镍基单晶高温合金杂晶形成倾向性的研究

采用2种不同平台尺寸的模型试样,对镍基单晶高温合金定向凝固过程中的杂晶形成倾向性进行量化研究,对不同合金的杂晶形成倾向性及杂晶在平台内的形成机制进行探索.结果表明,平台长度越长、高度越小时,杂晶越容易在平台内形核并长大;在第一、二、三代镍基单晶高温合金SRR99,DD5和DD90中,第一代合金的杂晶形成倾向性最弱,第二代次之,第三代最强;凝固时平台尖角处的过冷度大于平台内部的过冷度,且随着平台长度增加和平台高度减小,平台尖角处的过冷度增大,当平台尖角处的过冷度达到临界形核过冷度时,杂晶在平台尖角处形核并快速长大进入平台内部.     

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。     

一种镍基单晶合金的凝固行为

采用等温凝固方法研究了单晶镍基合金的凝固区间,利用DSC测试了合金的凝固曲线。结果表明:实验合金的液相线温度约为1380℃,固相线温度约为1310℃。合金的凝固顺序为:Lγ,L MC;γγ′;Lγ+MC。单晶合金的铸态组织中,W偏析于枝晶干,Ti、Cr、Mo和Ta偏析于枝晶间,偏析程度为:MoTiCrTa,Al和Co几乎不发生偏析。1314℃1382℃1361℃1325℃     

航空发动机用单晶叶片铸造缺陷解读

综述了航空发动机用单晶叶片常见铸造缺陷定义、来源、危害和解决措施。分别介绍了小角度晶界、杂晶、再结晶组织、条带组织、雀斑、显微疏松、夹杂的定义和危害,通过分析各缺陷产生的机理和可能来源,给出相应解决措施。     

镍基单晶高温合金籽晶氧化对凝固过程的影响

采用工业级定向凝固炉研究了籽晶法制备单晶过程中籽晶顶端氧化层结构及对凝固缺陷形成的影响.结果 表明,籽晶顶端氧化层主要为Al2O3和NiO;氧化层隔离了熔融籽晶与浇注的合金,导致定向凝固过程中在氧化层处形成了小角度晶界、杂晶等凝固缺陷.     

一种铸造镍基高温合金的凝固行为

M963合金的凝固顺序为：L→L γ→L （γ‘ MC） γ→（γ γ‘) （γ MC） γ→（γ γ‘） （γ MC） γ γ‘；凝固组织呈树枝状结构，由γ固溶体基体。γ‘析出组及分布在枝晶间区的骨架状MC碳化物和（γ＋γ‘）共晶组成；碳降低合金的液相线温度和（γ＋γ‘）共晶温度，提高MC碳化物的形成温度，增加MC碳化物的体积分数，降低（γ＋γ‘)共晶的体积分数；高熔点元素W和Co在枝晶干偏聚，Al,Ti,Nb,Cr和Mo在枝晶间偏聚。     

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。     

一种第三代镍基单晶高温合金铸件截面突变处的杂晶形成过程

以一种第三代镍基单晶高温合金模型叶片为研究对象,采用ProCASTCAFE数值模拟方法并结合HRS定向凝固实验,考察了不同抽拉速率与突变截面尺寸时,铸件截面突变处的温度场分布以及晶粒组织演化过程,分析了抽拉速率与突变截面尺寸对杂晶形成的影响规律。结果表明,增大抽拉速率与突变截面尺寸会显著改变凝固界面处的温度场分布,造成了突变截面边缘局部过冷区的形成,使得杂晶在该处形核长大。随着抽拉速率和突变截面尺寸的增大,杂晶数量增多且尺寸增大。     

镍基单晶高温合金的研发进展

本文概述了近年来镍基单晶高温合金的研发进展。在合金研制方面,总结了单晶合金近几年的发展及其成分设计方法。针对单晶合金常见的变形和损伤、失效机制,分别介绍了单晶合金蠕变、疲劳、氧化及热腐蚀机理,以及单晶合金中常见缺陷对力学性能的影响。在单晶叶片制造工艺方面,总结了高速凝固、气冷、液态金属冷却、以及流态床冷却等几种常见定向凝固工艺的研发和应用现状,并介绍了单晶叶片中几种常见缺陷的形成机制和相关控制技术。此外,本文还讨论了单晶高温合金及单晶叶片在应用基础研究领域面临的困难和挑战。     

