单晶高温合金与定向凝固的文献综诉
定向凝固和单晶高温合金的再结晶研究
第 1期
张
兵, 姜
涛 , 陶春虎 : 定向 凝固和单晶高温合金的再结晶研究
57
陷。然而, 如果叶片在生产过程中受到冷变形 , 如 磕碰、 吹砂、 机械加工等, 又在高于再结晶温度下 停留 , 叶片就会发生再结晶。定向凝固和单晶高温 合金的再结晶与变形金属的再结晶有着本质区别。 1. 1 再结晶温度定义的局限性 对于变形合金而言, 再结晶温度是指经过大 量变形 ( 变形度 > 70 % ) 的合金在约 1h 的保温时 间内, 能够完成再结晶 ( 再结晶体积分数 > 95 % ) 的最低加热温度。定向凝固和单晶高温合金在制 造过程中一般不经历冷变形过程, 因此, 这一定义 不适用于定向凝固和单晶高温合金。 1. 2 再结晶对材料的影响 变形金属的再 结晶在工程上 得到广泛 的应 用 , 如利用再结晶使晶粒得到细化从而提高金属 的强度、 塑性和疲劳强度。同时 , 变形金属再结晶 后的组织与冷加工前的组织是相同的 , 再结晶后 合金的性能与冷加工前的性能也大致相同。例如 一种合金经冷拉加工时, 因为加工硬化而塑性降 低 , 继续冷拉成形很困难。若将此半成品给予再 结晶退火 , 合金的塑性得以恢复, 因而容易变形, 可以继续冷拉加工。 与变形金属的再结晶不同 , 定向凝固和单晶 高温合金再结晶前后的组织形貌完全不同, 再结 晶形成的等轴晶粒与基体 的柱状晶存在 本质差 别。再结晶组织在定向凝固和单晶高温合金中引 入了横向晶界, 降低了合金的性能, 尤其是高温持 久、 疲劳等性能。 1. 3 定向凝固和单晶高温合金的再结晶特点 1. 3. 1 再结晶基本局限于表面 定向凝固和单晶高温合金一般不经历冷变形 过程, 因此, 从理论上讲, 定向凝固和单晶高温合 金在正常情况下不会出现再结晶 , 除非在叶片生 产过程中受到偶然的冷变形 , 如磕碰、 吹砂、 机械 加工等 , 而这些工艺过程导致的冷变形基本局限 于表层 , 在高于再结晶的温度下形成表面再结晶 层 , 这与变形合金有着本质的区别。 1. 3. 2 再结晶温度较高 对于大多数变形合金而言 , 其发生完全再结 晶的温度约为 0 . 4~ 0 . 6 T m ( Tm 为合金的熔点, 单 位为 K ); 但对镍基定向凝 固和单晶高温 合金而 言 , 其熔点大约在 1 600K, 按 0 . 4~ 0 . 6 T m 估算, 其再结晶温度仅处于 640~ 960K 之间, 远低于目 前所测定的大多数镍基定向凝固和单晶高温合金 开始发生再结晶的温度。采用金相分析的方法,
定向凝固锭技术文献综述
定向凝固锭技术文献综述Ξ清华大学 顾江平 赵 勇 刘 庄【提要】 本文在查阅专利文献和其它相关文献的基础上对定向凝固锭技术作了回顾和总结,供有关人员参考。
关键词:定向凝固 钢锭A Summ ary of L iterature on T echniques ofU nidirecti onal Solidificati on IngotsGu J i a ngp i n g Zhao Y ong L i u Zhuang[ABSTRACT]Based on consulting patent literature and other literature,this paper revie w ed and summ arized the techniques on the unidirecti onally s olidified ingots,p roviding reference for the related pers onnel.KE YWOR D S:U nidirecti onally Solidifying,Ingot1.引言(1)定向凝固锭提出的背景从七十年代后期开始,与能源相关的设备,如核电站设备、压力容器等的需求量增加,相应地用于这些设备的大型板类件激增。
这些板类件不仅趋于大重量、超厚度,而且对疏松、偏析、非金属夹杂物的要求极为严格,甚至还要求有较好锻造性能和焊接性能。
这些苛刻的要求对普通锭生产工艺提出了挑战。
众所周知,普通锭中存在正偏析、V偏析、A偏析、疏松及沉积锥(负偏析)等缺陷。
而且钢锭的重量越大,这些偏析越严重,越难于控制。
显然,如果用普通锭来制造核电站设备或压力容器,其在役期内的质量是较难保证的。
为改善大钢锭的质量,科技人员在大量的理论研究、实验研究及生产实践中认识了许多定量的或定性的规律。
一般认为,凝固过程中,局部溶质再分配会引起高浓度、低密度溶质在枝晶间的上浮和聚集,当其推进速度超过凝固前沿的推进速度时,将形成A偏析[1]。
定向凝固技术的研究进展与应用
１．２ 新 型 定 向 凝 固 技 术 由于常规的定向凝固技术存在着温度梯度低和冷却速
率小等缺点。造成 凝 固 过 程 中 组 织 粗 化，枝 晶 偏 析 严 重，阻 碍了材料性能的提高。随着定向凝固技术 的 迅 速 发 展，研 究 者在吸收融合常规凝固技术优 点基础上，开发出 了 许 多 新 型 定向凝固技术。
表 １ 常 规 定 向 凝 固 法 的 优 缺 点 及 应 用 范 围 Ｔａｂｌｅ １ Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
方法
优点
缺点
应用范围
· １１６ ·
材料导报 Ａ：综述篇
２０１６ 年 ２ 月 （上 ）第 ３０ 卷 第 ２ 期
定向凝固技术的研究进展与应用＊
问 亚 岗 ，崔 春 娟 ，田 露 露 ，杨 猛 ，薛 添
（西安建筑科技大学冶金工程学院，西安 ７１００５５）
摘要 定向凝固技术是制备具有单一取向要求的凝固组织和高性能材料的重要方法，是研究 凝 固 理 论 和 新 型 材料的重要手段。在介绍定向凝固技术原理的基础上，评述 了 传 统 定 向 凝 固 技 术 的 发 展 及 存 在 的 弊 端 ，简 述 了 几 种 新 型 定 向 凝 固 技 术 ，以 及 它 们 在 制 备 新 材 料 中 的 应 用 。
１．２．１ 区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却 法 （ＺＭＬＭＣ） 西北工业大学李 建 国 等 通 过 改 变 ＬＭＣ 法 的 加 热 方 式，
