定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考
定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考
刘 健,李 理,曾 斌,彭广威Ξ
(湘潭大学材料研究中心,湖南湘潭411105)
摘 要:回顾了单晶高温合金的发展历史,结合晶体学知识系统总结与分析了制取高温合金单晶的两种定向凝固技术的原理与晶体竞争生长机制.对两种方法现有工艺的优缺点进行了深入思考与比较,提出了两种制取任何所希望取向理想单晶的新方法,旨在为完善单晶高温合金的制取工艺提供新思路.
关键词:定向凝固;单晶高温合金;择优生长;选晶;籽晶
中图分类号:TG244.3 文献标识码:A 文章编号:1671-119X(2005)02-0049-04
0 引 言
自20世纪80年代初第一代单晶高温合金研制成功之后,单晶高温合金的发展甚为迅速.1988年,美国PW公司推出了工作温度比第一代单晶高温合金PWAl480约高30℃的PWAl484,继之又出现性能水平相当的ReneN5、CMSX—4等单晶高温合金,称为第二代单晶高温合金.时隔不到5年,1993年12月和1994年11月先后公布了两个标志着单晶高温合金的发展进入新阶段的第三代单晶高温合金ReneN6、CMSX—10[1].一代又一代单晶高温合金的相继出现和应用,为航空发动机和地面燃气轮机的性能大幅度提高作出了重大贡献.上个世纪90年代,几乎所有先进航空发动机都采用单晶高温合金.如推重比为10的发动机F119(美)、F120(美)、GE90(美)、E J200(英、德、意、西)、M882(法)、P2000 (俄)等[2].在单晶高温合金的生产和应用蓬勃发展的同时,各国高温合金同行们在单晶高温合金强化机制、凝固理论、环境抗力、合金设计、工艺优化等方面进行了愈加深入的研究,为提高力学性能、工艺性能和环境性能作了巨大的努力.我国从70年代末开始研究单晶高温合金及工艺,北京航空材料研究所、中国科学院金属研究所、冶金部钢铁研究总院、西北工业大学、上海交通大学等单位都对单晶高温合金和工艺进行过卓有成效的研究,研制成功一批单晶高温合金[3-4],井获得初步应用,建立了一套单晶工艺及设备.在单晶高温合金凝固理论、强化机制、取向控制以及数值模拟等方面进行过较深入的研究.但是无论是定向合金还是单晶高温合金,性能水平都还落后于国际先进水平.为此,廖世杰教授于1987年首次提出了若干定量评估定向凝固程度的参数[5],不仅使定向凝固程度有了定量的描述,最重要的是可以更深层次地检验定向凝固是否成功,从而将定向凝固理论向前推进.影响单晶铸件性能的因素主要是合金成分和制取工艺.在合金成分设计方面以日本金属技术研究所提出的新成分设计流程和d电子合金设计法最为成熟[2].制取单晶高温合金以正常凝固法中的定向凝固法应用最为广泛和最有效.固-液界面前沿液相中的温度梯度G L和晶体生长速度R是定向凝固技术的重要工艺参数, G L/R值是控制晶体长大形态的重要判据.因此,如何控制好固-液界面温度场从而获得具有理想晶体形态的单晶是非常重要的.当前很多人对固液界面温度场进行了深入研究,并且建立了大量描述定向凝固固液界面温度变化规律的数学模型.廖世杰等人先后建立了一种能够精确描述一维和二维定向凝固过程中固液界面温度场的理论模型[6-7],并且由此模型推导出了一系列热参数,包括温度梯度G L,凝固速度R,冷却速度V以及界面特征温度T c,这对于实时掌握动态的材料凝固过程从而采取相应措施控制它获得最佳凝固组织是非常有用的.尽管如此,但是综观单晶高温合金定向凝固法的发展历史,
第15卷第2期2005年6月 湖南工程学院学报
Journal of Hunan Institute of Engineering
Vo1.15.No.2
J une.2005
Ξ收稿日期:2005-01-02
作者简介:刘 健(1978-),男,硕士研究生,研究方向:定向凝固织构.
不难发现由于工艺问题,单晶高温合金的完整性一直不是很理想.本文的目的就是系统总结与分析前
人的研究成果,再结合相关现代晶体学知识,在定向凝固工艺方面为单晶高温合金的发展与完善提出新的见解.
1 单晶高温合金定向凝固工艺的原理与晶体竞争生长机制分析
1.1 籽晶法
首先将和所要铸造的单晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模壳的最底部,然后将过热的熔融金属液浇注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰当地控制固液界面前沿液体中的温度梯度和晶体的生长速度,金属熔液就会从未被熔化的籽晶部分开始往金属液中生长,并最终形成晶体取向与籽晶相同的单晶,这就是籽晶法.我们知道,在一般的铸造中,如果与金属液直接接触的模壳表面不是很连续或者加工后残留有应力的话,往往会引发再结晶进而发生等轴晶形核或者发生异质形核.由于籽晶法结晶并不是过热金属液碰到籽晶立即进行,而是先使部分籽晶熔化,然后才开始形核,所以就避免了上述现象出现的可能.从晶体学角度来看,晶体的生长实际上是各族晶面平行向外的推移.籽晶法的原理是利用结构相似性,即过热金属液形核长大时,使原子面的堆垛成为籽晶原子面堆垛的一种延续,也就是使液相原子与籽晶原子形成的是一种完全共格界面.关于籽晶法晶体生长机制的研究很多.传统晶体生长理论认为,在单晶制备的晶粒竞争生长过程中,只要晶粒的择优生长方向与热流方向一致,该晶粒就可以抑制其他方向的晶粒而最终长大成为单晶体[8].但是实际上晶粒生长时并不是一次轴的简单延续,而是通过不断长出二次枝晶、三次枝晶及更高次枝晶来最终长大成晶体的.这种二次枝晶长出三次枝晶及更高次枝晶就会使晶粒界面发生迁移,从而造成晶体竞争生长
[9,10].深入分析他们的结论就可以推知,竞争生长过程中晶体获胜的前提并不是其择优生长方向平行热流方向.如果择优取向偏离热流的晶粒的二次枝晶或者三次枝晶能够抑制择优取向平行热流方向的晶粒的对应的枝晶生长,那么它照样可以淘汰对方并最终获胜.