一种镍基单晶高温合金高温持久性能的各向异性

测定了一种镍基单晶高温合金[001],[011]和[111]三个取向的高温持久性能。结果表明,[001]方向塑性最好,[111]方向寿命最长,而[011]方向各性能指标都较低,组织分析显示,[111]取向启动多个滑移系,形成界面位错网,且分切应力低,因而寿命长;[001]取向等价滑移系最多,可有效钝化微裂纹,因而塑性最好;而[011]取向切应力高,滑移系少,形变孪晶易促进裂纹萌生,所以寿命短且塑性也低,三种试样在持久过程中都形成一种沿枝晶方向的藤状γ′,是由各枝晶间的微小取向差引起的,这些滕状γ′可以成为一种重要的裂纹源。     

固溶热处理对含碳镍基单晶高温合金AM3组织和偏析的影响

研究了不同固溶处理工艺对含0.045%（质量分数）碳的AM3镍基高温合金组织和元素偏析的影响。采用光学显微镜和扫描电镜对组织和γ''相进行了观察分析。采用电子探针对元素偏析进行了测试分析。结果显示,合金的初熔温度为1305 ℃,在对试样进行1305 ℃/6 h固溶处理前,对其先进行1300 ℃/3 h的均匀化处理可以减少初熔组织的出现,并能使得初熔温度提高约5 ℃。随着固溶温度的提高和固溶时间的延长,γ''相的体积分数和尺寸显著增大,元素Cr、Co、Mo、W和Al的偏析系数接近均值1。随着固溶时间的延长,初熔组织的出现阻碍了Ti的偏析。最佳的固溶处理工艺为1300 ℃/3 h+1305 ℃/6 h/空冷+1080 ℃/6 h+870 ℃/20 h/空冷。热处理后的AM3单晶高温合金枝晶组织完全消失,γ''相立方度更好,尺寸达到454 nm,并且体积分数为66.05%。元素Cr、Co、Mo、W、Al和Ti的偏析程度均有所降低。     

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     

Effect of Directional Solidification Methods on the Cast Microstructure and Grain Orientation of Blade Shaped DZ125 Superalloy

对应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)方法制备的叶片状高温合金铸件的铸态组织进行了研究,以比较2种定向凝固方法的优缺点。分别对沿铸件凝固方向不同截面位置处的晶粒取向、一次枝晶间距和γ′ 相尺寸进行了分析。结果表明,对于HRS铸件的中部截面,枝晶的<001>方向偏离铸件轴向的最大角度在抽拉速率由40 μm/s提高至110 μm/s的过程中不断减小。在70 μm/s的抽拉速度下,LMC铸件中部截面处的中心区域内晶粒的最大偏离角度要大于HRS铸件的相应位置处的偏离角,但是晶粒的整体取向却呈现较HRS铸件更集中的趋势。铸件顶部截面处的枝晶组织比中部截面处要粗大,这种现象在HRS铸件中更严重。γ′ 相尺寸在铸件由叶身位置凝固至平台位置的过程中不断粗化。但当抽拉速率高于70 μm/s时,叶身位置和平台位置之间γ′ 相尺寸之间的差异在LMC铸件中更小     

一种第三代镍基单晶高温合金的DTA实验研究

采用差热分析方法(DTA)和熔体超温处理技术,研究熔体过热温度对一种第三代镍基单晶高温合金凝固特性及组织的影响。结果表明:当熔体过热温度从1450℃提高到1500℃时,形核过冷度与结晶温度间隔变化不明显,γ相在一个较宽的温度范围内形核生长;而当熔体过热到1580℃时,形核过冷度急剧增大,结晶温度间隔显著减小,γ相形核生长温度范围减小,γ/γ′共晶组织析出减少,γ′相的析出温度较熔体过热到1450℃条件下升高了9℃;当熔体过热温度进一步升高到1650℃时,形核过冷度略有减小,结晶温度间隔稍有增大。当熔体超温处理温度由1500℃提高到1580℃时,枝晶组织明显细化,而进一步提高熔体超温处理温度至1650℃时,枝晶组织反而略有粗化。熔体过热温度使熔体结构发生改变,从而对合金的凝固特性及组织产生影响。     

