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...     

单晶高温合金螺旋选晶器选晶行为的模拟和试验研究

通过试验和模拟的方法分析了选晶器引晶段的晶粒组织演化规律和不同情况下等温线的形态分布,以及倾斜等温线下晶粒竞争生长的过程,同时研究了螺旋段的选晶行为。结果表明,引晶段的不同高度具有不同的组织形态,引晶段主要靠晶粒间的竞争生长作用优化晶粒取向,不同形态的等温线下晶粒的优先生长方向不同。螺旋段主要靠螺旋通道对枝晶生长的几何约束选择晶粒,确保只有一个晶粒进入型腔生长成为单晶组织。     

不同制备方法对单晶高温合金取向特征的影响

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。     

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。     

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。     

DD6合金选晶器定向凝固的数值模拟与实验

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的实际情况,与实验试样基本一致。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,晶粒密度不断减小,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螺旋选晶器数值模拟与实验研究

通过Pro CAST模拟软件数值模拟了温度场对螺旋选晶器引晶段晶粒生长的影响。在模拟和实验的基础上,研究了引晶段晶粒取向、密度和尺寸的变化规律。结果表明,随着引晶段高度增加,晶粒的取向得到优化,晶粒密度减小,晶粒尺寸增大,为引晶段的高度设计提供了理论支持。从宏观和微观角度解释了螺旋选晶器螺旋段晶粒竞争生长的演化过程,为实际生产提供了理论依据。     

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。     

Analysis of Competitive Growth Mechanism of Stray Grains of Single Crystal Superalloys during Directional Solidification Process

在高梯度定向凝固装置中采用枝晶方向与热流偏离的籽晶制备AM3晶体,分析晶体生长过程中杂晶的形核原理和不同晶粒的竞争淘汰机制。结果表明,枝晶方向与热流偏离造成的过冷可促使杂晶的形成。枝晶生长方向与热流偏离较大的晶粒在一定条件下可淘汰枝晶方向与热流接近的晶粒;晶粒的竞争与淘汰过程受晶粒间枝晶的相对位向、晶粒生长方向与热流方向的夹角大小、晶粒的晶体取向等因素有关。     

DD8镍基高温合金单晶制备中的杂晶长大机制

研究了ＤＤ８镍基高温合金单晶制备中择优生长晶向偏离热流杂晶的长大机制。实验结果表明：在一定条件下择优生长晶向偏离热流方向的晶粒能够淘汰择优生长晶向平行于热流方向的晶粒。研究表明,镍基高温合金单晶制备中的晶粒淘汰并不取决于择优生长晶向与热流方向平行,而是晶粒枝晶的三维相对位置,这很好地解释了高温合金单晶制备时经常发生的预定晶向之外的杂晶长大现象。     

Effect of competitive crystal growth on microstructural characteristics of directionally solidified nickel-based single crystal superalloy

Directionally solidified single crystal superalloy test bars were prepared by the spiral grain selection method.The microstructural evolution and orientation characteristics of the starter block and spiral part were studied,and the influence of the competitive growth of crystals on the microstructural characteristics was analyzed.The results show that the divergent grain groups,with small size and randomly oriented grains,appear at the bottom of the start block due to the chilling effect,which is an important area for competitive growth.As the height of the starter block increases,the primary dendrite spacing increases,and the grain density decreases;furthermore,the proportion of grains with an orientation deflection angle less than 10°gradually increases.The<001>texture gradually becomes stronger as the height of the starter block increases,which indicates that the competitive growth of crystals gradually weakens.At the initial stage of the crystal selection in the spiral part,the obstacle of adjacent grains and spiral passage is the main working mechanism.The grains located at the inner side of the front edge of the spiral passage have the growth advantage.The single crystal screening process is achieved at about two-thirds of the spiral height,and the single crystal with the orientation deviation angle of 6.7°from the casting axis is prepared.     

