定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考

定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考刘　健,李　理,曾　斌,彭广威Ξ(湘潭大学材料研究中心,湖南湘潭411105) 摘　要:回顾了单晶高温合金的发展历史,结合晶体学知识系统总结与分析了制取高温合金单晶的两种定向凝固技术的原理与晶体竞争生长机制.对两种方法现有工艺的优缺点进行了深入思考与比较,提出了两种制取任何所希望取向理想单晶的新方法,旨在为完善单晶高温合金的制取工艺提供新思路.关键词:定向凝固;单晶高温合金;择优生长;选晶;籽晶中图分类号:TG244.3 文献标识码:A 文章编号:1671-119X(2005)02-0049-040　引　言自20世纪80年代初第一代单晶高温合金研制成功之后,单晶高温合金的发展甚为迅速.1988年,美国PW公司推出了工作温度比第一代单晶高温合金PWAl480约高30℃的PWAl484,继之又出现性能水平相当的ReneN5、CMSX—4等单晶高温合金,称为第二代单晶高温合金.时隔不到5年,1993年12月和1994年11月先后公布了两个标志着单晶高温合金的发展进入新阶段的第三代单晶高温合金ReneN6、CMSX—10[1].一代又一代单晶高温合金的相继出现和应用,为航空发动机和地面燃气轮机的性能大幅度提高作出了重大贡献.上个世纪90年代,几乎所有先进航空发动机都采用单晶高温合金.如推重比为10的发动机F119(美)、F120(美)、GE90(美)、E J200(英、德、意、西)、M882(法)、P2000 (俄)等[2].在单晶高温合金的生产和应用蓬勃发展的同时,各国高温合金同行们在单晶高温合金强化机制、凝固理论、环境抗力、合金设计、工艺优化等方面进行了愈加深入的研究,为提高力学性能、工艺性能和环境性能作了巨大的努力.我国从70年代末开始研究单晶高温合金及工艺,北京航空材料研究所、中国科学院金属研究所、冶金部钢铁研究总院、西北工业大学、上海交通大学等单位都对单晶高温合金和工艺进行过卓有成效的研究,研制成功一批单晶高温合金[3-4],井获得初步应用,建立了一套单晶工艺及设备.在单晶高温合金凝固理论、强化机制、取向控制以及数值模拟等方面进行过较深入的研究.但是无论是定向合金还是单晶高温合金,性能水平都还落后于国际先进水平.为此,廖世杰教授于1987年首次提出了若干定量评估定向凝固程度的参数[5],不仅使定向凝固程度有了定量的描述,最重要的是可以更深层次地检验定向凝固是否成功,从而将定向凝固理论向前推进.影响单晶铸件性能的因素主要是合金成分和制取工艺.在合金成分设计方面以日本金属技术研究所提出的新成分设计流程和d电子合金设计法最为成熟[2].制取单晶高温合金以正常凝固法中的定向凝固法应用最为广泛和最有效.固-液界面前沿液相中的温度梯度G L和晶体生长速度R是定向凝固技术的重要工艺参数, G L/R值是控制晶体长大形态的重要判据.因此,如何控制好固-液界面温度场从而获得具有理想晶体形态的单晶是非常重要的.当前很多人对固液界面温度场进行了深入研究,并且建立了大量描述定向凝固固液界面温度变化规律的数学模型.廖世杰等人先后建立了一种能够精确描述一维和二维定向凝固过程中固液界面温度场的理论模型[6-7],并且由此模型推导出了一系列热参数,包括温度梯度G L,凝固速度R,冷却速度V以及界面特征温度T c,这对于实时掌握动态的材料凝固过程从而采取相应措施控制它获得最佳凝固组织是非常有用的.尽管如此,但是综观单晶高温合金定向凝固法的发展历史,第15卷第2期2005年6月 湖南工程学院学报Journal of Hunan Institute of EngineeringVo1.15.No.2J une.2005Ξ收稿日期:2005-01-02作者简介:刘　健(1978-),男,硕士研究生,研究方向:定向凝固织构.不难发现由于工艺问题,单晶高温合金的完整性一直不是很理想.