1.2 选晶法
选晶法是单晶高温合金叶片制备中最基本的工艺方法.Higginbotham[11]把常用的单晶选晶器结构归纳为四种类型:螺旋型、
倾斜型、转折型、尺度限制型(缩颈型),如图1所示.随着单晶高温合金研究
图1 四种典型晶粒选择器示意图[12]
的发展,螺旋型选晶器逐渐淘汰掉其他三种选晶器,成为目前应用最广泛也是最成功的选晶器类型,因此本文仅讨论螺旋选晶法.由P.Carter等人[13]用计算机绘制出的螺旋选晶器的结构示意图如图2所示.可以看出,它由三部分组成:起始段、选晶段(螺
图2 螺旋选晶器示意图
旋部分)、单晶段(最上面棱台部分).其中螺旋结构的主要特征是螺旋体以一定的角度在三维空间连续攀旋,不存在任何突变性转弯.因此利用这种结构来生长晶体就不会出现因为陡的棱边剧烈的侧向散热而造成的局部低温区,从而基本上消除了内生生核的现象[14].选晶法的原理就是利用选晶器的这种狭窄界面,只允许一个晶粒长出它的顶部,然后这个晶粒长满整个型腔,从而得到单晶体.其晶体竞争生长机制是:螺旋结构总的攀升走向正好与散热方向相反,致使螺旋体内散热均匀,因此在整个螺旋形生长过程中,位向最适合生长的那个晶粒将其他众多的初生晶粒一一淘汰,不断长出枝晶并最终进入试样本体成为单晶铸件.郑启等人用计算机模拟了该过程如图3所示,并得出如下结论:晶粒1的枝晶择优生长方向最接近该元段前沿法线方向,而晶粒2的枝晶取向偏离了该方向,因此晶界就朝晶粒2一侧移动,促进晶粒1在此方向上快速生长.同时因为空间条件约束,晶粒2一侧受晶粒1排挤,另一侧受螺旋限制,失去生长空间,最终被淘汰.
05 湖南工程学院学报 2005年
图3 螺旋选晶器选晶原理意图
2 定向凝固制取单晶高温合金的思考
综合单晶高温合金的发展历史可以看出,通常情况下,定向凝固技术制取的铸件的晶体取向都是金属的择优方向.随着科学技术的进步,越来越多的应用领域要求单晶的晶体取向为其择优方向.因此,采取合理的工艺制得理想的非择优方向单晶成为了一个重要的课题.我们知道,籽晶的取向是可以人为控制的,故籽晶法理论上可以制取具有任何所希望取向的单晶.众所周知,人工晶体籽晶的选择与取向直接影响到晶体的生长速度和质量,籽晶取向通常选取垂直晶体高次对称轴方向切取,因为该方向生长速度快,生长出的晶体形态也容易对称,而且所生长的晶体晶形完整.但是,当需要提高晶体利用率尤其是需要制取非择优取向单晶时,就必须按使用的特殊要求来切取籽晶.这种情况下的籽晶面往往是不对称的高指数晶面,它属于不稳定晶面,在生长过程中很容易产生向邻界的稳定晶面过度的趋势,当向稳定晶面过度时,所生长的部分晶体一般缺陷比较多,晶体质量也比较差[15].可见,籽晶法成本比较高,而且很难保证精度.正因为这样,所以定向凝固过程中籽晶的重熔部分与过热金属液间的界面往往成为高温合金单晶制备过程中出现预定晶向之外杂晶长大现象的最根本原因[16].关于杂晶长大机制的研究很多[16-20],其中刘志义等[21]设计三组双晶粒竞争生长实验,验证了择优生长晶向偏离热流方向的“杂晶”可淘汰择优生长晶向平行热流方向的晶粒这一推论.除此之外,籽晶的晶体取向对树枝晶组织也有一定的影响[22],如果籽晶的择优生长方向与单晶生长方向有所偏离,则单晶的一次枝晶形态将发生明显的改变,一次枝晶间距也受到热流方向偏离的影响,枝晶二次分枝将出现明显的不对称性,由此影响单晶组织的微观偏析和枝晶间相的形态和分布,从而影响单晶高温合金的性能.另外,预热过程中在籽晶表面形成的氧化物直接影响单晶铸件的单晶性和质量.因此籽晶法不适合生产高完整性单晶.关于螺旋选晶法,综观所有研究可以得出结论:选晶过程中晶体本身的取向与选晶器的空间尺度同时约束生长,选晶行为是晶体横向择优生长与螺旋结构的藕合作用.其特殊的螺旋结构对晶粒竞争生长具有很好的约束作用,可以将杂晶长大的可能性降至最低.在查阅文献资料过程中,从未见到选晶过程中出现杂晶的报道,同时也发现用选晶法制取的单晶的晶体取向通常情况下是该种金属的择优生长方向.因此,传统的选晶法虽然精度高,但是只能制取特殊取向的单晶.综合考虑籽晶法和选晶法的优缺点,我们认为如果将二者结合起来,即合理设计螺旋选晶器的结构,并在其起始段安放一个与所希望制得的单晶具有相同取向的籽晶,就可能制得与籽晶具有完全相同三维取向的单晶性很好的单晶铸件.值得一提的是,这种方法同时还可以获得非择优生长方向晶粒间竞争生长的新信息,至今尚未有相关报道.另外,仔细研究分析选晶法的选晶原理、杂晶长大机制以及影响晶体生长的相关因素,我们认为如果螺旋结构设计合理(如图3所示),使得晶粒2的某一非择优生长方向基本上平行热流方向(与各元段法线垂直),并且与晶粒1的相对位置符合杂晶长大机制[21],就可以使晶粒2淘汰晶粒1而最后长大成为铸件,显然该铸件的取向为我们所需要的非择优生长方向.因此用这种方法就可以制取单晶性很好的任何希望取向的单晶.有关这方面的工作,我们正在进行相关研究,并已初步采取预想结果.
