1、定向凝固技術制取高溫合金單晶鑄件的思考第l5卷第2期2o05年6月湖南工程學院JournalofHunanInstituteofEngineeringV01.15.No.2June.2005定向凝固技術制取高溫合金單晶鑄件的思考劉健,李理,曾斌,彭廣威(湘潭大學材料研究中心,湖南湘潭411105)摘要:回顧了單晶高溫合金的發(fā)展歷史,結合晶體學知識系統(tǒng)總結與分析了制取高溫合金單晶的兩種定向凝固技術的原理與晶體競爭生長機制.對兩種方法現(xiàn)有工藝的優(yōu)缺點進行了深入思考與比較,提出了兩種制取任何所希望取向理想單晶的新方法,旨在為完善單晶高溫合金的制取工藝提供新思路.關鍵詞:定向凝固;單晶高溫合金;擇優(yōu)生

2、長;選晶;籽晶中圖分類號:TG244.3文獻標識碼:A文章編號:1671119x(2o05)O20049一O40引言自2O世紀8O年代初第一代單晶高溫合金研制成功之后,單晶高溫合金的發(fā)展甚為迅速.1988年,美國PW公司推出了工作溫度比第一代單晶高溫合金PWAI480約高30的PWA1484.繼之又出現(xiàn)性能水平相當?shù)腞eneN5,CMSX-_4等單晶高溫合金,稱為第二代單晶高溫合金.時隔不到5年,1993年12月和1994年l1月先后公布了兩個標志著單晶高溫合金的發(fā)展進入新階段的第三代單晶高溫合金ReneN6,CMsX-10.一代又一代單晶高溫合金的相繼出現(xiàn)和應用,為航空發(fā)動機和地面燃氣輪機的

3、性能大幅度提高作出了重大貢獻.上個世紀90年代,幾乎所有先進航空發(fā)動機都采用單晶高溫合金.如推重比為10的發(fā)動機Fl19(美),F120(美),GE90(美),EJ200(英,德,意,西),M882(法),P2000(俄)等J在單晶高溫合金的生產(chǎn)和應用蓬勃發(fā)展的同時,各國高溫合金同行們在單晶高溫合金強化機制,凝固理論,環(huán)境抗力,合金設計,工藝優(yōu)化等方面進行了愈加深入的研究,為提高力學性能,工藝性能和環(huán)境性能作了巨大的努力.我國從70年代末開始研究單晶高溫合金及工藝,北京航空材料研究所,中國科學院金屬研究所,冶金部鋼鐵研究總院,西北工業(yè)大學,上海交通大學等單位都對單晶高溫合金和工藝進行過卓有成效

4、的研究,研制成功一批單晶高溫合金L3J,井獲得初步應用,建立了一套單晶工藝及設備.在單晶高溫合金凝固理論,強化機制,取向控制以及數(shù)值模擬等方面進行過較深入的研究.但是無論是定向合金還是單晶高溫合金.性能水平都還落后于國際先進水平.為此,廖世杰教授于1987年首次提出了若干定量評估定向凝固程度的參數(shù)L5J,不僅使定向凝固程度有了定量的描述,最重要的是可以更深層次地檢驗定向凝固是否成功,從而將定向凝固理論向前推進.影響單晶鑄件性能的因素主要是合金成分和制取工藝.在合金成分設計方面以日本金屬技術研究所提出的新成分設計流程和d電子合金設計法最為成熟【2J2.制取單晶高溫合金以正常凝固法中的定向凝固法應

5、用最為廣泛和最有效.固一液界面前沿液相中的溫度梯度GL和晶體生長速度R是定向凝固技術的重要工藝參數(shù),q.值是控制晶體長大形態(tài)的重要判據(jù).因此,如何控制好固一液界面溫度場從而獲得具有理想晶體形態(tài)的單晶是非常重要的.當前很多人對固液界面溫度場進行了深入研究,并且建立了大量描述定向凝固固液界面溫度變化規(guī)律的數(shù)學模型.廖世杰等人先后建立了一種能夠精確描述一維和二維定向凝固過程中固液界面溫度場的理論模型L6-7j,并且由此模型推導出了一系列熱參數(shù),包括溫度梯度GL,凝固速度R,冷卻速度V以及界面特征溫度,這對于實時掌握動態(tài)的材料凝固過程從而采取相應措施控制它獲得最佳凝固組織是非常有用的.盡管如此,但是綜