将区域熔化与 ＬＭＣ 法 相 结 合，开 发 出 区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却定向凝固法，即 ＺＭＬＭＣ 法 。 ［１３］ 该 方 法 与 ＬＭＣ 方 法 冷 却 方式相同，利用电子束或高频感应电场集中对 凝 固 界 面 前 液 相进行加热，进一步提 高 了 温 度 梯 度。 他 们 自 制 的 ＺＭＬＭＣ 装置，其温度梯 度 最 高 可 达 １３００ Ｋ／ｃｍ，冷 却 速 度 最 大 可 达 ５０Ｋ／ｓ，凝 固 速 率 可 在６～１０００μｍ／ｓ内 调 节 。 采 用 ＺＭＬＭＣ 法，可显著细化高温合金定向凝固一次枝晶和 二 次 枝 晶 的 间 距。但是，该方法单 纯 地 采 用 强 制 加 热 方 法，通 过 提 高 温 度 梯度来提高凝固 速 度，未 能 获 得 较 大 的 冷 却 速 度，却 需 要 散 发掉较多的热量，冷 却 速 度 的 提 高 受 限，一 般 很 难 达 到 快 速 凝固。目前这方面的研究还处于试验阶段。 １．２．２ 电 磁 约 束 成 形 定 向 凝 固 （ＤＳＥＭＳ）
航空耐高温材料综述-
航空耐高温材料综述摘要：现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。
因此对于材料的耐高温性能有更高的要求，本文重点介绍几种发动机常用耐高温材料。
关键词：耐高温、镍基合金、钛基合金、航空发动机一．耐热材料发展的简述：早在1820年，法国Faraday Stodart和Borthiu分别研制出铁—镍、铁—铬合金。
1902年在法国发展了镍铬钢，当时都作为抗腐蚀材料的用途，1912年德国Kruppt获得了两种镍铬钢的专利（铁素体钢 0.15%C、14%Cr、1.8%Ni；奥氏体钢 0.25%C 20%Cr 7%Ni）它们都是现在耐热不锈钢和Fe基耐热合金的基础。
在镍铬钢发展的年代里，1910年美国Haynes研制了钴基合金，由于钴基合金具有高的硬度，当时主要呗用作切削工具等。
直到30年代里，人们对钴基合金的耐高温性质有了新的认识,并在蒙氏合金的基础上发展了镍基合金。
这就是后来被广泛应用在燃气涡轮叶片等材料的钴基合金与各种镍基耐热合金的开端。
地面燃气涡轮动力在工业上的发展，在30年代里有力的推动了耐热材料的发展。
Fe基耐热合金是当时用作涡轮盘和叶片的主要材料。
40年代初钴基合金铸造问题的改进与镍基合金高温强化问题的解决，从材料上提供了航空燃气涡轮发展的条件。
二次大战以后，随着航空喷气动力技术的迅速发展，各国对耐热合金材料相继进行了大量的研究和改进，在原有基础上不断提高镍基钴基合金的高温性能；在陶瓷、金属陶瓷以及高熔点的金属材料领域展开了广泛的研究工作。
二．现代航空耐高温材料现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。
提高发动机的推理与有效工作系数，需要提高工作温度或压缩比，比如：涡轮喷气发动机的进气温度从815度升高到1040度，推理相应增大30%--40%。
镍基单晶高温合金研究进展
镍基单晶高温合金研究进展独立为一个领域的镍基单晶高温合金（Ni-Based Single-Crystal Superalloys）研究起步于20世纪50年代，主要目标是在高温、高压、高速等极端环境下保持优异的力学性能。
如今，这一领域已经取得了显著的进展，推动了航空航天、能源等关键工业的发展。
受制于晶体缺陷（如位错、晶界和第二相）对材料力学性能的影响，研究者最初承认了单晶材料在抗蠕变强度、抗腐蚀和抗氧化性方面的潜力，这让镍基单晶高温合金的研究开始受到关注。
随着应用需求和制造技术的进步，研究者开始探索新的冶金设计原理，克服制约合金性能提升的关键元素/组织的影响。
在材料选择方面，硬化元素（如铝、钛），刚性和解析强化元素（如钨、镍）以及一些其他元素（如镍、镍酮等）已经得到广泛采用。
而在微观组织设计上，利用多元素固溶强化，普遍采用的'γ/γ'二相组织设计以及精细的嵌套共析组织设计已经取得了显著的力学性能提升。
尤其是近年来在第二相强化机制理解的深入，使得研究者在了解和控制合金中不同的位错-第二相相互作用，以及在指导强化相布局优化方面取得了突破性进展。
另一方面，制备工艺也是影响镍基单晶高温合金性能的重要因素。
如今，过渡金属基单晶合金的制备工艺已经实现了工业化。
其中辐射区熔技术和定向凝固技术居于主导地位，使得合金中的第二相尺寸、形状和分布得到了有效控制，同时也保证了合金的组织均匀。
此外，结构设计也在镍基单晶高温合金的性能提升方面起到了重要作用。
近年来，材料科学家已经从多尺度、多视角对合金微观组织进行了深入研究，提出了多个有效的结构优化方案。
如对合金中强化相的尺寸、形状、分布以及取向等进行优化，引入双强化设计，实现第二相强化与固溶强化的协同增强等。
综上所述，随着理论研究、工艺技术和实际应用的深入，镍基单晶高温合金的设计和制备技术发展迅速，性能也得到了显著提升。
不过，目前镍基单晶高温合金的研究仍面临严峻的挑战，如如何进一步提高合金的使用温度，如何改善合金的持久性以及如何实现复合强化设计等。
凝固方向对单晶高温合金枝晶组织的影响
ｗｈ ｎｔ ｅｄ ｖａｉｎｄ ｇ ｅｓ ｒｍ ｏｉｉ ｃｔ ｎｄｒｃｉｎｔ ｏ ｉ ｒ ｎａｉｎｗｅｅｗｉ ｉ ５ ，ｄ ｎ ｒ ｅ ｅ ｈ ｅｉｔ ｅ ｒｅ ｏ ｓ ｌ ｆ ａｉ ｉ ｔ ｏＥ ｏ ］ｏｉ ｔｔ ｒ ｔ ｎ１ 。 ｅ ｄ ｉ ｏ ｆ ｄｉ ｏ ｅ ｏ ｅ ｏ ｈ ｔ
ｐｌｅ ｏ ｏ ａｎ ｔ ｉ ｅ ｃ ｙ ｔ ｌｓ ｍｐｌ ｓ ｓ ｌｄｉｉ ｄ ｉ ｆ ｅ ｅ ｒｅ ｔ ｔｏｎ ．Ｔｈｅ ｒ ｓ ｔ ｎｄ ｃ ｔ ｄ ｔ ａ ｉｄ ｔ ｂｔ ｉ ｈｅ ｓｎｇｌ ｒ ｓ ａ ａ ｅ ｏ ｉ ｆｅ ｎ ｄｉｆ ｒ ｎｔｏ ｉ ｎ ａ ｉ ｓ ｅ ｕｌｓ ｉ ｉａ ｅ ｈ ｔ
张龙 飞 ， 燕
平 ， 京晨 ， 赵 曾
强， 韩凤 奎
（ 铁研究 总 院 ， 京 １ ０ ８ ） 钢 北 ０ ０ １
Ｚ ＡＮＧ ｎ —ｅ， Ｈ Ｌｏ ｇ ｆｉＹＡＮ ｉ ｇ Ｚ ＡＯ ｉ ｇ ｃ ｅ Ｚ Ｐｎ ， Ｈ Ｊｎ —ｈ ｎ， ＥＮＧ ａ ｇ， ＡＮ ｅ ｇ ｋ ｉ Ｑｉｎ Ｈ Ｆ ｎ — ｕ
（ ｎ ｒ ｌＩｏ ｎ ｔ ｅ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｕ ｅ Ｃｅ ｔａ ｒ ｎ ａ ｄＳ ｅ ｌ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｉ ｓｉ ｔ ，Ｂｅｊ ｇ １ ０ ８ ， ｉａ ｔ ｉ ｎ ０ ０ １ Ｃｈ ｎ ） ｉ
镍基单晶高温合金凝固组织特征的研究进展_蔡祖鹏