3 结 论
(1)单晶高温合金定向凝固工艺既要具有良好的晶粒淘汰效果,又要避免内生形核,以保证占据最有利的枝晶相对位置的晶粒能够顺利生长进入铸件本体成为单晶铸件.
(2)籽晶法设备简单易得,但是效果不是很好,而且获得籽晶的成本比较高.选晶法虽然制模比较复杂,但是操作方便、成本低,选晶效果好.
(3)深入分析比较籽晶法与选晶法的优缺点,认为将两种方法合理结合起来,就可能制取任何所希望取向单晶性很好的单晶.同时可以获得非择优生长方向晶粒间竞争生长的信息.
(4)深入研究分析杂晶长大机制以及螺旋结构与择优生长方向间的耦合作用,认为合理设计选晶器螺旋结构可以用选晶法直接制备儋竟性很好的任
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第2期 刘 健等:定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考
何所希望取向的晶体.有关这方面的工作,我们正在进行相关研究,并已初步取得预想结果.
参 考 文 献
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Thoughtes on Superalloy Single-crystal C asts Made
by Directional Solidif ication T echnology
L IU Jian,L I Li,ZEN G Bin,PEN G Guang-wei
(Research Center of Advanced Material,Xiangtan University,Xiangtan411105,China)
Abstract:Reviewing the development of single crystal superalloys,the principle and grain growth mechanisms of two directional solidification methods of single crystal superalloys preparation are summarized and analyzed sys2 tematically with crystallography knowledge.After comparing the advantages and disadvantage of the present technologys of the two methods thoroughly,two new making methods of ideal single crystal with any expected crystal orientation are put forward.The purpose is to provide new ideas of perfecting the echnology of single crystal superalloy.
K ey w ords:directional solidification;single crystal superalloy;optimization growth;grain selection;grain seed 25 湖南工程学院学报 2005年
单晶高温合金与定向凝固的文献综诉
绪论 航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。因此消除这种横向晶界，则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。柱状晶之间只有纵向晶界而 无横向品界，这就是定向凝固的柱晶叶片，如果采取某些措施，只允许有一个晶粒成长的柱晶，从面消除了一切晶界，这就是单晶叶片。 由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。 1.定向凝固 1.1定向凝固原理 进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基本条件: (l)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进; (2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。 1.1.1定向凝固过程 定向凝固时合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热，且结晶前沿是正向温度梯度，根据立方晶系的金属及合金（Ni、Fe、Co等及其高温合金）在结晶过程中晶体<100>是择优取向，长大速度最快，从而那些具有<100>方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<100>的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。
高温合金成型方法
高温合金成型方法：熔模精密铸造，铸锭冶金（包括挤压、轧制、锻造等）粉末冶金，定向凝固。 高温合金的几种成型方法的工艺路线 粉末冶金 高温合金如TiAl基合金的室温塑性较差，用常规塑性变形的方法加工极为困难。粉末冶金法可以很好的解决这一问题。这种方法以合金或单质粉末为原材料，通常先采用常规塑性加工方法（如模压、冷等静压等）对粉末进行固结成形，在经烧结就可直接获得特定形状的零件，同时实现制件的近终成型，这样就避免了对TiAl基合金的后续加工。同时，相比于铸造合金，采用粉末冶金法所制得的材料组织更为均匀、细小。 目前基于高温合金粉末冶金的具体方法主要有:机械合金化、反应烧结、预合金粉末法、自蔓燃—高温合成、爆炸合成等。这些方法常常两种或多种方法结合在一起使用，难以严格区分。 但是，粉末冶金方法制得的TiAl基合金部通常含有较多的杂质含量（如氧、氮等），并且粉末冶金制得合金组织不致密，内部经常存在孔隙，这些都严重的限制了粉末冶金方法的应用及推广。部分学者采用热锻以及包套挤压方法在一定程度上减少了孔隙率，较大的提高了TiAl基合金的力学性能。在但由于Ti、Al 元素扩散系数差别太大，元素反应扩散距离大，以及柯肯达尔效应的影响，均匀、高致密度的TiAl基合金仍然比较难以获得。因此，在高纯粉末的制备、烧结工艺
