不同制备方法对单晶高温合金取向特征的影响（英文）

在高温度梯度定向凝固炉中分别采用选晶法和籽晶法制备单晶高温合金,并采用XRD测定单晶的取向特征。结果表明,采用选晶法制备单晶高温合金时,在激冷板上随机形核的晶粒经过起晶段的竞争生长和螺旋段的选晶作用后,最终获得具有择优取向001的单晶。采用籽晶法制备单晶高温合金时,通过重熔籽晶的外延生长,所获得的单晶取向与籽晶取向保持一致。     

镍基单晶高温合金DD3制备过程中晶粒演化和选晶行为的EBSD研究

采用选晶法在改进的Bridgman定向凝固炉上进行镍基单晶高温合金DD3定向凝固实验,研究了选晶法制备镍基单晶高温合金过程中晶粒组织演化和螺旋选晶行为,采用电子背散射衍射(EBSD)技术对晶粒的竞争过程进行分析.结果表明,选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向,获得取向良好的<001>定向凝固组织.在距激冷板36.1 m...     

籽晶成分对单晶高温合金定向凝固起始界面形态和取向的影响

研究了纯Ni、Ni-12%Cr和DD483合金分别作为籽晶定向生长镍基单晶高温合金的凝固过程。结果表明,纯Ni和Ni-12%Cr籽晶的凝固界面历经平界面—胞状界面—枝晶界面的转变过程,采用树枝晶的DD483籽晶时,凝固界面直接由籽晶重熔区进入枝晶生长阶段。单晶高温合金的晶体取向延续了籽晶的晶体取向,但纯Ni籽晶/高温合金界面处的晶体取向发生小角度偏转。分析认为,这是由于成分突变引起γ相的晶格常数发生变化所造成的。     

镍基单晶高温合金螺旋选晶过程的数值模拟

采用ProCAST & CAFE模型,模拟了选晶法制备镍基单晶高温合金DD3过程中的晶粒组织演化。结果表明,选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向,随着距引晶段底部距离的增加,<001>晶向与热流方向偏离角较大的晶粒逐渐被淘汰,到达距引晶段底部26 mm处时,<001>取向的晶粒与热流方向之间的夹角平均值小于10°。螺旋选晶段的主要作用是获得单一晶粒,其对晶粒的取向没有优化作用。螺旋选晶过程中,靠近螺旋通道外侧的晶粒因受到螺旋通道较强的几何阻碍逐渐失去生长空间,而靠近螺旋通道内侧的晶粒通常被选为最终的单晶。螺旋选晶段对晶粒的选择或淘汰与该晶粒在螺旋通道内所处的位置（螺旋通道的内侧或外侧）有密切关系,而与晶粒的晶体学取向没有必然联系     

电子束区熔高温合金单晶的制备工艺

用电子束浮区熔炼设备制备DD3高温合金单晶,结果表明：采用腐蚀过的籽晶、引晶段重熔、电子枪加速升速模式等均可提高单晶的引晶成功率,并对各种因素的影响原因进行了分析。     

定向凝固法制备单晶高温合金一次枝晶间距研究

利用定向凝固技术和籽晶法相结合的方式制备了DD5单晶高温合金。通过正方形估算法和直接测量法研究了DD5单晶高温合金的不同凝固距离(50、150和250 mm)横截面样品的一次枝晶间距。结果表明,随着凝固距离的增大,DD5单晶高温合金的一次枝晶间距逐渐增大;正方形估算法和直接测量法统计的DD5单晶高温合金的平均一次枝晶间距差距不明显,说明正方形估算法的精确度较高,为了提高效率可以采用正方形估算法统计单晶高温合金的一次枝晶间距;不同凝固距离横截面的一次枝晶间距上限约为下限的6倍。     

一种柱状晶辅助选晶制备镍基单晶高温合金的方法

提出了一种采用柱状晶辅助选晶的制备镍基单晶高温合金的方法。采用金相显微镜和电子背散射衍射（EBSD）等方法表征了单晶制备过程中显微组织及晶体取向。结果表明:柱状晶部分熔化,柱状晶边缘回熔界面附近形成大量杂晶,但只有<001>方向偏离定向凝固方向较小的晶粒能够长大。采用柱状晶选晶的方法能够在螺旋选晶器出口处获得<001>方向偏离定向凝固方向小于8°的单晶铸件。     