镍 基 单 晶 高 温 合 金 凝 固 组 织 特 征 的 研 究 进 展／蔡 祖 鹏 等
· ８７ ·
尽可能加快凝固速度。 钢 铁 研 究 总 院 的 张 龙 飞 等 对 ［６］ 不 同 凝 固 方 向 的 单 晶 高
温合金的枝晶生长形态进行了研究。实验发现当凝固方向 沿［００１］取向时，只存在一种方向的枝晶 干，枝 晶 干 上 的 二 次 分枝对称分布，形 态 短 小；按 ［０１１］取 向 凝 固 生 长 的 单 晶 中， ［００１］和［０１０］取向上的枝晶干相互垂 直 交 截 和 衍 生，使 得 枝 晶沿（１００）晶面呈现平面发展的 形态；按［１１１］取 向 凝 固 生 长 的单晶中，３ 个 〈００１〉取 向 上 的 枝 晶 干 的 相 互 垂 直 交 截 和 衍 生，使得枝晶发展出 了 六 面 体 型 的 笼 状 枝 晶 结 构，如 图 １ 所 示。
以下主要从镍基单晶高温合金的铸造、焊接、表面 处理 ３ 个 方 面 ，对 各 自 凝 固 组 织 特 征 进 行 综 述 。
在单晶合金定向 凝 固 过 程 中，温 度 梯 度、凝 固 速 率 和 凝 固方向等参数的变化对单晶合金的凝固组织有着重要的影 响 。 ［３］
单晶高温合金 并 非 一 般 意 义 上 的 单 晶，在 定 向 凝 固 时， 由于元素偏析造成的成分过冷将导致树枝晶的形成。枝晶 形态以及枝晶臂距是影响合金组织中的溶质元素偏聚以及 枝晶间第二相尺寸和共晶相数量的重要因素，因 而 对 合 金 性 能存在影响，在镍基高温合金中细小的枝晶和 二 次 相 组 织 往 往具有更好的 性 能。 汤 晓 君 等 发 ［４］ 现 在 超 高 温 梯 度 与 高 凝 固速率条件下，镍 基 单 晶 高 温 合 金 以 枝 晶 形 态 生 长，且 随 着 凝固速率的提高，枝 晶 结 构 逐 渐 细 化，一 次 枝 晶 间 距 与 二 次 枝晶间距 都 减 小。 王 华 明 认 ［５］ 为 要 获 得 枝 晶 细 小、组 织 致 密、元素偏析小且 易 于 均 匀 化 的 单 晶 高 温 合 金 凝 固 组 织，应
单晶高温合金与定向凝固的文献综诉
单晶铸造是定向凝固中的一个特例…由一个柱状晶构成的铸件即单晶！！绪论航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。
因此消除这种横向晶界，则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。
定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。
柱状晶之间只有纵向晶界而无横向品界，这就是定向凝固的柱晶叶片，如果采取某些措施，只允许有一个晶粒成长的柱晶，从面消除了一切晶界，这就是单晶叶片。
由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。
1.定向凝固1.1定向凝固原理进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基本条件:(l)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进;(2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。
1.1.1定向凝固过程定向凝固时合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。
在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热，且结晶前沿是正向温度梯度，根据立方晶系的金属及合金（Ni、Fe、Co等及其高温合金）在结晶过程中晶体<100>是择优取向，长大速度最快，从而那些具有<100>方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。
只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<100>的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。
散热方向正温度梯度图1-1 晶体定向生长示意图1.1.2凝固参数定向凝固的结晶组织与凝固参数即温度梯度G和凝固成长速率R有密切关系。
镍基单晶高温合金凝固缺陷研究进展
赵新 宝 ， 。刘
林 杨初 斌 张 ， ，
军。 李玉 龙 傅恒 志 ， ，
（ １西 北工业 大 学 航空 学 院 ， 西安 ７ ０ ７ ； １ ０ ２ ２西北 工业 大学 凝 固技 术 国家重 点实 验室 ， 安 ７ ０ ７ ） 西 １ ０ ２
ＺＨ ＡＯ ｎ— ａ ， Ｕ ｎ ＹＡＮＧ Ｘｉ ｂ ｏ ＬＩ Ｌｉ ， Ｃｈｕ ｂ ｎ — ｉ ，
ｃ ｓ ．Ｓ ｍ ｅ ｉ ｏ ｔ ｎ ａ ｔ ｇ ｄ ｆ ｃ ｓｆ ｒ ｅ ｎ ｔ ｅｄ ｒ ｃ ｉ ｎ １ｓ ｌ ｉ ｃ ｔｏ ｒ ｃ ｓ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ｏ ｔ ｏ ｍｐ ｒ ａ ｔｃ ｓ ｉ ｅ ｅ ｔ ｏ ｍ ｄ ｉ ｈ ｉｅ ｔｏ ａ ｏ ｉ ｆ ａ ｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｓａ ｅ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ。ｉ — ｎ ｄ ｉ ｎ ｃ ｕ ｉ ｇ ｐ ｒ ｓｔ ｆ ｅ ｋ ｅ ，ｍｉｏ ｉｎ ａ ｉ ｎ ａ ｄ ｓ ｒ ｙ ｇ ａｎ ．Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅｆ ａ ｕ ｅ ｎ ｏ ｍａ ｉ ｎ ｍ ｅ ｈ ｌ ｄ ｎ ｏ ｏ ｉｙ， ｒ ｃ ｌ ｓ ｓ ｒ ｅ ｔ ｔｏ ｎ ｔ ａ ｒ ｉ ｓ ｓ ｄ ｏ ｈ ｅ ｔ ｒ ｓａ ｄ ｆ ｒ ｔ ｃ — ｏ
定向凝固和单晶高温合金再结晶影响因素_张兵
1300
图2 单晶SRR99高温合金再结晶厚度随热处理温度的变化 Fig.2 Relationship between recrystallized layer depth of SC
superalloy SRR99 and annealing temperature
200 (a)
180
1601Biblioteka 0关键词：定向凝固高温合金，单晶高温合金；再结晶；影响因素
