高温合金定向凝固技术研究进展

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。     

固溶处理参数对一种单晶高温合金微观偏析的影响

采用液态金属冷却法,对一种含4wt.％Re的单晶高温合金进行高温度梯度定向凝固试验,并通过改变固溶处理温度和时间对其进行多步固溶处理.结果表明:高温度梯度定向凝固可以显著地细化枝晶,降低Re、W、Ta等难熔元素的枝晶偏析;溶质的特征扩散距离也随枝晶的细化而减小,经多步固溶处理后,合金各组元的残余偏析程度显著降低;此外,适当提高固溶热处理温度,可以起到减轻枝晶偏析的作用.     

定向凝固含Y镁合金的枝晶形态及微观组织研究

采用液态金属冷却高温度梯度定向凝固炉制备了含稀土元素Y的镁合金,研究了定向凝固镁合金的枝晶形态及微观组织特征。结果表明,镁合金的一次枝晶沿着热流方向生长,且一次枝晶周围含有六个二次枝晶呈花瓣形状。通过扫描电镜及能谱分析发现,凝固组织中除了a(Mg)固溶体及枝晶间的?(Mg17Al12)相组成外,还存在稀土相。稀土相呈粗大的杆状和细小的粒状形态,主要由Y、Mg、Al和Mn元素组成,其中稀土Y的质量分数占22%左右。     

定向凝固含Y镁合金的枝晶形态及微观组织

采用液态金属冷却高温度梯度定向凝固炉制备了含稀土元素Y的镁合金,研究了定向凝固镁合金的枝晶形态及微观组织特征。结果表明,镁合金的一次枝晶沿着热流方向生长,且一次枝晶周围含有6个二次枝晶呈花瓣形状。通过扫描电镜及能谱分析发现,凝固组织中除了α(Mg)固溶体及枝晶间的β(Mg_(17)Al_(12))相外,还存在稀土相。稀土相呈粗大的杆状和细小的粒状形态,主要由Y、Mg、Al和Mn元素组成,其中稀土Y的质量分数占22%左右。     

高温度梯度定向凝固镍基高温合金DZ125的组织演化

采用液态金属冷却(LMC)定向凝固结合液淬法,在温度梯度(G)为250 K/cm,凝固速率(V)为2-400 μm/s的条件下系统研究了镍基高温合金DZ125的固/液界面形态、胞/枝晶间距及MC碳化物形态.随着V的增大,界面形态经历了浅胞状→深胞状→粗枝晶→细枝晶的转变.一次胞晶间距随着V的增大而增大,当V=5 μm/...     

《001》和《011》取向DD407单晶高温合金枝晶间距和微观偏析

采用液态金属冷却(LMC)高温度梯度定向凝固炉制备<001>和<011>取向的DD407单晶高温合金,研究了晶体取向对枝晶间距和微观偏析的影响.结果表明,晶体取向对单晶高温合金的枝晶间距和微观偏析有明显的影响.枝晶间距随着<001>取向偏差角的增加而增加,但随<011>取向偏差角的增加而减小,且<011>取向的枝晶间距...     

高梯度定向凝固技术及其在高温合金制备中的应用

工业燃机用大型复杂定向或单晶叶片制备的需求,对传统的高速凝固(HRS)定向凝固技术提出了挑战,以液态金属冷却法(LMC)为代表的高梯度定向凝固技术迎来了发展机遇。本文总结分析了高梯度定向凝固技术的工作原理、所制备铸件的组织特点、以及其对凝固缺陷、固溶热处理、力学性能的影响。高梯度定向凝固技术提高了铸件内的温度梯度和冷却速率,因而能够显著减小一次及二次枝晶间距、碳化物、共晶和铸态孔洞尺寸,降低了共晶和铸态孔洞的含量;并降低了热处理过程中固溶孔的含量和元素的残余偏析;该技术还有效抑制雀斑缺陷,提高杂晶形成的临界抽拉速率,减小晶粒取向偏离。高梯度定向凝固技术能够显著提高高温合金的持久性能,但对于单晶合金在高温下提高幅度较小,低周与高周疲劳性能均明显提高,且降低了数据分散度,但在氧化条件下改善幅度减小。     

流动对DZ125合金定向凝固组织的影响

通过电磁感应加热和液态金属冷却相结合的实验方法,制备了不同流动强度下的DZ125高温合金定向凝固试样,并且引入泰勒数对流动强度进行定量表征,以研究不同流动强度对凝固组织的影响。结果表明：随着流动强度的增大,枝晶的定向性逐渐变差;随着泰勒数从900增大到38300,一次枝晶间距从124．6μm变化至103．2μm、84．0μm、76．9μm,呈指数衰减。     