的优化、杂质的控制、提高合金的致密度等方面，粉末冶金还有较长的路要走。 铸锭冶金 铸锭冶金是合金熔炼、铸造、锻造和轧制等技术的综合，是目前TiAl 基合金的典型加工工艺。 一般由铸造出来的铸锭，组织都比较粗大，成分由于偏析的存在而不均匀，并且内部也或多或少的存在缩松、缩孔等缺陷。铸锭在进行塑性加工之前，一般要对其进行热等静压，实现对铸锭的均匀化处理。这样可以一定程度上除合金成分的偏析，同时合金铸锭中的微观缩孔或孔洞也能被压实、焊合，这就可以防止铸锭在后续热加工过程中由于微观缩孔与孔洞引起的应力集中或合金的不均匀流变造成的铸锭的变形开裂。对Al>46%(原子)的合金热等静压多选择在1260℃/175MPa 进行。 通过对铸锭的进行热加工，可以破碎粗大的铸态组织，细化晶粒，进一步减小微观缩孔或孔洞的影响，较大幅度的提高TiAl 基合金的力学性能。通常使用的热加工工艺主要有等温锻造、包套锻造、热轧制或热挤压等。 等温锻造区间一般为1065~1175℃，名义应变速率在10-2~10-3/s之间，压缩比为4:1~6:1；在这种工艺条件可保证铸锭有良好的塑性同时又不开裂，所获得的组织中有超过50%的板条组织球化。在锻造过程中增大保压时间、将锻件在锻模内短暂停留或在两步锻造中间进行热处理都可以促进球化。从而细化组织，提高材料的力学性能。 包套锻造可以在锻坯外设置包套，在锻坯与包套材料之间采用隔热材料，使锻件在的一定范围内保持均匀的温度，从而得到细小、均匀的显微组织及良好的锻坯表面质量。包套材料一般采用不锈钢、TC4合金或工业纯钛，目前最好的隔热材料是SiO2纤维网[38]。包套技术与挤压技术结合起来，形成了包套挤压技术，这种技术也能极大程度的优化TiAl 基合金的组织和性能。 目前比较热门的方向是综合利用铸锭冶金的方法，采用轧制的方法制备TiAl 基合金板材，哈尔滨工业大学陈玉勇教授带领的课题组在这方面做了许多功能工作，取得了较大的成果。 离心铸造 离心铸造是指将液态金属浇入旋转的铸型中，使金属液在离心力作用下完成充填和凝固成型的一种铸造方法。为了实现这种工艺过程，必须采用专门的设备—离心铸造机(简称为离心机)，提供使铸型旋转的条件。根据铸型旋转轴在空间位置的不同，常用的离心机分为立式离心铸造机和卧式离心铸造机两种。立式离心铸造的铸型是绕垂直轴旋转的，卧式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转的。 离心铸造可采用多种的铸型，如金属型、砂型、石膏型、石墨型陶瓷型及熔
高温合金概述
1.1 高温合金 1.1.1 高温合金及其发展概况 高温合金是指以铁、钴、镍为基体，能在600℃以上温度，一定应力条件下适应不同环境短时或长时使用的金属材料。具有较高的高温强度、塑性，良好的抗氧化、抗热腐蚀性能，良好的热疲劳性能，断裂韧性，良好的组织稳定性和使用可靠性。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性，基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度很高，故在英美称之为超合金（Superalloy）。 高温合金于20世纪40年代问世，最初就是为满足喷气发动机对材料的耐高温和高强度要求而研制的，高温合金的发展与航空发动机的进步密切相关，1939年英国Mond镍公司首先研究出Nimonic75，随后又研究出Nimonic80合金，并在1942年成功用作涡轮气发动机的叶片材料，此后该公司又在合金中加入硼、锆、钴、钼等合金元素，相继开发成功Nimonic80A、Nimonic90等合金，形成Nimonic合金系列。如今先进航空发动机中高温合金用量已超过50%。此外，在航天、核工程、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域得到广泛的应用。高温合金在满足不同使用条件中得到发展，形成各种系列的合金，除传统的高温合金外，还开发出一批高温耐磨、高温耐蚀的合金。 高温合金是航空发动机、火箭发动机、燃气轮机等高温热端部件的不可代替的材料，由于其用途的重要性，对材料的质量控制与检测非常严格。高温合金的基本用途仍旧是飞行器的燃气轮发动机的高温部分，它要占先进的发动机重量的50％以上。然而，这些材料在高温下极好的性能已使其用途远远超出了这一行业。除了航空部件之外，规定将这些合金用于舰船、工业、陆地发电站以及汽车用途的涡轮发动机上。具体的发动机部件包括涡轮盘、叶片、压缩机轮、轴、燃烧室、后燃烧部件以及发动机螺栓。除了燃气发动机行业之外，高温合金还被选择用于火箭发动机、宇宙、石油化工、能源生产、内燃烧发动机、金属成形(热加工工模具)、热处理设备、核电反应堆和煤转换装置。
铸造高温合金发展的回顾与展望
第20卷 第1期2000年3月 航 空 材 料 学 报 JOURNAL OF AERONAUT ICAL M ATERIALS Vol.20,No.1 M arch2000 铸造高温合金发展的回顾与展望 陈荣章1 王罗宝1 李建华2 (1.北京航空材料研究院,北京100095; 2.中国人民大学,北京100872) 摘要:回顾了20世纪40年代以来铸造高温合金发展中的若干重大事件:叶片以铸代锻;真空 熔炼技术;定向凝固及单晶合金;合金成分设计;Ni3Al基铸造高温合金;合金凝固过程数值 模拟;细晶铸造。展望了铸造高温合金21世纪的发展:单晶高温合金仍然是最重要的涡轮叶 片材料;继续靠工艺的发展挖掘合金潜力;发展有希望的替代材料。 关键词:合金发展;铸造高温合金;燃气涡轮叶片 中图分类号:T G24 文献标识码:A 文章编号:1005 5053(2000)01 0055 07 自从20世纪40年代初期第一台航空喷气发动机采用第一个铸造涡轮工作叶片以来,铸造高温合金的发展经历了一段曲折而又辉煌的历程。众所周知,航空发动机的发展与高温合金的发展是齐头并进、密不可分的,前者是后者的主要动力,后者是前者的重要保证。占据着航空发动机中温度最高、应力最复杂的位置的铸造涡轮叶片的合金发展尤其是这样。半个世纪以来,航空发动机涡轮前温度从40年代的730 提高到90年代的1677 ,推重比从大约3提高到10[1],这一巨大进展固然离不开先进的设计思想、精湛的制造工艺以及有效的防护涂层,但是,高性能的铸造高压涡轮叶片合金的应用更是功不可没。