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)02-0049-04

0　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 Engineering

Vo1.15.No.2

J une.2005

Ξ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