中图分类号：V252;V232.4 文献标识码：A 文章编号：1007-5453（2014）05-0109-05
定向凝固和单晶高温合金具有优异的高温力学性能， 1 热处理温度对再结晶的影响
已广泛应用于制造航空发动机涡轮叶片。随着铸造高温合
合金再结晶厚度的影响。结果显示，随着热处理温度升高， 再增长，再结晶过程完成。图3所示为单晶SRR99高温合金
再结晶厚度逐渐增加，特别是当热处理温度接近γ'相的固 再结晶厚度随热处理时间的变化。
溶温度时，再结晶厚度随温度的升高而显著增加。图2所示
Jo等[10]研究了CMSX-2喷丸试样在略低于固溶温度下
度增长速率逐渐降低，保温一段时间后再结晶厚度几乎不 过枝晶间区域而继续向内部迁移，最后形成厚度比较均匀
Depth再of r结ec晶ry厚st度allized layer /µm Depth of recr再yst结all晶iz厚ed l度ayer /µm
200
150
100
50
0
1000
1050
1100 1150 1200 1250 An热ne处a理lin温g t度em/℃perature /ņ
112 航空科学技术
May. 15 2014 Vol. 25 No.05
定向凝固和单晶高温合金的再结晶
Ａｂｔ ｃ ：ｈ ａｉ ｃａａｔ ｉ ｉ ． ａｍ ｕ ｅ ｅｔ ａ ｄｎ ｊｒ ｎ ｕｎｉｇｆ ｔ ｓａ ｅ ｓ ｈ ｈｓ ａ ｓｅｃ ｅｙｔ ｉ ｔ ｎｏ ｓｒ ｔＴ ｅｂｓ ｈｒｃ ｒ ｔ ｓ ｈｒ ｆｌ ｆｃｓ ｎ ￣ ｏ ｆ ｅｃｎ ｃ ｒ ｓｗ ｌａ ｅｐ ｙｉ ｌ ｓｎｅｏ ｒ ｒｓ ｌｚ ｉ ｎ ａ ｃ ｅ ｓｃ ｉｌ ａｏ ｌ ｔ ｃ ｅ ｆｅ ａ ａｏ ｄ ｅｔ ｎｌ ｏｄｆ ｄ Ｄ ）ｓｐｒｌ ｙ ｎ ｉ ｌ ｙｔ （ ｃ）ｓｐｒ ｌ ｓ ｅｅ ｒｌ ｅ．Ｔ ｅ ｅｒｓ ｌｚｔ ｎｂｈ ｖ ｒ ｆ ＳａｄＳ ｉ ｃｉ ａ ｙｓｌ ｉｅ （ Ｓ ｕ ａｏｓａｄｓ ｇｅ ｒｓ ｌｓ ｒ ｏ ｌ ｉｉ ｅ ｌ ｎ ｃ ａ ｕ ａ ｏ ｒ Ｉｙ ｄ ｈ ｃｙｔ ｌａ ｏ ｅ ａｉ ｎ Ｃ ｅ ｌｙ ｗ ａａ ｚ ｒ ａｉ ｉ ｏ ｏＤ
定向凝固和单晶制备技术
图7 PD法原理图
2 2.3
传统定向凝固技术
快速凝固法（HRS法）
1 快速凝固法是指铸件以一定的速度从炉中 移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式， 而且炉子保持加热状态。这种方法由于避 免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而 获得了较高的温度梯度和冷却速度,，所获 得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且 较均匀，使铸件的性能得以提高。
对 流 下 的 定 向 凝 固 技 术
重 力 场 作 用 下 的 定 向 凝 固 技 术
2 2.1
传统定向凝固技术
炉外法
又叫发热剂法，是定向凝固工艺中最原始的一种。 1 基本原理：将铸型预热至一定温度后，迅速放到激 冷板上并进行浇铸，激冷板上喷水冷却，从而在金 属液和已凝固金属中建立一个自下而上的温度梯度， 实现单向凝固。也有采用发热铸型的，铸型不预热， 而是将发热材料充在铸型壁四周，底部采用喷水冷 却。
镍铬合金
实例
表2-1:Mar-M200合金三种不同定向凝固工艺比较 1
2
传统定向凝固技术总结
小结
定向凝固技术从炉外法发展到炉内法，从PD法 1 LMC法其目的都是共同的，都是通过改 HRS法再到 变对凝固金属的冷却方式来提高对单向热流的控制， 从而获取更理想的定向凝固组织，尤其是LMC方法 已经被美国、俄罗斯等国家利用航空发动机的叶片。 然后，这些方法所获得的冷却速度却是有限的，从 而引发了对新型定向凝固技术的研究。
图10 区域融化液态金属冷却原理图
3
新型定向凝固技术
激光超高温度梯度快速定向凝 固
定向凝固方法，由于受加热方法的限制，温 1 度梯度不可能再有很大提高，要使温度梯度 产生新的飞跃，必须寻求新的热源或加热方 式。
单晶高温合金先进定向凝固技术及其精确模拟
一、概述随着航空航天、火箭发动机、能源等领域的快速发展，对高温合金材料的需求也越来越高。
在这些领域中，单晶高温合金因其优异的高温强度、抗氧化性和耐热腐蚀性成为热力机械零部件和结构零部件的首选材料。
而定向凝固技术作为制备单晶高温合金的关键技术之一，对于提高材料的性能和稳定性起着至关重要的作用。
二、单晶高温合金的特性1. 高温强度：单晶高温合金具有优异的高温强度，能够在高温下保持较好的机械性能。
2. 抗氧化性：单晶高温合金能够在高温高氧环境中抵御氧化的侵蚀，保持材料表面的稳定性。
3. 耐热腐蚀性：单晶高温合金对于热腐蚀的抵抗能力较强，能够在恶劣的环境中保持较长的使用寿命。
4. 高温热疲劳寿命：单晶高温合金具有较长的高温热疲劳寿命，适用于高温循环载荷工况下的使用。
三、定向凝固技术的发展1. 传统凝固工艺：传统的高温合金铸造多采用自由凝固工艺，随机形核、异质晶核的生成容易导致晶粒取向不一致，降低了材料的性能。
2. 定向凝固技术的出现：定向凝固技术通过控制晶粒生长的方向和速度，使得合金呈现出优异的单晶结构，大大提高了材料的性能和稳定性。
3. 遗传晶核技术：遗传晶核技术是定向凝固技术的重要发展方向，通过精密的晶种设计和控制，实现了更加精确的晶粒取向和生长，进一步提高了单晶高温合金的性能。
四、定向凝固技术的关键问题1. 晶种设计：合理的晶种设计是定向凝固技术成功的关键，需要考虑晶种的形状、大小、取向等参数。
2. 流体动力学模拟：定向凝固过程中，流体动力学对于晶种的输送和生长起着至关重要的作用，需要进行精确的流体动力学模拟。
3. 界面热传导：在定向凝固过程中，界面热传导对于晶粒的形成和取向有着重要影响，需要进行精确的热传导模拟。
五、定向凝固技术的精确模拟1. 多尺度模拟：定向凝固涉及到多个尺度的物理过程，需要考虑宏观流体动力学、界面热传导以及微观晶粒生长等多方面因素。
2. 数值模拟方法：通过有限元/体元方法、格子Boltzmann方法等数值模拟手段，可以进行精确的定向凝固过程模拟。
定向凝固(又称为定向结晶)简介
定向凝固（又称为定向结晶）定义定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属样未凝固熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体在气壁上形核后沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。