中速生长条件下单晶高温合金组织及偏析研究

本文利用高梯度定向凝固设备研究了镍基高温合金在中等凝固速率条件下枝晶组织和偏析变化的基本规律,实验发现采用高梯度定向凝固技术可以得到具有超细枝晶组织的单晶高温合金材料,枝晶偏析在低速生长时随冷却速率的增加而增加,而在高速生长时形成的超细枝晶组织中,枝晶偏析随冷却速率的增加而减小。     

共晶SnAgCu钎料合金定向凝固研究

依据定向凝固技术原理,自行开发出可控凝固平台,并利用该平台对SAC305钎料合金的凝固行为进行研究,分析定向凝固条件对SAC305钎料合金显微组织的影响。在快速冷却条件下,显微组织富锡相有明显定向生长,增大冷却速率可使柱状富锡相连续性增强,并有抑制二次枝晶生长的趋势。快速冷却使金属间化合物尺寸明显减小,弥散分布,达到提高钎料显微硬度的目的。     

试样截面尺寸变化对高温合金DZ125定向凝固组织的影响

采用截面变化的DZ125高温合金试样进行液态金属冷却定向凝固,抽拉速率为25μm／s、50μm／s、100μm／s和500μm／s,获得了截面变化前后的稳定组织以及截面变化区的组织演变。结果表明,当凝固顺序由大截面向小截面时。一次枝晶间距变窄,抽拉速为500μm／s,枝晶生长方向发生偏转。随着试样比表面积的增大,一次枝晶间距减小。由于截面的变化,组织的演化是一个渐变的过程,不同的冷却速率和凝固顺序都影响着组织的演化过程。     

DZ125高温合金熔体超温处理定向凝固组织的演化规律

在保持凝固界面温度梯度恒定的条件下,研究了DZ125高温合金熔体超温处理定向凝固组织的演化规律.实验结果表明,熔体超温处理对DZ125合金的定向凝固组织有着显著的影响.一次枝晶间距和二次枝晶间距均随着熔体超温处理温度的升高,呈现出先减小后增大的变化规律,并在超温处理温度为1 650℃处出现最小值.合适的熔体超温处理可以起到与提高凝固速率相同的作用,有效细化合金凝固组织,从而有利于降低合金元素偏析程度,减少甚至消除凝固缺陷,缩短热处理均匀化时间,提高合金的力学性能.     

超高温度梯度下凝固速率对一种镍基单晶高温合金定向凝固组织的影响

采用区域熔炼液态金属冷却超高温度梯度定向凝固法(ZMLMC),研究凝固速率对一种镍基高温合金微观组织的影响。结果显示:在温度梯度基本不变的条件下,随着凝固速率的提高,枝晶结构逐渐细化,一次枝晶间距λ1与二次枝晶间距λ2减小,且λ1和λ2分别与V-1/4和V-1/2呈线性关系;γ’相尺寸随凝固速率的提高而减小,形貌逐渐趋向于立方状,而在同一速率下,枝晶干的γ’相形状相对较规则,接近立方形,枝晶间的γ’相则趋于无规,其尺寸也较枝晶干区域更为粗大;γ/γ’共晶尺寸随凝固速率的提高而减小,分布趋于弥散,但总的体积分数变化不大。     

CMSX-2单晶高温合金高梯度定向凝固下过渡区的组织演化特征

用高温度梯度定向凝固装置研究了CMSX－2单晶高温合金初始过渡区的组织演化特征，获得了不同条件下过渡区单晶高温合金的平－胞－枝组织结构，以及相应的一次胞枝晶间距大小，发现初始过渡区的凝固过程影响到最终获得的凝固组织。采用的匀加速抽拉方式有利于提高单晶的引晶率和单晶凝固组织的完整性。     

镍基高温合金铸件液态金属冷却定向凝固建模仿真及工艺规律研究

考虑了液态金属冷却定向凝固过程中动态对流边界,建立了高温合金铸件温度场数学模型,采用三维元胞自动机(cellular automaton,CA)方法和KGT生长模型,建立了镍基高温合金凝固过程晶粒形核及生长的数学模型.采用宏观模型与微观模型双向同步耦合,实现了温度场和晶粒组织的数值模拟.进行了浇注实验,用冷却曲线和晶粒形貌验证了数学模型的准确性.对液态金属冷却定向凝固规律的研究表明,抽拉速率不仅对糊状区形状有重要影响,而且对晶粒的平行度以及枝晶组织的细密性也有很大的影响.抽拉速率过小时,糊状区上凸,晶粒组织易发散;抽拉速率过大时,糊状区下凹,晶粒组织汇聚,同时造成枝晶组织的粗化;适当的抽拉速率下能获得平坦的糊状区,提高晶粒的平行度,细化枝晶组织.     