40年代以来,标志着铸造高温合金性能水平的在140M Pa/100h条件下的承温能力从750 左右提高到当前的1200 左右(图1),是十分令人鼓舞的巨大成就。在这世纪之初回顾铸造高温合金发展的历程,不能不提到如下几件使人难忘的重大事件。 叶片以铸代锻 1943年,美国GE公司为其J 33航空发动机选用了钴基合金H S 21制作涡轮工作叶片,代替原先用的锻造高温合金H astelloy B。当时为了考核铸造高温合金作为转动件的可靠性,宇航局(NASA)有关部门曾对两种合金叶片同时进行台架试车鉴定。结果表明, HS 21完全可以代替H astelloy B制作涡轮转子叶片,从此开创了使用铸造高温合金工作叶片的历史[2,3]。之后,又谨慎地对X 40,GM R 235等铸造合金进行类似的考核研究,使铸造叶片的应用有所扩大。随着发动机推力的增大,叶片尺寸增大,当时发现叶片的主要失效模式从蠕变断裂转变为疲劳断裂,而铸造叶片由于晶粒粗大且不均匀,疲劳性能远低于锻造合金,加之当时出现了性能较高的沉淀硬化型镍基锻造高温合金,例如Nimonic80A, Udimet500,W aspaloy, 437 , 617等,而且锻造技术有所进步,这就使设计师又把叶片选 收稿日期:1999 09 20 作者简介:陈荣章(1937 ),男,研究员
Incoloy MA956铸造高温合金
上海商虎/张工：158 –0185 -9914 Incoloy MA956 铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。 Incoloy MA956化学成分： 碳C: — 硅Si: — 锰Mn: — 铬Cr: 20 镍Ni: — 钼Mo: — 钴Co: — 钨W: — 铝Al: 4.5 铜Cu: — 钛Ti: 0.5 铁Fe: 74.4 其他(％): Y2O3 0.5 现在已完成商业化生产的主要有三种ODS合金： MA956合金在氧化气氛下运用温度可达1350℃，居高温合金抗氧化、抗碳、硫腐蚀之首位。可用于航空发动机燃烧室内衬。 MA754合金在氧化气氛下运用温度可达1250℃并坚持相当高的高温强度、耐中碱玻璃腐蚀。现已用于制造航空发动机导向器蓖齿环和导向叶片。 MA6000合金在1100℃拉伸强度为222MPa、屈从强度为192MPa；1100℃，1000小时持久强度为127MPa，居高温合金之首位，可用于航空发动机叶片。金属间化合物高温资料是近期研讨开发的一类有重要使用前景的、轻比重高温资料。十几年来，对金属间化合物的基础性研讨、合金设计、工艺流程的开发以及使用研讨现已老练，尤其在 Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系资料的制备加工技能、韧化和强化、力学功能以及使用研讨方面取得了令人瞩目的成果。 Ti3Al基合金(TAC-1)，TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.8～ 5.8g/cm3)、高温高强度、高钢度以及优异的抗氧化、抗蠕变等长处，可以使结构件减重35～50%。Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蚀、耐磨损和耐气蚀功能，展示出极好的使用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蚀功能，在中温(小于600℃)有较高强度，成本低，是一种可以部分取代不锈钢的新资料。在民用工业的很多领域，服役的构件资料都处于高温的腐蚀环境中。为满意市场需要，依据资料的运用环境，归类出系列高温合金。 1、高温合金母合金系列 2、抗腐蚀高温合金板、棒、丝、带、管及锻件 3、高强度、耐腐蚀高温合金棒材、弹簧丝、焊丝、板、带材、锻件
C u- Z r 合金定向凝固组织的研究
图1Cu-12.25Zr合金的X射线衍射曲线 (a)退火前(b)退火后 F ig.1The X RD pa t t e rn of a s-cas t mi cr os t ruc tur e o f Cu-12.25Zr (a)Be f ore annea l ing(b)Af t er annea l ing 2.2生长速度对定向凝固组织的影响 在温度梯度一定的前提下,本实验通过改变生长速度使Cu-12.25Zr合金在不同的生长速度下进行定向凝固,考察了生长速度对定向凝固组织形态的影响.结果发现,当生长速度低于0.6μm s时,定向凝固组织为层片状(图2a),此时晶体以平面晶方式生长;随着生长速度的增加,平面界面失稳,凝固组织由层片状转化为棒状(图2b),此时晶体以胞晶方式生长;当进一步提高生长速度,胞晶的主枝干两侧出现扰动,继而出现了2次分枝,凝固组织转变为
图2不同生长速度下的定向凝固组织形态 Fi g.2The mo rphol og ies o f di rec t i ona l s ol i di f ica t ion s t ruct ure s under di f fe rent g rowth ve loc i t ies 2.3复合材料中的相组成 图3定向凝固组织中的Cu 5 Zr相 (a)形貌(b)衍射斑点 Fi g.3The TE M images o f Cu 5 Zr i n d i rec t i ona l so l i di f i ca t i on s t ruc tur e (a)Mo rpho l ogy o f Cu5Zr(b)Di f f r act i on pa t t ern (a)形貌(b)衍射斑点 图4定向凝固组织中的Cu 8 Zr 3 相 (a)Morpho logy(b)Di f f r ac t i on pa t te rn Fi g.4The TE M imag ies o f Cu 8 Zr 3 in di rec t iona l so l i di f i ca t i on s t ruct ure (a)形貌(b)衍射斑点 图5定向凝固组织中的Cu 10 Zr 7 相 (a)Morpho logy(b)Di f f r ac t i on pa t te rn Fig.5The TE M imag i es of Cu 10 Zr 7 i n d i r ec t i onal so l id i f ica t ion s t ruc t ure (a)宏观偏析(b)Zr元素分布曲线 图6枝晶端部的溶质偏析 (a)M acr o s eg regat i on(b)Di s t r ibu t ion cur ve o f Zr el ement