该技术最初是在高温合金的研制中建立并完善起来的。
采用、发展该技术最初是用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能。
该技术运用于燃气涡轮发动机叶片的生产，所获得的具有柱状乃至单晶组织的材料具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较高的蠕变抗力和中温塑性，因而提高了叶片的使用寿命和使用温度，成为当时震动冶金界和工业界的重大事件之一。
定向凝固技术对金属的凝固理论研究与新型高温合金等的发展提供了一个极其有效的手段。
但是传统的定向凝固方法得到的铸件长度是有限的，在凝固末期易出现等轴晶，且晶粒易粗大。
为此出现了连续定向凝固技术，它综合了连铸和定向凝固的优点，又相互弥补了各自的缺点及不足，从而可以得到具有理想定向凝固组织、任意长度和断面形状的铸锭或铸件。
它的出现标志着定向凝固技术进入了一个新的阶段。
定向凝固技术的最大优势在于，其制备的合金材料消除了基体相与增强相相界面之间的影响，有效地改善了合金的综合性能。
同时，该技术也是学者们研究凝固理论与金属凝固规律的重要手段。
原理实现定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固-液界面；其次，在晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心。
为此，在工艺上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固一液界面的熔液中应造成较大的温度梯度，这是保证非定向柱晶和单晶生长停止、取向正确的基本要素。
实现定向凝固应满足凝固界面具有稳定的定向生长要求，抑制固一液界面前方可能出现的较大成分过冷区，而导致自由晶粒的产生。
根据成分过冷理论，固一液界面要以单向的平面生长方式进行长大时，需要保证足够大（为晶体生长前沿液相的温度梯度，R为界面的生长速度），这就需要通过以下几个基本工艺措施来保证：①严格的单向散热，要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用之下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的形核和长大；②要减小熔体的异质形核能力以避免界面前方的形核现象，即要提高熔体的纯净度；③要避免液态金属的对流、搅动和振动，以阻止界面前方的晶粒游离。
高温合金定向凝固技术研究进展
第29卷 第7期2010年7月中国材料进展MATER I A LS CH I NAV ol 29 N o 7Ju l 2010收稿日期:2009-12-09基金项目:国家自然科学基金资助项目(50771081,50827102,50931004);科技部973计划项目(2006CB605202,2010CB631202);科技部863计划项目(2007AA03Z552)通信作者:刘 林,男,1956年生,教授,博士生导师高温合金定向凝固技术研究进展刘 林,张 军,沈 军,黄太文,傅恒志(西北工业大学,陕西西安710072)摘 要:首先回顾了定向凝固的发展历史,重点分析了液态金属冷却定向凝固的技术特点。
总结了高温度梯度下制备的定向凝固法单晶高温合金在组织和性能方面的研究现状,结合作者在本领域的研究,着重分析了定向凝固温度梯度、凝固速率、晶体取向、熔体超温处理、熔体对流控制对组织和性能的作用规律和机制,认为高温度梯度定向凝固是细化组织、减少缺陷、提高合金性能的重要途径。
最后展望了高温合金定向凝固的发展趋势。
关键词:定向凝固;高温合金;凝固组织;持久性能中图分类号:TG 111 4 文献标识码:A 文章编号:1674-3962(2010)07-0001-09Advances in D irectional SolidificationTechniques of SuperalloysL IU L in ,Z HANG Jun ,SHEN Jun ,HUANG T ai w en ,F U H engzh i(N orth w estern Po lytechn ical U n i versity ,X i an 710072,Ch i na)Abstrac:t Th i s paper first rev i ew s t he history o f the deve l op m ent o f directi onal so li dificati on ,focus i ng on ana l ys i s o f liq -u i d m eta l coo led d irectiona l so li dificati on charac teristi cs .W e su mm ar ize so li d ifi cation m icrostruc t ure and m echanica l prope r -ti es o f se lected d irectiona lly soli d ifi ed and si ng l e cry sta l supera ll oy prepared under h i gh the r m al d irec tiona l soli d ifi cation w ithautho r s research fea t ures i n t h is fie l d .The effects o f ther m a l g radien t ,so lidifica ti on rate ,cry sta l or i entati on ,m e lt -supe r -heati ng and m elt convec tion on t he m i c rostructure and m echanical prope rti es o f supe ra lloys were ana l yzed .W e concl ude t hat t he high ther m a l gradient d irectiona l soli d ifi cation i s an i m portant way t o re fi ne t he m icro struct u re ,reduce defects ,and i m -prove perfor m ance o f superall oys .F ina lly ,the future trends directi onal so li d ificati on of supera ll oys w as pro spected .Key w ords :directiona l so li dificati on ;superall oy s;so li d ifi ca ti on m icro structure ;stress rupture properti es 1 前 言定向凝固是一种强制性凝固过程。