考虑包晶相的Ti-Al合金定向凝固枝晶生长数值模拟

考虑二元合金包晶反应和包晶转变过程,采用改进的CA方法建立了Ti-Al合金定向凝固过程中的组织演变数值计算模型,对液态金属冷却定向凝固过程中Ti-47.8Al(原子分数,%)合金包晶相的形成和具有不同优先生长方向的柱状晶的竞争生长进行了模拟。模拟了40 K/cm和80 K/cm两种温度梯度下合金的组织演化,并与相应的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金定向凝固试验结果进行对比。结果表明,较之40 K/cm,温度梯度为80 K/cm时组织更快地进入稳定生长区,过渡区相对较短,而且柱状晶区晶粒的连续性更好,一次枝晶臂间距减小。     

液态金属冷却法制备重型燃机定向结晶空心叶片凝固过程的实验与模拟

利用高温度梯度定向凝固-液态金属冷却(LMC)技术制备了重型燃机定向结晶空心高压涡轮叶片,采用Pro CAST有限元模拟软件计算了LMC定向凝固工艺下,不同抽拉速率时空心定向结晶叶片凝固过程的温度场、晶粒组织以及一次枝晶间距(PDAS),预测了抽拉速率对杂晶、雀斑等缺陷的影响.结果表明,模拟结果与实验结果吻合良好.随着抽拉速率增加,叶片的凝固速率、冷却速率均增加,远高于高速凝固法(HRS)的凝固速率、冷却速率;叶片不同部位达到最大纵向温度梯度时的抽拉速率不同,纵向温度梯度是评价定向工艺的有效方法;LMC工艺制备的燃机叶片消除了雀斑缺陷,PDAS远小于HRS工艺.     

液态金属冷却法定向凝固试验的热分析

以低熔点液态金属作为定向凝固的冷却剂是一种先进的工艺。本文以DZ—17高温合金为例,介绍该工艺的试验方案及热分析方法,测定并计算了界面位置,热梯度,生长速度,冷却速度,糊状区高度等工艺参数,并与功率降低法(PD)及高速凝固法(HRS)作了初步比较,粗浅地讨论了这些参数与二次枝晶间距及组织结构之间的关系。     

采用低温度梯度HRS工艺制备的镍基单晶高温合金雀斑组织

通过在高速凝固法(HRS)定向凝固过程中调整隔热挡板与壳型之间的间隙,获得了较低的定向凝固温度梯度(～30℃/cm),制备了含有雀斑组织的单晶高温合金试棒。结果表明:采用常规HRS工艺(温度梯度～50℃/cm)制备的合金一次枝晶间距为323μm,含有1.70%铸态共晶;而采用较低温度梯度HRS工艺制备的合金一次枝晶间距达到了704μm,是常规HRS工艺的2.2倍,并且合金的二次枝晶及三次枝晶较为发达;此外,雀斑组织区域包含较多平均晶粒尺寸为200μm的等轴晶晶粒和4.64%的铸态共晶,同时分布着富集Ta元素的MC碳化物。定向凝固过程中较低的温度梯度增大了合金的一次枝晶间距并使合金元素的凝固偏析加重,导致糊状区液相发生对流的倾向增大,从而促进了雀斑组织的形成。     

抽拉速率对定向凝固叶片状DZ125高温合金微观组织的影响

应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)定向凝固技术,对DZ125高温合金叶片状铸件在不同抽拉速率下的组织演变规律进行了研究,并对比研究了LMC和HRS法所得铸件的微观组织.结果表明,同一定向凝固方法下,随抽拉速率的提高,铸件枝晶组织及γ′析出相得到细化;应用LMC技术所制备铸件的枝晶组织和γ′析出相较相同抽拉速率HRS方法时更为细小;相同工艺参数下LMC和HRS方法所制备铸件一次枝晶间距的差异随铸件壁厚及抽拉速率的增大而更显著.通过对固/液界面前沿温度梯度进行估算发现,LMC方法可获得更高的温度梯度,且其温度梯度受抽拉速率变化影响较HRS更小.除70μm/s抽拉速率外,LMC法所得γ+γ′共晶组织的含量均显著少于HRS方法;70μm/s抽拉速率时,LMC法产生的偏析较严重,而其余凝固条件下偏析程度较相同工艺参数下HRS轻.110μm/s抽拉速率时,HRS方法较LMC方法制备铸件中MC型碳化物尺寸更大.