抽拉速率对螺旋选晶器选晶行为和晶体取向演变的影响

采用宏观-微观耦合的元胞自动机（CAFE）方法,研究了不同抽拉速率对螺旋选晶器的选晶行为和晶体取向演变的影响,并通过实验对仿真结果进行了验证。结果表明：在相同的抽拉速率下,随着与激冷面距离的增大,枝晶数目逐渐减少,一次枝晶臂间距逐渐增大。随着抽拉速度由2 mm/min增加到8 mm/min,一次枝晶臂间距逐渐减小,枝晶茎数增加,枝晶间距逐渐减小,枝晶组织逐渐细化。在模拟过程中,在螺旋选择器启动块的3种抽拉速率下,固态组织的数量、面积和颜色都是相似的;在螺旋部分,在5 mm/min提取速率下晶体的微结构数量比其他2个提取速率下的少,并且面积更大,颜色更浅。从选晶器的晶粒组织演变和金相组织分析结果可以得出,中等抽拉速率（5 mm/min）下选晶器的选晶效率优于其他2种抽拉速率。     

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.     

多晶与单晶铜塑性变形行为的相关性

利用TEM分析拉伸变形多晶铜中不同取向晶粒的位错组织, 研究了多晶与单晶形变行为的相关性. 结果发现, 多晶铜中诸晶粒的形变显微组织可分为3种不同类型, 而且组织类型与其相应晶粒的晶体学取向存在密切的相关性; 根据多晶中不同类型组织的体积含量, 结合相应取向单晶的应力应变曲线, 计算出了多晶的应力应变曲线, 其结果与实测曲线相似.     

Effect of spiral shape on grain selection during casting of single crystal turbine blades

Abstract

In the development of turbine blades, solidification structures have progressed from equiaxed to directionally solidified (DS) and then to single crystal (SX). The transition from DS to SX was achieved by introducing a grain selector which consists of two parts: a starter block referring to the grain orientation optimisation and a spiral part to ensure that only one grain can eventually survive and grow into the blade. With emphasis on the spiral selector, the microstructure evolution and grain competitive growth is visualised using a coupled macroscale ProCAST and mesoscale cellular automaton finite element (CAFE) model in this study. To improve the efficiency of the spiral grain selector and to save cost in casting, the effects of spiral geometries on the grain selection are investigated. Simulation results reveal that the spiral becomes more efficient in grain number selection with a smaller spiral thickness (d _T) and a larger spiral diameter (d _S).     

双模晶体相场研究六方四方相变过程晶界和位错演化

对于晶粒，晶界，应力和位错的交互作用的深入理解有助于优化材料组织和提升材料性能。本文采用双模晶体相场法研究六方相向正方相的转变。分别针对倾侧角为0°，15°，30°，和 45°，晶粒取向差为6°的六方相体系做了系统研究。六方晶粒长大、溶合、并形成共格晶界，位错组沿六方晶界均匀分布，并有两种取向。正方相在位错组处形核，并且其取向取决于位错组取向。每一种倾侧角的体系种均形成两个取向正方相的变体。针对倾侧角为0 °，15°，30°，和 45°的六方相体系生成的四方相相变体之间的取向差分别为30°, 30°, 10°, 和5°。不同取向的正方相晶粒长大熟化的方式有差异，位于有利取向的晶粒将会优先生长占据主导地位。以共格晶界形式长大的晶粒，晶界处有位错组生成以松弛晶粒长大的应力集中。     

超细硬质合金中晶粒非均匀长大机理

采用市售的粒度为0.8μm的WC粉末和粒度为1.6μm的Co粉制备了WC-10%Co超细硬质合金,通过金相显微镜﹑扫描电子显微镜观察了不同烧结温度下制备的试样WC晶粒形貌,对超细晶粒硬质合金非均匀长大现象及机理进行了研究。结果表明:粉末湿磨后的粗大颗粒在烧结过程中起晶核作用,是引起晶粒非均匀长大的关键因素。固相烧结时,烧结体中细小颗粒受到张力的作用发生旋转,当其取向与邻近的大颗粒取向一致时,形成共格界面,以粗大晶粒为核心以并合的方式非均匀长大;液相烧结时,细小晶粒溶解并优先地在大晶粒的某些低能量晶面如(0001)和(1010)面析出,引起晶粒异常长大。本研究中,当烧结温度达到1 410℃时,WC晶粒可异常长大为接近20μm的粗大晶粒。