定向凝固技术及其应用
定向凝固技术及其应用 1.定向凝固理论基础及方法 定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。这个条件可通过下述措施来满足：（1）严格的单向散热。要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。（3）要避免液态金属的对流。搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。 定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。定向凝固技术最大的一个成果之一就是涡轮叶片的生产，这直接促进了高温合金材料设计上的巨大进步。自从这个突破后，一系列的定向凝固技术，比如：快速凝固技术（HRS），液态金属冷却（LMC）等可以提高定向凝固组织都发展起来。如今，定向凝固理论是一种重要的材料制备方法和一种研究凝固现象的有利工具。因此，研究和开发新的定向凝固方法吸引了世界范围内的材料工程师和科学家。 定向凝固方法主要有以下几种： （1）发热剂法。将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立自下而上的 凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此该法只能制备晓得柱状 晶铸件。 （2）功率降低法。铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动。当型壳被预热到一定过热度时，向型壳中浇入过热金属液，切断下部电源，上部继续 加热。温度梯度随着凝固距离的增大而不断减少。 （3）快速凝固法。与功率降低法的主要区别是铸型加热器始终加热，在凝固时铸件与加热器之间产生相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套。 在挡板附近产生较大的温度梯度。与功率降低法相比，该法可大大缩小凝固
定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考
定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考 刘 健,李 理,曾 斌,彭广威Ξ (湘潭大学材料研究中心,湖南湘潭411105) 摘 要:回顾了单晶高温合金的发展历史,结合晶体学知识系统总结与分析了制取高温合金单晶的两种定向凝固技术的原理与晶体竞争生长机制.对两种方法现有工艺的优缺点进行了深入思考与比较,提出了两种制取任何所希望取向理想单晶的新方法,旨在为完善单晶高温合金的制取工艺提供新思路. 关键词:定向凝固;单晶高温合金;择优生长;选晶;籽晶 中图分类号:TG244.3 文献标识码:A 文章编号:1671-119X(2005)02-0049-04 0 引 言 自20世纪80年代初第一代单晶高温合金研制成功之后,单晶高温合金的发展甚为迅速.1988年,美国PW公司推出了工作温度比第一代单晶高温合金PWAl480约高30℃的PWAl484,继之又出现性能水平相当的ReneN5、CMSX—4等单晶高温合金,称为第二代单晶高温合金.时隔不到5年,1993年12月和1994年11月先后公布了两个标志着单晶高温合金的发展进入新阶段的第三代单晶高温合金ReneN6、CMSX—10[1].一代又一代单晶高温合金的相继出现和应用,为航空发动机和地面燃气轮机的性能大幅度提高作出了重大贡献.上个世纪90年代,几乎所有先进航空发动机都采用单晶高温合金.如推重比为10的发动机F119(美)、F120(美)、GE90(美)、E J200(英、德、意、西)、M882(法)、P2000 (俄)等[2].在单晶高温合金的生产和应用蓬勃发展的同时,各国高温合金同行们在单晶高温合金强化机制、凝固理论、环境抗力、合金设计、工艺优化等方面进行了愈加深入的研究,为提高力学性能、工艺性能和环境性能作了巨大的努力.我国从70年代末开始研究单晶高温合金及工艺,北京航空材料研究所、中国科学院金属研究所、冶金部钢铁研究总院、西北工业大学、上海交通大学等单位都对单晶高温合金和工艺进行过卓有成效的研究,研制成功一批单晶高温合金[3-4],井获得初步应用,建立了一套单晶工艺及设备.在单晶高温合金凝固理论、强化机制、取向控制以及数值模拟等方面进行过较深入的研究.但是无论是定向合金还是单晶高温合金,性能水平都还落后于国际先进水平.为此,廖世杰教授于1987年首次提出了若干定量评估定向凝固程度的参数[5],不仅使定向凝固程度有了定量的描述,最重要的是可以更深层次地检验定向凝固是否成功,从而将定向凝固理论向前推进.影响单晶铸件性能的因素主要是合金成分和制取工艺.在合金成分设计方面以日本金属技术研究所提出的新成分设计流程和d电子合金设计法最为成熟[2].制取单晶高温合金以正常凝固法中的定向凝固法应用最为广泛和最有效.固-液界面前沿液相中的温度梯度G L和晶体生长速度R是定向凝固技术的重要工艺参数, G L/R值是控制晶体长大形态的重要判据.因此,如何控制好固-液界面温度场从而获得具有理想晶体形态的单晶是非常重要的.当前很多人对固液界面温度场进行了深入研究,并且建立了大量描述定向凝固固液界面温度变化规律的数学模型.廖世杰等人先后建立了一种能够精确描述一维和二维定向凝固过程中固液界面温度场的理论模型[6-7],并且由此模型推导出了一系列热参数,包括温度梯度G L,凝固速度R,冷却速度V以及界面特征温度T c,这对于实时掌握动态的材料凝固过程从而采取相应措施控制它获得最佳凝固组织是非常有用的.尽管如此,但是综观单晶高温合金定向凝固法的发展历史, 第15卷第2期2005年6月 湖南工程学院学报 Journal of Hunan Institute of Engineering Vo1.15.No.2 J une.2005 Ξ收稿日期:2005-01-02 作者简介:刘 健(1978-),男,硕士研究生,研究方向:定向凝固织构.