镍基单晶高温合金一次枝晶间距的统计研究

采用籽晶法制备了3种[001]取向的镍基单晶高温合金。通过正方形估算法和直接测量法统计了合金不同凝固高度的一次枝晶间距。该方案消除了晶界和晶体学取向对一次枝晶间距的影响。随着凝固高度升高,3种合金的一次枝晶平均间距逐渐增大。两种统计方法的一次枝晶平均间距相近,说明两种方法的精度均较高。此外,3种合金的一次枝晶间距在较大的范围内变化,且呈正态分布。3种合金的一次枝晶间距上限是下限的5.4~8.5倍。     

镍基高温合金胞状枝晶界面定向凝固过程中的双晶竞争生长

通过籽晶法控制晶体取向,研究了双晶镍基高温合金AM3胞状枝晶界面定向凝固过程中的双晶竞争生长。结果表明,两籽晶<001>取向的相对位置对晶粒竞争生长有很大的影响。双晶<001>取向在不同平面时,晶粒竞争生长的主要方式是通过物理阻挡,在晶界处处于阻挡优势的晶粒在竞争生长中胜出。对双晶的<001>取向在同一平面时,两籽晶以大角度背离发散生长时,在双晶的发散区容易生成杂晶。     

低偏析异质籽晶制备单晶高温合金的籽晶熔合区形成机制研究

采用低偏析异质籽晶法研究了定向凝固制备单晶高温合金时籽晶熔合区的形成机制,利用SEM和EPMA对籽晶熔合区的组织以及元素分布进行分析。结果表明,籽晶回熔平衡界面前沿存在一个无微观偏析的熔合区,该区域是凝固界面发生平面状-胞状失稳转变的过渡区。增加籽晶材料中W含量或提高定向凝固速率均会促进凝固界面的平面状-胞状失稳转变,且凝固速率的影响更显著。相比于传统籽晶法,低偏析异质籽晶熔合区内的平界面凝固能有效避免籽晶回熔界面的枝晶熔断和成分过冷导致的杂晶形核,从而提高单晶的引晶生长成功率。     

螺旋选晶器对单晶高温合金晶粒取向的影响(英文)

对于航天推进和发电燃气轮机,为了实现更高的效率和性能并同时降低成本和排放,需要发展先进的镍基单晶高温合金。随着合金的发展,合金的铸造技术已经从定向凝固(DS)发展到单晶(SX)。单晶取向与择优取向的偏差已经成为单晶高温合金最重要的铸造缺陷之一。在自行设计的高温度梯度定向凝固装置中,采用改进的Bridgeman法,用螺旋选晶器拉制出DZ417G合金的单晶。使用XRD和EBSD对其取向进行分析研究。结果表明:较小角度的螺旋选晶器可以有效地减少单晶取向与择优取向的偏差。     

Additive Manufacturing of Nickel-Based Superalloy Single Crystals with IN-738 Alloy

The production of non-weldable nickel-based superalloys, especially single-crystal superalloys, is important for additive manufacturing. Single-crystal specimens of non-weldable nickel-based superalloys were produced by electron beam selective melting using an IN-738 alloy. In this study, single-crystal nickel-based superalloy specimens of different sizes were prepared by a multiple preheating process and tight control of the melting parameters without the need for a grain selector or single-crystal seed for the first time. Electron backscattered diffraction measurements were performed to confirm the presence of a single crystal. The transition boundaries between the polycrystalline and single-crystal regions at the edges and bottom of the samples were characterized to analyze the formation of single crystals.     

Grain structure and texture evolutions during single crystal casting of the Ni-base superalloy CMSX-4

The solidification grain structure and texture evolutions during single crystal (SX) casting of the advanced Ni-base superalloy CMSX-4 have been investigated. In order to understand the development of the solidification grain structure, SX casting experiments were carried out with a specially designed grain selector in a Bridgman directional solidification (DS) furnace. In addition to casting trials, the SX casting process was simulated by a 3-D cellular automaton-finite element (CAFE) model. The predicted solidification grain structure and the texture evolutions were validated by comparison with the microstructural observation and the electron back scattered diffraction (EBSD) results. It was shown that the overall grain structure, crystallographic texture evolution, and the location where the final selection of the single crystal occurs can be predicted well by the present CAFE model. The axial texture evolution of the single crystal was found to be significantly influenced by the grain density at the chill surface. The CAFE predictions also revealed that the geometry of the grain selector plays a significant role in the final selection of the single crystal.     