定向凝固和单晶高温合金及涡轮叶片的发展
定向凝固和单晶高温合金及涡轮叶片的发展下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
文档下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用，谢谢！本店铺为大家提供各种类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，想了解不同资料格式和写法，敬请关注！Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!定向凝固和单晶高温合金及涡轮叶片的发展1. 引言在航空航天工业和能源行业中，高温合金材料的发展至关重要。
高温合金钢的铸造与凝固行为研究
高温合金钢的铸造与凝固行为研究近年来,高温合金钢在航空航天、船舶、能源等领域得到了广泛应用。
高温合金钢的良好性能主要依赖于其铸造和凝固行为的研究。
本文将对高温合金钢的铸造与凝固行为进行探讨。
合金钢是一种含有铁元素的合金，其在高温条件下具有良好的力学性能和耐腐蚀性能。
高温合金钢主要由铁、碳、铬、钼等元素组成，其中钛、锆、铌等元素的加入可以提高其高温强度和耐热性。
高温合金钢的铸造过程是将熔融的合金钢注入到铸模中形成所需的形状。
在铸造过程中，合金液的凝固行为对最终产品的性能起着关键作用。
凝固行为包括晶粒生长、相变和缺陷形成等过程。
晶粒生长是指熔融合金钢中晶核逐渐长大并形成晶粒的过程。
晶粒的大小和形状对合金钢的力学性能和耐热性能有着重要影响。
晶粒尺寸的细化可以提高合金钢的强度和韧性。
而晶粒的形状也会影响到合金钢的力学性能，例如长条形晶粒易于引起晶间脆性。
相变是指在合金钢凝固过程中原子重新排列形成新的相的过程。
不同相的形成会对合金钢的性能产生不同的影响。
例如，添加适量的铌和钼可以使高温合金钢在高温下保持较好的强度和韧性。
缺陷形成是指合金钢凝固过程中可能出现的缺陷，包括气孔、夹杂物等。
缺陷的存在会降低合金钢的力学性能和耐腐蚀性能。
因此，在铸造过程中需要采取措施来减少缺陷的形成，如控制铸造温度和压力，优化铸造工艺等。
研究高温合金钢的铸造和凝固行为可以帮助我们了解在不同工艺条件下合金钢的性能变化规律。
通过控制铸造和凝固过程中的参数和工艺，可以优化合金钢材料的性能。
例如，通过采用定向凝固工艺可以得到晶粒尺寸均匀、晶粒方向一致的高温合金钢，提高其力学性能和耐热性能。
此外，研究高温合金钢的铸造和凝固行为还有助于解决合金钢铸造过程中可能出现的问题。
例如，研究合金液的流动和凝固行为可以帮助解决涡流和渣球等缺陷的产生。
同时，研究合金钢的凝固行为也有助于预测材料在冷却过程中可能产生的应力和变形，从而优化铸造工艺，提高产品的质量和可靠性。
镍基单晶高温合金研究进展
镍基单晶高温合金研究进展孙晓峰，金涛，周亦胄，胡壮麒（中国科学院金属研究所，沈阳 110016）摘要：单晶高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。
由于采用定向凝固工艺消除了晶界，单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶和时效处理，其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高。
经过几十年的发展，单晶高温合金已经在合金设计方法、组织结构与力学性能关系、纯净化冶炼工艺和定向凝固工艺等方面取得了重要进展。
本文从单晶高温合金成分特点、合金元素作用、强化机理、力学性能各向异性、凝固过程及缺陷控制、单晶制备工艺等方面，简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。
关键词：单晶高温合金；强化机理；定向凝固；各向异性Research Progress of Nickel-base Single Crystal SuperalloysSun Xiaofeng, Jin Tao, Zhou Yizhou, Hu Zhuangqi(Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)Abstract:Single crystal superalloys have been widely used to make turbine blades and guide vanes for aero-engines and industrial gas turbines because of improved strength, creep-rupture, fatigue, oxidation and hot corrosion properties as well as stable microstructure and reliability at high temperature environments. After removal of grain boundary by using directional solidification technique, grain boundary elements which decrease the incipient melting temperature were reduced remarkably in single crystal superalloys. Consequently, the solution and aging treatment of single crystal superalloys can be done at higher temperature due to the enhanced