K417镍基铸造高温合金材料报告
K417镍基铸造高温合金材料报告 K417是高强度的镍基铸造高温合金，其成分中的铝和钛含量较高，形成约占合金重量67％的γ′强化相，因而高温强度较高、塑性较好，加之其密度较低（7.8g/cm3），故特别适宜制作高温转动件。但它的组织稳定性较差，特别是当成分偏上限或铸造工艺参数控制不当时，零件在850～950℃长期工作中，有析出片状σ相的倾向。它的耐热腐蚀性能也较差，若长期高温使用，需用保护涂层 . 化学成分 Typical values(Weight %) Cr Ni Co Mo Al Ti 8.50-9.5 余14.0-16.0 2.50-3.20 4.80-5.70 4.50-5.00 Fe C Mn Si P S ≤1.0 0.13-0.22 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.015 ≤0.010 力学性能 θ/℃持久性能拉伸性能 σb/ MPa t/h σb/ MPa δБ/% W / % 900 315 ≥70 635 6 8 物理性能 密度：7.8 g/m3 熔点：1260℃-1340℃ 磁性能：无 相近牌号 美国：IN100 技术标准 HB 5161—1988 物理数据 温度 ℃热导率W/mk 温度 ℃线膨胀系数10-6/K 132 10.87 200 13.2 419 14.23 431 13.5 661 19.25 679 13.5 760 25.94 759 14.7 947 38.49 868 15.7 1076 35.98 956 16.8 1109 41.42 1000 17.3 成形性能 用熔模铸造法可铸成壁厚小至1mm的薄壁零件也可铸造整体涡轮 焊接性能 可以进行氩弧堆焊 零件热处理工艺 1. 零件在铸态下使用; 2. 也可进行渗铝和消除应力的退火处理，处理温度低于1120℃。 表面处理工艺
快速凝固技术
快速凝固技术的研究进展 摘要：快速凝固技术是当材料科学与工程中研究比较活跃的领域之一，目前已成为一种金属材料潜在性能与开发新材料的重要手段。快速凝固技术得到的合金与常规合金有着不同的组织和结构特征，对材料科学和其它学科的理论研究以及开展实际生产应用起了重要的作用。介绍了快速凝固技术的原理和特点、主要方法和在实际中的应用和存在的问题。 关键词：快速凝固技术；合金；应用；存在问题
1 引言 随着对金属凝固技术的重视和深入研究，形成了许多种控制凝固组织的方法，其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段，同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域[1]。过去常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大，偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高凝固速度，因此出现了快速凝固技术。 目前，快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。 2 快速凝固技术 1960年美国的Duwez等用铜辊快淬法，首次使液态合金在大于107K/S的冷却速度下凝固，在Cu—Si合金中发现了无限固溶的连续固溶体；在Ag—Ge合金中出现新的亚稳相；在Au—Si合金中形成非晶结构。在快速冷却所形成的亚稳结晶组织中，出现了一系列前所未见的重要的结构特征，表现出各种各样比常规合金优异的使用性能[2]。此后，快速凝固技术和理论得到迅速发展，成为材料科学与工程研究的一个热点。 快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104～106 K/s)或非均质形核被遏制，使合金在很大过冷度下，发生高生长速率(≥1～100 cm/s)凝固[3]。通过快速凝固技术获取的粉末和材料会具有特殊的性能和用途。由于它是一种非平衡的凝固过程[4]，详细的说就是凝固过程中的快冷、起始形核过冷度大，生长速率高，促使固液界面偏离平衡，生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，从
高温合金基础知识
中文名称：铸造高温合金 英文名称：cast superalloy 定义：在铸造组织状态下具有良好性能并可直接铸成零件的高温合金。具有比同成分的变形合金高的抗蠕变性能。 中文名称：变形高温合金 英文名称：wrought superalloy 定义：适宜进行塑性成形的高温合金。所属学科：航空科技（一级学科）；航空材料（二级学科） 弥散强化 弥散强化指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段。是指用不溶于基体金属的超细第二相(强化相)强化的金属材料。为了使第二相在基体金属中分布均匀，通常用粉末冶金方法制造。第二相一般为高熔点的氧化物或碳化物、氮化物，其强化作用可保持到较高温度。弥散强化是强化效果较大的一种强化合金的方法，很有发展前途。 沉淀强化 合金通过相变得到的合金元素与基体元素的化合物会引起合金强化，为沉淀强化，弥散强化则是机械混掺于基体材料中的硬质颗粒引起的强化。两者的区别是沉淀强化中沉淀相和基体有化学交互作用，而弥散强化沉淀相和基体无化学交互作用。 高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料；并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性， 高温合金产品图片融品科技提供 基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度较高，又被称为“超合金”，是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。