本文的目的就是系统总结与分析前人的研究成果,再结合相关现代晶体学知识,在定向凝固工艺方面为单晶高温合金的发展与完善提出新的见解.1　单晶高温合金定向凝固工艺的原理与晶体竞争生长机制分析1.1　籽晶法首先将和所要铸造的单晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模壳的最底部,然后将过热的熔融金属液浇注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰当地控制固液界面前沿液体中的温度梯度和晶体的生长速度,金属熔液就会从未被熔化的籽晶部分开始往金属液中生长,并最终形成晶体取向与籽晶相同的单晶,这就是籽晶法.我们知道,在一般的铸造中,如果与金属液直接接触的模壳表面不是很连续或者加工后残留有应力的话,往往会引发再结晶进而发生等轴晶形核或者发生异质形核.由于籽晶法结晶并不是过热金属液碰到籽晶立即进行,而是先使部分籽晶熔化,然后才开始形核,所以就避免了上述现象出现的可能.从晶体学角度来看,晶体的生长实际上是各族晶面平行向外的推移.籽晶法的原理是利用结构相似性,即过热金属液形核长大时,使原子面的堆垛成为籽晶原子面堆垛的一种延续,也就是使液相原子与籽晶原子形成的是一种完全共格界面.关于籽晶法晶体生长机制的研究很多.传统晶体生长理论认为,在单晶制备的晶粒竞争生长过程中,只要晶粒的择优生长方向与热流方向一致,该晶粒就可以抑制其他方向的晶粒而最终长大成为单晶体[8].但是实际上晶粒生长时并不是一次轴的简单延续,而是通过不断长出二次枝晶、三次枝晶及更高次枝晶来最终长大成晶体的.这种二次枝晶长出三次枝晶及更高次枝晶就会使晶粒界面发生迁移,从而造成晶体竞争生长[9,10].深入分析他们的结论就可以推知,竞争生长过程中晶体获胜的前提并不是其择优生长方向平行热流方向.如果择优取向偏离热流的晶粒的二次枝晶或者三次枝晶能够抑制择优取向平行热流方向的晶粒的对应的枝晶生长,那么它照样可以淘汰对方并最终获胜.1.2　选晶法选晶法是单晶高温合金叶片制备中最基本的工艺方法.Higginbotham[11]把常用的单晶选晶器结构归纳为四种类型:螺旋型、倾斜型、转折型、尺度限制型(缩颈型),如图1所示.随着单晶高温合金研究图1　四种典型晶粒选择器示意图[12]的发展,螺旋型选晶器逐渐淘汰掉其他三种选晶器,成为目前应用最广泛也是最成功的选晶器类型,因此本文仅讨论螺旋选晶法.由P.Carter等人[13]用计算机绘制出的螺旋选晶器的结构示意图如图2所示.可以看出,它由三部分组成:起始段、选晶段(螺图2　螺旋选晶器示意图旋部分)、单晶段(最上面棱台部分).其中螺旋结构的主要特征是螺旋体以一定的角度在三维空间连续攀旋,不存在任何突变性转弯.因此利用这种结构来生长晶体就不会出现因为陡的棱边剧烈的侧向散热而造成的局部低温区,从而基本上消除了内生生核的现象[14].选晶法的原理就是利用选晶器的这种狭窄界面,只允许一个晶粒长出它的顶部,然后这个晶粒长满整个型腔,从而得到单晶体.其晶体竞争生长机制是:螺旋结构总的攀升走向正好与散热方向相反,致使螺旋体内散热均匀,因此在整个螺旋形生长过程中,位向最适合生长的那个晶粒将其他众多的初生晶粒一一淘汰,不断长出枝晶并最终进入试样本体成为单晶铸件.郑启等人用计算机模拟了该过程如图3所示,并得出如下结论:晶粒1的枝晶择优生长方向最接近该元段前沿法线方向,而晶粒2的枝晶取向偏离了该方向,因此晶界就朝晶粒2一侧移动,促进晶粒1在此方向上快速生长.同时因为空间条件约束,晶粒2一侧受晶粒1排挤,另一侧受螺旋限制,失去生长空间,最终被淘汰.05 湖南工程学院学报 2005年图3　螺旋选晶器选晶原理意图2　定向凝固制取单晶高温合金的思考综合单晶高温合金的发展历史可以看出,通常情况下,定向凝固技术制取的铸件的晶体取向都是金属的择优方向.随着科学技术的进步,越来越多的应用领域要求单晶的晶体取向为其择优方向.因此,采取合理的工艺制得理想的非择优方向单晶成为了一个重要的课题.我们知道,籽晶的取向是可以人为控制的,故籽晶法理论上可以制取具有任何所希望取向的单晶.