incipient melting temperature, and then the high temperature strength of single crystal superalloys is higher than that of equiaxed and directionally solidified superalloys. There were great progress on approach of alloy design, relationship between structure and mechanical performances, process of pure smelting and processing of directional solidification in the last decades. The present work reviews these progress from compositions of alloys, role of elements, mechanism of strengthening, anisotropy of mechanical properties, procedure of solidification, control of defects and processing of single crystal superalloys.Key words：single crystal superalloy；mechanism of strengthening；directional solidification；anisotropy of properties——————————————————基金项目：国家973计划项目（2010CB631206）通讯作者：孙晓峰，男，1964年生，研究员，博士生导师1引言高温合金（Superalloy）是以铁、镍、钴为基体的一类高温结构材料，可以在600℃以上高温环境服役，并能承受苛刻的机械应力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
绪论航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。
因此消除这种横向晶界，则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。
定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。
柱状晶之间只有纵向晶界而无横向品界，这就是定向凝固的柱晶叶片，如果采取某些措施，只允许有一个晶粒成长的柱晶，从面消除了一切晶界，这就是单晶叶片。
由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。
1.定向凝固1.1定向凝固原理进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基本条件: (l)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进;(2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。
1.1.1定向凝固过程定向凝固时合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。
在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热，且结晶前沿是正向温度梯度，根据立方晶系的金属及合金（Ni、Fe、Co等及其高温合金）在结晶过程中晶体<100>是择优取向，长大速度最快，从而那些具有<100>方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。
只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<100>的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。
图1-1 晶体定向生长示意图1.1.2凝固参数定向凝固的结晶组织与凝固参数即温度梯度G和凝固成长速率R有密切关系。
温度梯度G是指该处的温度随距离的变化(эT/эZ)，特别是凝固区附近的温度梯度G值的大小是控制定向凝固的关键性参数。
（多年来定向凝固工艺的改进多着眼于此，如最初的功率降低法，G值小于10℃/cm，而现在的液体金属冷却法则可达到200℃/cm以上。
）G值愈大，合金的凝固区愈窄，铸件的补缩愈好，疏松愈少组织愈致密。
凝固成长速率R是指柱状晶生长的速率，R值愈大，则凝固过程愈短，生产效率愈高。
比值G/R是合金凝固区成长形态的特征参数，不同的G/R比值，会获得不同的结晶组织。
G/R比值小，通常为树枝状凝固界面，得到柱状晶或等轴晶，目前工业生产中的铸锭和铸件的结晶组织都属于这一类。
G/R比值增大到某临界值以上时，则凝固界面为胞状，得到胞状晶。
当G/R比值很大时，凝固界面平滑，得到平面型结晶，凝固界面结晶形式与R、G值的关系如图1-2所示。
图1-2 温度梯度G和凝固速率R对凝固界面结晶形式的影响散热方向乘积G×R用β表示，其物理意义为单位时间内的温度变化，即冷却速率。
式中 TL 和TS—为液相线和固相线温度；△τ—局部凝固时间，即铸件某处由液相线温度到固相线温度所经过的时间间隔；l —固液相线温度差所经距离，也即为△τ局部凝固时间内柱状晶成长的距离。
一定的合金，冷却速率越大，则局部凝固时间越短，该合金晶体的二次枝晶臂距(s2)越细小,也意味着合金组织均匀致密，强度和抗疲劳性能好。
1.2定向凝固工艺定向凝固工艺主要有发热铸型法、功率降低法、高速凝固法和液态金属冷却法。
目前高速定向凝固法是高温合金精铸定向凝固技术中应用最广的一种方法，大量涡轮叶片都是采用这种工艺生产的，液态金属冷却法尚处于试验阶段。
1.2.1发热铸型法其凝固过程如图1-3所示。
金属液注入后，由于水冷铜板的激冷导热，底部开始结晶，形成细小等轴晶层，以后晶粒择优取向，< 100 >取向晶粒优先长大，开始柱晶生长。
在柱晶长大过程中，铸型周围的发热剂放热补充热流，使柱晶继续长大，直至过热逐渐消失，温度梯度G值减小，开始等轴晶的生长。
发热铸型法简单便宜，其主要缺点是随板距增大，G与R值均迅速下降，使柱晶由轴向平面转向扇面，树枝晶大小及偏角发生变化。