6、觀單晶高溫合金定向凝固法的發(fā)展歷史,收稿日期:20o50102作者簡介:劉健(1978一),男,碩士研究生,研究方向:定向凝固織構湖南工程學院2005焦不難發(fā)現(xiàn)由于工藝問題,單晶高溫合金的完整性一直不是很理想.本文的目的就是系統(tǒng)總結與分析前人的研究成果,再結合相關現(xiàn)代晶體學知識,在定向凝固工藝方面為單晶高溫合金的發(fā)展與完善提出新的見解.1單晶高溫合金定向凝固工藝的原理與晶體競爭生長機制分析1.1籽晶法首先將和所要鑄造的單晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模殼的最底部,然后將過熱的熔融金屬液澆注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰當?shù)乜刂乒桃航缑媲把匾后w中的溫度梯度和晶體的生長速度,金屬熔液就會從未被

7、熔化的籽晶部分開始往金屬液中生長,并最終形成晶體取向與籽晶相同的單晶,這就是籽晶法.我們知道,在一般的鑄造中,如果與金屬液直接接觸的模殼表面不是很連續(xù)或者加工后殘留有應力的話,往往會引發(fā)再結晶進而發(fā)生等軸晶形核或者發(fā)生異質形核.由于籽晶法結晶并不是過熱金屬液碰到籽晶立即進行,而是先使部分籽晶熔化,然后才開始形核,所以就避免了上述現(xiàn)象出現(xiàn)的可能.從晶體學角度來看,晶體的生長實際上是各族晶面平行向外的推移.籽晶法的原理是利用結構相似性,即過熱金屬液形核長大時,使原子面的堆垛成為籽晶原子面堆垛的一種延續(xù),也就是使液相原子與籽晶原子形成的是一種完全共格界面.關于籽晶法晶體生長機制的研究很多.傳統(tǒng)晶體生

8、長理論認為,在單晶制備的晶粒競爭生長過程中,只要晶粒的擇優(yōu)生長方向與熱流方向一致,該晶粒就可以抑制其他方向的晶粒而最終長大成為單晶體8.但是實際上晶粒生長時并不是一次軸的簡單延續(xù),而是通過不斷長出二次枝晶,三次枝晶及更高次枝晶來最終長大成晶體的.這種二次枝晶長出三次枝晶及更高次枝晶就會使晶粒界面發(fā)生遷移,從而造成晶體競爭生長【9,10J.深入分析他們的結論就可以推知,競爭生長過程中晶體獲勝的前提并不是其擇優(yōu)生長方向平行熱流方向.如果擇優(yōu)取向偏離熱流的晶粒的二次枝晶或者三次枝晶能夠抑制擇優(yōu)取向平行熱流方向的晶粒的對應的枝晶生長,那么它照樣可以淘汰對方并最終獲勝.1.2選晶法選晶法是單晶高溫合金葉

9、片制備中最基本的工藝方法.Higginbotham11J把常用的單晶選晶器結構歸納為四種類型:螺旋型,傾斜型,轉折型,尺度限制型(縮頸型),如圖1所示.隨著單晶高溫合金研究萋圖1四種典型晶粒選擇器示意圖I2的發(fā)展,螺旋型選晶器逐漸淘汰掉其他三種選晶器,成為目前應用最廣泛也是最成功的選晶器類型,因此本文僅討論螺旋選晶法.由P.Cartel"等人【13J用計算機繪制出的螺旋選晶器的結構示意圖如圖2所示.可以看出,它由三部分組成:起始段,選晶段(螺圖2螺旋選晶器不意圖旋部分),單晶段(最上面棱臺部分).其中螺旋結構的主要特征是螺旋體以一定的角度在三維空間連續(xù)攀旋,不存在任何突變性轉彎.因此

10、利用這種結構來生長晶體就不會出現(xiàn)因為陡的棱邊劇烈的側向散熱而造成的局部低溫區(qū),從而基本上消除了內(nèi)生生核的現(xiàn)象¨.選晶法的原理就是利用選晶器的這種狹窄界面,只允許一個晶粒長出它的頂部,然后這個晶粒長滿整個型腔,從而得到單晶體.其晶體競爭生長機制是:螺旋結構總的攀升走向正好與散熱方向相反,致使螺旋體內(nèi)散熱均勻,因此在整個螺旋形生長過程中,位向最適合生長的那個晶粒將其他眾多的初生晶粒一一淘汰,不斷長出枝晶并最終進入試樣本體成為單晶鑄件.鄭啟等人用計算機模擬了該過程如圖3所示,并得出如下結論:晶粒1的枝晶擇優(yōu)生長方向最接近該元段前沿法線方向,而晶粒2的枝晶取向偏離了該方向,因此晶界就朝晶粒2