众所周知,人工晶体籽晶的选择与取向直接影响到晶体的生长速度和质量,籽晶取向通常选取垂直晶体高次对称轴方向切取,因为该方向生长速度快,生长出的晶体形态也容易对称,而且所生长的晶体晶形完整.但是,当需要提高晶体利用率尤其是需要制取非择优取向单晶时,就必须按使用的特殊要求来切取籽晶.这种情况下的籽晶面往往是不对称的高指数晶面,它属于不稳定晶面,在生长过程中很容易产生向邻界的稳定晶面过度的趋势,当向稳定晶面过度时,所生长的部分晶体一般缺陷比较多,晶体质量也比较差[15].可见,籽晶法成本比较高,而且很难保证精度.正因为这样,所以定向凝固过程中籽晶的重熔部分与过热金属液间的界面往往成为高温合金单晶制备过程中出现预定晶向之外杂晶长大现象的最根本原因[16].关于杂晶长大机制的研究很多[16-20],其中刘志义等[21]设计三组双晶粒竞争生长实验,验证了择优生长晶向偏离热流方向的“杂晶”可淘汰择优生长晶向平行热流方向的晶粒这一推论.除此之外,籽晶的晶体取向对树枝晶组织也有一定的影响[22],如果籽晶的择优生长方向与单晶生长方向有所偏离,则单晶的一次枝晶形态将发生明显的改变,一次枝晶间距也受到热流方向偏离的影响,枝晶二次分枝将出现明显的不对称性,由此影响单晶组织的微观偏析和枝晶间相的形态和分布,从而影响单晶高温合金的性能.另外,预热过程中在籽晶表面形成的氧化物直接影响单晶铸件的单晶性和质量.因此籽晶法不适合生产高完整性单晶.关于螺旋选晶法,综观所有研究可以得出结论:选晶过程中晶体本身的取向与选晶器的空间尺度同时约束生长,选晶行为是晶体横向择优生长与螺旋结构的藕合作用.其特殊的螺旋结构对晶粒竞争生长具有很好的约束作用,可以将杂晶长大的可能性降至最低.在查阅文献资料过程中,从未见到选晶过程中出现杂晶的报道,同时也发现用选晶法制取的单晶的晶体取向通常情况下是该种金属的择优生长方向.因此,传统的选晶法虽然精度高,但是只能制取特殊取向的单晶.综合考虑籽晶法和选晶法的优缺点,我们认为如果将二者结合起来,即合理设计螺旋选晶器的结构,并在其起始段安放一个与所希望制得的单晶具有相同取向的籽晶,就可能制得与籽晶具有完全相同三维取向的单晶性很好的单晶铸件.值得一提的是,这种方法同时还可以获得非择优生长方向晶粒间竞争生长的新信息,至今尚未有相关报道.另外,仔细研究分析选晶法的选晶原理、杂晶长大机制以及影响晶体生长的相关因素,我们认为如果螺旋结构设计合理(如图3所示),使得晶粒2的某一非择优生长方向基本上平行热流方向(与各元段法线垂直),并且与晶粒1的相对位置符合杂晶长大机制[21],就可以使晶粒2淘汰晶粒1而最后长大成为铸件,显然该铸件的取向为我们所需要的非择优生长方向.因此用这种方法就可以制取单晶性很好的任何希望取向的单晶.有关这方面的工作,我们正在进行相关研究,并已初步采取预想结果.3　结　论(1)单晶高温合金定向凝固工艺既要具有良好的晶粒淘汰效果,又要避免内生形核,以保证占据最有利的枝晶相对位置的晶粒能够顺利生长进入铸件本体成为单晶铸件.(2)籽晶法设备简单易得,但是效果不是很好,而且获得籽晶的成本比较高.选晶法虽然制模比较复杂,但是操作方便、成本低,选晶效果好.(3)深入分析比较籽晶法与选晶法的优缺点,认为将两种方法合理结合起来,就可能制取任何所希望取向单晶性很好的单晶.同时可以获得非择优生长方向晶粒间竞争生长的信息.(4)深入研究分析杂晶长大机制以及螺旋结构与择优生长方向间的耦合作用,认为合理设计选晶器螺旋结构可以用选晶法直接制备儋竟性很好的任15第2期 刘　健等:定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考 何所希望取向的晶体.有关这方面的工作,我们正在进行相关研究,并已初步取得预想结果.参　考　文　献[1]　东　华.第三代单晶高温合金[J].航空制造工程,1995,(12):9-11.[2]　陈荣章.单晶高温合金发展现状[J].材料工程,1995,(8):3-12.[3]　吴仲棠,等.我国第一个航空用单晶高温合金DD3的研究[C],第八届全国高温合金会议论文,1995.7. 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