固顺序相关。

在镍基高温合金单晶铸件定向凝固的过程中，最初是从液相中析出γ相，形成枝晶组织并不断生长，枝晶之间彼此交叉形成网状结构，由于整个凝固过程一直保持着正的温度梯度，因此熔体可以通过枝晶间的补缩通道进行补缩，在通常情况下，补缩可以一直持续到凝固结束，凝固过程最终以枝晶间γ+γ'的共晶反应为结束[15]。

然而，在凝固中后期，由于熔融金属受到枝晶组织的阻挡，流动的黏滞阻力变大，补缩难度不断增大，当残余液体被已凝固枝晶包围时，枝晶根部得不到充分补缩，导致局部产生缩松缺陷，因此，缩松的分布不均与枝晶生长形态密切相关，而且总是形成在γ+γ'共晶周围。

另外，当补缩受阻不严重时，共晶周围的孔洞比较分散，尺寸较小（见图5e），当补缩严重受阻时，共晶位置几乎全部缺失，呈现“连通式”孔洞（见图5h）。

可以推测，这类缺陷在单晶铸件内是不被允许出现的，会直接损害铸件性能并降低成品率[16-20]，因此必须引起高度关注。

结合图4中平台内枝晶的生长路径可知，当凝固进行到平台处时，凝固最先从两侧开始，之后逐步向中间位置进行，平台的中上侧位置为最后凝固区，由于平台两侧的合金首先凝固，平台内部的补缩通道就会被阻挡，图6a中对接平台内固相分数的模拟结果也验证了这一结论。

因此，最后凝固区的补缩只能通过平台内部尚未凝固的合金来完成，但合金本身的凝固收缩不可避免，最终导致了“重灾区”发生大范围缩松，模拟结果与实验结果相符（见图6b）。

2.3 抽拉速率对缩松形成的影响
合金成分和铸造工艺对合金内的铸态孔洞有很大影响[15, 21-22]，镍基单晶高温合金也不例外，其中，抽拉速率和温度梯度对铸态孔洞的影响尤为突出[23-25]。

但是，本文设计的对接结构铸件的合金成分是固定的，在4个抽拉速率下，平台两侧的缩松缺陷并未发生明显变化，因此，平台中上侧区域的缩松缺陷并非由抽
图5 不同抽拉速率下，对接平台两侧及中间区域的缩松组织
Fig.5 Microstructure of porosity on both sides and the middle region of the rejoined platform at different withdrawal rates
156
精 密 成 形 工 程 2023年9月
图6 抽拉速率150 μm/s 时对接平台内固相分数
及缩松模拟结果
Fig.6 Simulation results of solid distribution and porosity in
the rejoined platform at withdrawal rate of 150 μm/s
拉速率的增大而直接导致的，是其间接导致的结果。

由于定向凝固过程不可实时观测，因此本文借
助成熟的有限元模拟技术对对接铸件的凝固过程及其温度场分布进行了模拟，其中不同抽拉速率下固液界面的模拟结果如图7所示。

可见，由于铸件特殊的对接结构特征，当凝固进行到对接平台位置时，平台内的凝固界面均呈“下凹”形态。

当抽拉速率为60 µm/s 时，固液界面下凹明显，如图7a 所示；当抽拉速率为75 µm/s 时，界面下凹程度无明显增大，如图7b 所示；当抽拉速率增大到100 µm/s 时，平台中间位置下凹明显，而两侧区域已经较早完成凝固，如图7c 所示；当抽拉速率进一步增大到150 µm/s 时，侧向散热的贡献明显增大，相比于平台中间区域，两侧更早地完成了凝固，如图7所示。

由此可见，随着抽拉速率的增大，平台两侧会更快地完成凝固，平台内的补缩通道会过早被阻塞，导致最后凝固区补缩困难，甚至枝晶间没有补缩液体，进而导致了大范围的“连通式”孔洞。

因此，这类铸件内缩松缺陷的控制单纯地依靠调节凝固参数是不行的，还需要借助其他辅助手段进行补缩，比如，在控制抽拉速率时，可以在每个平台的最后凝固区增加辅助补缩通道，制定具体的补缩措施还需结合铸件的实际尺寸和凝固速率。

图7 不同抽拉速率下对接平台内固液界面的模拟结果
Fig.7 Simulation results of solid-liquid interface in the rejoined platform at different withdrawal rates
3 结论
根据导向叶片的结构特点，设计了具有对接结构的铸型，采用实验与模拟相结合的方法，研究了镍基单晶高温合金对接平台内缩松缺陷的形成机制，讨论了抽拉速率对缩松缺陷形成的影响。

获得的主要结论如下：
1）在定向凝固对接结构单晶铸件过程中，对接平台两侧和中间位置均出现了不同程度的缩松缺陷，均分布于共晶组织周围，而且随着抽拉速率的增大，中间区域的缩孔数量增多、范围增大，其分布情况与
枝晶生长状态相关。

2）在镍基单晶高温合金对接结构铸件内，凝固顺序的先后决定了对接平台两侧先凝固的金属会阻塞后续的补缩通道，而对接平台中上侧位置是平台的最后凝固区，也是缩松缺陷的“重灾区”，必须引起高度重视。

3）在对接结构单晶铸件定向凝固过程中，由于单向的抽拉动作，凝固的固液界面总是呈现“下凹”形态，抽拉速率越大，界面“下凹”程度越大，两侧与中间区域的凝固时间差越大，对补缩越不利，因此将抽拉速率控制在一定范围内，并辅以补缩通道是控制对
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接铸件内缩松缺陷的有效措施。

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责任编辑：蒋红晨。