11、一側移動,促進晶粒1在此方向上快速生長.同時因為空間條件約束,晶粒2一側受晶粒1排擠,另一側受螺旋限制,失去生長空間,最終被淘汰.第2期劉健等:定向凝固技術制取高溫合金單晶鑄件的思考51生長方向圖3螺旋選晶器選晶原理意圖2定向凝固制取單晶高溫合金的思考綜合單晶高溫合金的發(fā)展歷史可以看出,通常情況下,定向凝固技術制取的鑄件的晶體取向都是金屬的擇優(yōu)方向.隨著科學技術的進步,越來越多的應用領域要求單晶的晶體取向為其擇優(yōu)方向.因此.采取合理的工藝制得理想的非擇優(yōu)方向單晶成為了一個重要的課題.我們知道,籽晶的取向是可以人為控制的,故籽晶法理論上可以制取具有任何所希望取向的單晶.眾所周知,人工晶體籽晶的選

12、擇與取向直接影響到晶體的生長速度和質量,籽晶取向通常選取垂直晶體高次對稱軸方向切取,因為該方向生長速度快,生長出的晶體形態(tài)也容易對稱,而且所生長的晶體晶形完整.但是,當需要提高晶體利用率尤其是需要制取非擇優(yōu)取向單晶時,就必須按使用的特殊要求來切取籽晶.這種情況下的籽晶面往往是不對稱的高指數(shù)晶面,它屬于不穩(wěn)定晶面,在生長過程中很容易產(chǎn)生向鄰界的穩(wěn)定晶面過度的趨勢,當向穩(wěn)定晶面過度時,所生長的部分晶體一般缺陷比較多,晶體質量也比較差L15J.可見,籽晶法成本比較高,而且很難保證精度.正因為這樣,所以定向凝固過程中籽晶的重熔部分與過熱金屬液間的界面往往成為高溫合金單晶制備過程中出現(xiàn)預定晶向之外雜晶長

13、大現(xiàn)象的最根本原因16J.關于雜晶長大機制的研究很多【I2ol,其中劉志義等21J設計三組雙晶粒競爭生長實驗,驗證了擇優(yōu)生長晶向偏離熱流方向的"雜品"可淘汰擇優(yōu)生長晶向平行熱流方向的晶粒這一推論.除此之外,籽晶的晶體取向對樹枝晶組織也有一定的影響2l,如果籽晶的擇優(yōu)生長方向與單晶生長方向有所偏離,則單晶的一次枝晶形態(tài)將發(fā)生明顯的改變,一次枝晶間距也受到熱流方向偏離的影響,枝晶二次分枝將出現(xiàn)明顯的不對稱性,由此影響單晶組織的微觀偏析和枝晶間相的形態(tài)和分布,從而影響單晶高溫合金的性能.另外,預熱過程中在籽晶表面形成的氧化物直接影響單晶鑄件的單晶性和質量.因此籽晶法不適合生產(chǎn)高完

14、整性單晶.關于螺旋選晶法,綜觀所有研究可以得出結論:選晶過程中晶體本身的取向與選晶器的空間尺度同時約束生長,選晶行為是晶體橫向擇優(yōu)生長與螺旋結構的藕合作用.其特殊的螺旋結構對晶粒競爭生長具有很好的約束作用,可以將雜晶長大的可能性降至最低.在查閱文獻資料過程中,從未見到選晶過程中出現(xiàn)雜晶的報道,同時也發(fā)現(xiàn)用選晶法制取的單晶的晶體取向通常情況下是該種金屬的擇優(yōu)生長方向.因此,傳統(tǒng)的選晶法雖然精度高,但是只能制取特殊取向的單晶.綜合考慮籽晶法和選晶法的優(yōu)缺點,我們認為如果將二者結合起來,即合理設計螺旋選晶器的結構,并在其起始段安放一個與所希望制得的單晶具有相同取向的籽晶,就可能制得與籽晶具有完全相同

15、三維取向的單晶性很好的單晶鑄件.值得一提的是,這種方法同時還可以獲得非擇優(yōu)生長方向晶粒間競爭生長的新信息,至今尚未有相關報道.另外,仔細研究分析選晶法的選晶原理,雜晶長大機制以及影響晶體生長的相關因素,我們認為如果螺旋結構設計合理(如圖3所示),使得晶粒2的某一非擇優(yōu)生長方向基本上平行熱流方向(與各元段法線垂直),并且與晶粒1的相對位置符合雜晶長大機制,就可以使晶粒2淘汰晶粒1而最后長大成為鑄件,顯然該鑄件的取向為我們所需要的非擇優(yōu)生長方向.因此用這種方法就可以制取單晶性很好的任何希望取向的單晶.有關這方面的工作,我們正在進行相關研究,并已初步采取預想結果.3結論(1)單晶高溫合金定向凝固工藝