单晶高温合金HRS定向凝固过程凝固参数的计算机检测与分析

建立了一套炉前计算机数据自动采集和控制系统，该系统可对HRS定向凝固过程的温度数据进行自动采集。对单昌高温合金DD98定向凝固过程湿度场的现场测定和分析的结果表明：该系统现场采集的数据平稳，较好地解决了干扰问题；在恒定的加热温度和抽拉速率下，温度梯度、糊状区宽度等凝固参数是不断变化的，起始端的温度梯度最高，凝固后期温度梯度趋于平稳，糊状区的宽度随着凝固的进行呈增加的趋势。     

Temperature evolution and grain defect formation during single crystal solidification of a blade cluster

In order to investigate the asymmetry of thermal conditions during directional solidification, the temperature evolution and correspondingly developed undercooling in a simplified single crystal blade cluster were numerically simulated. Simulation results demonstrate that the temperature distribution at the blade platforms is obviously asymmetrical. On the outside of the blade which directly faces the heating element, the liquidus (TL) isotherms progress relatively smoothly. On the inside of the blades facing the central rod, however, the TL-isotherms are in concave shape and the slope goes upwards to the platform extremities. The average undercooling extent ?T and undercooling time ?t at the inside are much higher than those at the outside. It was then predicted that the inside platform extremities have significantly higher probabilities of stray grain formation compared to the outside ones. A corresponding experiment was carried out and the metallographic examination exhibited the same side- and height-dependence of stray grain formation in the blades as predicted. On the inside of the blades, all platforms are occupied by stray grains, while the platforms on the outside are nearly stray grain free. The simulation result agrees very well with the experimental observation.     

一种第三代单晶高温合金铸件表面层组织研究

采用一种第3代单晶高温合金制备了某型号的涡轮叶片铸件,经真空固溶热处理后,发现在叶片铸件表面形成了大量形状不规则的亮白色组织。经对叶片进行解剖和金相观察,发现铸件内部组织为均匀的γ相,但外部存在一个明显的表面层。表面层中基体为连续分布的亮白色γ′相,主要组成元素为Ni、Al和Ta,表面层γ′相基体上析出了许多片状的tcp相。对铸件表面附近的成分分布进行了测量分析,显示铸件表面层为典型的贫Cr层。正是Cr元素的贫化,导致了表面层中γ相向γ′相的转变和γ′相与tcp相的共轭生长。贫Cr层的出现还导致在表面层与内部组织之间出现了较多的残存γ/γ′共晶。     

一种镍基第三代单晶高温合金的横向拉伸性能

在760℃到1100℃条件下,研究了一种镍基第三代单晶高温合金的横向拉伸性能。采用光学显微镜(OM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)与扫描透射电子显微镜(STEM)观察了合金的显微组织与断口形貌。结果表明：随着温度的升高,合金的拉伸强度降低,而拉伸延伸率增加。在760℃与850℃条件下的拉伸断裂均为类解理断裂。在980℃,1070℃和1100℃条件下,试样断口出现了反映凝固方向的枝晶形貌特征,且随着温度的升高枝晶形貌在断口上的面积增加。在980℃条件下,拉伸断裂为类解理断裂与韧窝断裂的混合断裂。在1070℃与1100℃条件下,拉伸断裂均为韧窝断裂。随着温度的升高,塑性变形过程中开动了更多滑移系,导致形成了不同的位错形貌。760℃拉伸,合金中出现了高密度大致平行分布的a/2<110>位错;980℃拉伸,合金中出现了位错缠结;1100℃拉伸,合金中形成了位错网络。     

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.     

单晶高温合金DD419籽晶引晶过程中杂晶形成机制研究

采用不同程度加工处理过的籽晶进行了高温合金DD419单晶铸件的制备实验,对宏观腐蚀后的铸件籽晶进行表面观察,并检测了相应部位的金相组织和晶体取向,对杂晶的起源进行了研究分析。结果发现,轻度加工的籽晶表面仅出现轻微再结晶,未对引晶造成影响,而中度和重度加工的籽晶有不同程度的再结晶。这些籽晶表面的再结晶产生于浇注前的预热和保温阶段,与铸件经标准固溶热处理后产生的再结晶形貌非常相似。在预热与浇注过程中,这些再结晶得到部分熔化,在随后的凝固过程中,回熔界面附近未熔的残余再结晶晶粒外延生长,从而形成杂晶缺陷。本工作证明了籽晶回熔区内杂晶的起源是籽晶表面的再结晶,而不是通常认为的液相中新晶粒形核。