Modeling of grain selection during directional solidification of single crystal superalloy turbine blade castings

Single crystal superalloy turbine blades are currently widely used as key components in gas turbine engines. The single crystal turbine blade casting’s properties are quite sensitive to the grain orientation determined directly by the grain selector geometry of the casting, A mathematical model was proposed for the grain selection during directional solidification of turbine blade casting. Based on heat transfer modeling of the directional withdrawing process, the competitive grain growth within the starter block and the spiral of the grain selector were simulated by using the cellular automaton method (CA). Validation experiments were carried out, and the measured results were compared quantitatively with the predicted results. The model could be used to predict the grain morphology and the competitive grain evolution during solidification, together with the distribution of grain orientation of primary <001> dendrite growth direction, with respect to the longitudinal axis of the turbine blade casting.     

Ti-50.0Ni单晶形状记忆合金组织与记忆性能研究

在自制的定向凝固炉中,用带引晶器的石墨模壳制备出Ti-50.0at%Ni单晶.利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及其配置的能谱(EDS)仪研究合金的铸态组织,通过X射线衍射(XRD)和极图分析确定单晶晶粒取向,利用自制模具对合金的记忆性能进行评价.结果表明:试样横截面与纵截面均呈枝状晶分布特征,枝晶生长方向与定向凝固方向基本一致,未出现晶界,单晶横截面法向与[111]取向夹角为15°.由于消除了晶界对马氏体相变的不利影响,同时[111]取向是TiNi合金能获得较大可恢复应变的择优取向,与普通铸造的TiNi多晶相比,材料的形状记忆最大可恢复应变和记忆疲劳性能都得到一定提高.     

Structure simulation in unidirectionally solidified turbine blade by dendrite envelope tracking model （ Ⅱ）： model validation and defects prediction

1 Introduction Commonly, a numerical model should be validated before application. Whether a simulation model for dendritic grain growth is reliable strongly depends on two aspects. 1) The model can effectively describe the anisotropy of grain growth. Th…     

镍基双晶高温合金定向凝固过程中的竞争生长

研究了镍基双晶高温合金定向凝固过程中的竞争生长.实验结果表明：当原始籽晶一次枝晶方向均平行于热流方向且二次枝晶取向不同时,定向凝固过程中双晶共存,但双晶的界面存在波动,抽拉速率对其影响不大.当原始籽晶一次枝晶([001])异面并保持其中一组二次枝晶取向([010]相同时,双晶竞争生长过程是一个三维竞争生长过程.晶粒竞争...     

DD6合金定向凝固选晶器的数值模拟与实验研究

使用有限元数值模拟和实验方法对DD6合金选晶器定向凝固过程的温度影响、晶粒组织以及晶粒生长进行了研究,结果表明温度场模拟与选晶器定向凝固过程的温度变化基本相符,晶粒组织生长的模拟能够反映晶粒竞争生长实际情况,与实验试样基本相一致。由于取向与温度梯度不一致晶粒的位置被取代,使得引晶段中的晶粒平均半径随着高度增加而增大,晶粒密度不断减少,两者有负指数关系。对比了螺旋段不同高度截面EBSD晶粒取向实验成像与晶粒模拟结果,组织模拟与实验结果较为吻合。通过分析螺旋通道中的晶粒竞争生长关系,位于螺旋通道内侧和上部的晶粒更具有位置优势,容易被选晶器选出。     

单晶高温合金定向凝固过程中晶体竞争生长观察

本文选用镍基单晶高温合金，用籽晶法控制各晶粒的晶体取向，进行了多晶组合的竞争生长实验，模拟了定向凝固中不同晶体取向晶粒间的生长过程与竞争规律，结果表明：晶粒的竞争生长过程取决于晶粒的相对取向关系及其与热流方向的夹角，择优生长方向与热流方向最接近的晶粒将淘汰其它晶粒并逐渐占据整个试样截面，当两个晶粒的择优生长方向都与热流方向不平行且大发散角方式组合时，两晶粒间可出现第三个晶粒并最最终扩展至整个试样截