图1-3 发热铸型法1.2.2功率降低法（PD 法）是最初用于生产规模的定向凝固叶片铸造工艺，其装置如图1-4所示。
该装置的感应体一般由石墨制成，其内型壳放置于水冷底盘上，合金的熔化、铸型预热、浇注及铸件的凝固等均在真空下进行，型壳预热到合金的浇注温度后，再浇入合金熔液，随之切断下面一组的感应圈的电流，使其内合金熔液在上高下低的温度梯度下从水冷底板处开始结晶并向上长大，随后逐渐降低上部感应圈的电功率，保证柱状晶的生长直至全部凝固结束。
图1-4 功率降低法功率降低法可以根据预定的冷凝曲线控制凝固增长速率R ，从而得到较满意的柱晶组织。
缺点是：1）周期长，生产效率低；2）由于凝固过程中凝固区前方发生合金熔体的局部对流，容易在铸件表面产生呈链状分布的“雀斑”缺陷，消除“雀斑”的关键是增大凝固区附近的温度梯度；3）随着柱状晶的生长，凝固区逐渐远离冷却底盘，温度梯度G 和凝固增长速率R 逐渐变小，铸件水平方向出现温度差，侧壁的型壳散热，造成铸件组织在垂直和水平方向上的不均匀性。
1.2.3高速凝固法(HRS 法) 为了提高定向凝固速率，发展了高速定向凝固法，其装置如图1-5所示。
与功率降低法不同之处，只是在感应加热体下部安装一隔热挡板，并在水冷底盘下添上一个型壳抽出机构，使浇注后型壳随同冷却底板逐渐下移。
隔热挡板则挡住了感应体的辐射热，使型壳内未凝固区处于热区的高温下，而型壳移出部分的凝固区处于冷区，热流则由水冷板通过传导移出，一部分热流则通过辐射向四周散热，从而合金凝固界面前沿的温度梯度G值比一般功率降低法提高2倍，凝固增长速率R值提高近4倍。
铸件质量和生产效率都显著提高，较长的定向叶片也可由此法制得。
图1-5 高速凝固法1.2.4液体金属冷却法(LMC法)该法装置如图1-6所示，其特点是有一冷却剂槽。
对冷却剂的要求是熔点低，沸点高，蒸气压低，且对高温合金的物理化学和力学性能应无影响。
通常用的冷却剂为液体锡，锡的熔点只有505k，沸点高达2540k。
图1-6 液态金属冷却法1-降落机构户；2-真空室；3-吊架；4-加热器；5-型壳；6-液锡池;7-电热丝；8-转轴2.单晶铸造工艺从热流控制角度来看，上述定向凝固工艺均可用来制得单晶。
单晶工艺主要是在型壳设计上有所不同，即增设了单晶选择通道，使一定数量的晶粒进入单晶选择通道底部，只有一个晶粒从选择通道顶部露出并充满整个型腔。
单晶选择通道一般采用小直径向上角度的螺旋体或几个直角转弯的通道，典型的螺旋体直径为0.3~0.5cm。
与定向凝固过程相同，在水冷铜板上首先形成许多任意取向的晶粒，然后在择优取向生长原则下，<100>取向的晶粒优先生长，有更快的生长速度，通常有2~6个<100>或<110>取向的晶粒进入单晶选择通道，经过一或二圈的螺旋体后，只有一个<100>晶粒出现于型腔底部并生长，从而制得单晶叶片。
为了阻止型壳内各部分杂晶形核的发生，单晶型壳的预热温度和熔融合金的过热度更高，典型的模温为1500~1600℃，比定向凝固柱晶高出25~100℃，温度梯度也由约36℃/cm提高到72℃/cm。
单晶叶片型壳设计特点及合金熔体在选择通道内的凝固过程示意如图2-1所示。
图2-1 单晶法示意图a-单晶叶片铸型设计；b-单晶叶片凝固过程图2-2是一种单晶涡轮叶片及其选择通道的实物图片。
在单晶叶片凝固过程中，有一系列的截面变化发生，如叶身到平台及平台到榫（ｓǔｎ）根，此时必须调节热流，使固、液相等温线近似水平并使之位于挡板附近处，以防止杂晶生核，破坏单晶的生长，为此必须通过挡板设计、壳模的厚度及型壳移动速度的调节，来恰当地控制热流，使其凝固界面保持水平并在挡板附近。
图2-2 单晶叶片及其选择通道实型3.定向凝固及单晶合金的组织、性能3.1组织 ①定向凝固合金呈柱晶组织，按择优取向原则，柱晶取向一般为<100>，但柱晶间并不严格平行，往往有短小的横向晶界存在，柱晶与主应力轴之间的偏离一般控制在10° ~ 15°之内。
柱晶合金组织与定向凝固工艺有关，随着温度梯度G 与凝固生长速度R 值的提高，枝晶组织及γ´相尺寸变细小，碳化物等偏析程度减轻，合金的强度及塑性随之得到改善。
②单晶合金组织受定向凝固参数的影响，如NASIR-100合金在不同凝固速率R 下（温度梯度G 值不变）的铸态组织形貌，即随着凝固速率R 值的增大，分别得到平面、胞状、粗枝和细枝的界面凝固单晶。
平面界面凝固的合金显微组织只有γ基体相和γ´相两相组成，γ´相粗大，且呈不规则形状。
而在胞状和枝晶界面凝固单晶内，往往有少量γ/γ´共晶出现于胞晶间或枝晶间隙内，γ´相随凝固速率增大面愈益细小，形状趋向于规则的立方体。
当前，单晶炉的温度梯度G 值不大，为了获得平面或胞状单晶凝固，必然减小凝固速率R值，而获得过大的不规则形态的γ´相，使合金高温蠕变性能降低，因此至今各国实际研究和应用的单晶涡轮叶片，都是枝晶凝固下的合金组织。
3.2性能定向及单晶合金对瞬时拉伸性能的影响如图3-1和图3-2所示，与普通铸造合金相比，单晶和定向合金的拉伸强度σ提高不多，但延伸塑性有明显的改b善。
图3-1 不同温度下三种铸造形态（普通铸造、定向、单晶）的Mar-M200合金拉伸性能a-屈服强度与温度的关系；b-抗拉强度与温度的关系图3-2 不同温度下三种铸造形态(普通铸造、定向、单晶)的Mar-M200合金延伸率②定向及单晶合金的一个显著特点是其弹性模量小，如图3-3所示，从而定向及单晶合金的热疲劳性能成倍提高。
如图3-4是现代单晶合金和普通铸造的IN100合金的承温能力与热疲劳寿命对比结果。
图3-3 定向与普通铸造Mar-M200合金的弹性模量E静随温度的变化图3-4 现代单晶合金与普通铸造镍基高温合金IN100的承温能力和热疲劳寿命③定向及单晶合金的最显著的性能特点是蠕变强度及持久性能的成倍提高，特别是持久塑性远远高于普通铸造合金，如表3-1所示。
表3-1 Mar-M200合金的蠕变强度和持久性能④单晶合金的力学性能还与其晶体取向有关，不同取向对单晶合金持久寿命及屈服强度的影响不同。
参考文献1 黄乾尧，李汉康等.高温合金.北京:冶金工业出版社，20002 胡汉起.金属凝固原理，第2版.北京:机械工业出版社，20003 高温合金手册编写组编，高沮合金手册.19824 铸造高温合金论文集编委会编，铸造高温合金论文集1993.北京:中国科学技术出版社，19935 W.Kurz，D.J.Fisher.Fundamentals of Solidification，4th revised edition.北京:高等教育出版社，2010。