16、既要具有良好的晶粒淘汰效果,又要避免內(nèi)生形核,以保證占據(jù)最有利的枝晶相對位置的晶粒能夠順利生長進入鑄件本體成為單晶鑄件.(2)籽晶法設備簡單易得,但是效果不是很好,而且獲得籽晶的成本比較高.選晶法雖然制模比較復雜,但是操作方便,成本低,選晶效果好.(3)深入分析比較籽晶法與選晶法的優(yōu)缺點,認為將兩種方法合理結合起來,就可能制取任何所希望取向單晶性很好的單晶.同時可以獲得非擇優(yōu)生長方向晶粒間競爭生長的信息.(4)深入研究分析雜晶長大機制以及螺旋結構與擇優(yōu)生長方向間的耦合作用,認為合理設計選晶器螺旋結構可以用選晶法直接制備儋競性很好的任52湖南工程學院2005年何所希望取向的晶體.有關這方面的工作

17、,我們正在進行相關研究,并已初步取得預想結果.參考文獻1東華.第三代單晶高溫合金J.航空制造工程,1995,(12):9一ii.2陳榮章.單晶高溫合金發(fā)展現(xiàn)狀J.材料工程,1995,(8):312.3吳仲棠,等.我國第一個航空用單晶高溫合金DD3的研究C,第八屆全國高溫合金會議論文,1995.7.4廖化清,唐亞俊,張靜華,等.燃氣輪機抗熱腐蝕DD8單晶葉片材料及其應用研究J.材料工程,1992,(1):l7.5廖世杰.定向凝固程度的定量化與枝晶生長形貌的研究J.湘潭大學自然科學,1987,4:105115.6LiaoShijie,TianRongchang.TheMeasurementofTe

18、mp.FieldofSLInterfaceandItsComputerModelJ.JournalofXiangtanUniversity,1988,l(10):130138.7LiaoShijie,HanYafang,AstudyoftheheatparaetersduringbidirectionalsolidificationJ,ScienceandTechnologyofAdvancedMaterials,2001,2:281284.8胡漢起.金屬凝固原理M北京:機械工業(yè)出版社,2000.9傅恒志,何國,李建國.單晶高溫合金定向凝固過程中晶體競爭生長觀察J.金屬,1997,12(33)

19、:12331238.i0HeG.PhDdissertation,NorthwestemPolytechniealUniversity,Xi'an,1993.兒1213141516171819202122FIigginbothamGJS.Fromresearcht0eO6teffectivedirectionalsolidificationandsinglecrystalproductionanintegratedapproachJ.MaterialsandTechnolo-gY,1986,2(5):442460.鄭起,侯桂辰,田為民.單晶高溫合金的選晶行為J.中國有色金屬,2001,2

20、(11):176_l178.P.Carter,D.C.Cox,C.A.Gandin,R.C.Reed.ProcessmodelingofgrainselectionduringthesolidificationofsinglecrystalsuperalloycastingsA,MaterialsScienceandEngineering,2000.233246.李宇.定向凝固技術制作單晶鑄件的實驗研究J.重慶建筑大學,1998,5(20):103107.仲維卓,華素坤.晶體生長形態(tài)學M.北京:科學出版社,1999.JacksonKA,HuntJD,UhlmannDR,SewardTP.Tra

21、nsAIMEZ,1966,236.149.D'SouzaN,JenningsP.InternalcommunicationonsinglecrystalseedingM.RollsRoyce,2002.GuJP,ckenTlannC,GiameiAF.MetalMaterTramJ.1997,2&:1533.WangT,LaeE,MitchellA.Proceedingsofthe200lIntemationalSymposiumonLiquidMetalProcessingandCastingJ.AVS;2001.280.I-hangX,ZhangY,LjuY,Z.MetalMaterTramJ.1997.2&2l43.劉志義,雷毅,傅恒志.DD8鎳基高溫合金單晶制備中雜晶長大機制J.金屬,20o0,i(36):l一6.何國,李建國,毛協(xié)民.晶體取向對鎳基單晶高溫合金枝狀組織的影響J.材料工程,1994,(2):l一3.ThoughtesonSuperalloySingle'crystalCastsMadebyDirectionalSol