按基体元素来分，高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃，对于在更高温度下使用的耐热部件，则采用镍基和难熔金属为基的合金。镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。若以150MPA-100H持久强度为标准，而目前镍合金所能承受的最高温度〉1100℃，而镍合金约为950℃，铁基的合金〈850℃,即镍基合金相应地高出150℃至250℃左右。所以人们称镍合金为发动机的心脏。目前，在先进的发动机上，镍合金已占总重量的一半，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍合金。与铁合金相比，镍合金的优
第一章 合金凝固理论
1.解释概念 成份过冷，有效分配系数，宏观偏析 2.杠杆定律的意义及适用条件。 3.两相平衡时，如何确定平衡相的成份，为什么？ 4.根据公切线法则，画出共晶温度时各相自由焓—成份曲线示意图。 5.合金结晶与纯金属有何不同？ 6.铜和镍固态完全互溶，它们的熔点分别是T Cu＝1083℃，T Ni=1452℃,问Ni－10%Cu及 Ni－50%Cu两种合金在浇铸和凝固条件相同的条件下，哪种合金形成柱状晶的倾向大？哪种合金的枝晶偏析严重？为什么？ 7.画图并说明共晶成分的Al-Si合金在快冷条件下得到亚共晶组织α＋（α＋Si）的原因。 8.画出Pb－Sn相图，求： l分析过共晶合金80%Sn的平衡结晶过程（写出反应式）、画出冷却曲线及组织示意图、写出结晶后的室温组织。 l求室温组织中组织组成物的相对重量、共晶组织中的共晶α及共晶β的相对重量。 l求室温组织中组成相的相对重量。 9.填空 l固溶体合金，在铸造条件下，容易产生___偏析，用___ 方法处理可以消除。 l Al－CuAl2共晶属于__ 型共晶，Al-Si共晶属于__型共晶，Pb－Sn共晶属于__型共晶。 l固溶体合金凝固时有效分配系数ke的定义是__。当凝固速率无限缓慢时，ke趋于__； 当凝固速率很大时，则ke趋于__ 。 l K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____ , 提纯效果越_____；而K0>1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越____ , 提纯效果越_____。 l固溶体合金_____ 凝固时成分最均匀，液相完全混合时固溶体成分偏析（宏观偏析）最___ ，液相完全无混合时固溶体成分偏析最____ ，液相部分混合时固溶体成分偏析_________。 10.试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时一般呈树枝状方式长大，而纯金属却 得不到树枝状晶体？ 11.根据所示的Al-Si共晶相图，试分析下列（a,b,c）三个金相组织属什么成分并说明理由。指出细化 此合金铸态组织的可能用途。 12.指出相图错误，并加以改正。
高温合金
1.高温合金的定义：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定盈利作用下长期工作的一类金属材料。 2.高温合金的命名方法： 变形高温合金以“GH”加4位阿拉伯数字表示。前缀后第一位数字表分类号，1、2表铁基或铁镍基，3、4表镍基，5、6表钴基；1、3、5表固溶强化型合金，2、4、6表时效沉淀型合金。前缀后的第2、3、4位表合金编号。 铸造高温合金以“K”加3位阿拉伯数字表示。前缀后第一位数字表分类号，含义与变形合金相同，第2、3位表合金编号。 粉末高温合金以“FGH”加阿拉伯数字表示。 3.高温合金主要用于四大热端部件：导向器、涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室。 4.常见的高温合金基体有哪几种？铁基镍基钴基 5.高温合金的固溶强化机制：固溶度小的合金元素较之固溶度大的合金元素，会产生更强烈的固溶强化作用，但其溶解度小却又限制其加入量。 6.合金元素的固溶强化能力排序：Cr Ti-6Al-4V合金与Ti-TiBw复合材料定向凝固行为钛合金及钛基复合材料具有高的比强度、比模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能,在航空、航天、能源、化工等领域得到了广泛应用。随着科技的迅猛发展,研发具有优良综合性能的新型钛材及其复合材料引起了人们的极大关注。定向凝固技术可显著改善材料的微观组织,从而提升各向异性材料在特定方向的性能。在TiB晶须增强Ti基复合材料中,TiBw晶须的分布状态以及TiBw与基体之间的位向关系对材料性能具有重要影响,基于此,本课题提出了采用定向凝固技术制 备TiBw晶须增强Ti基复合材料的思路,在此基础上研究定向凝固行为对其微观组织和性能的影响。本文采用Bridgman定向凝固方法, 对纯Ti(TAl)、Ti-6Al-4V(TC4)合金以及Ti-TiBw复合材料的定向凝固行为进行了研究。通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM),电子背散射衍射(EBSD)等方法系统分析了定向凝固参数对TAl、TC4合金及 Ti-TiBw复合材料的微观组织的影响,利用XRD结合EBSD对以上材料的微观组织及其取向行为进行了探讨,揭示了抽拉速率对凝固组织的影响规律,阐释了以上材料在不同条件下的定向凝固生长行为,并研 究了TiBw增强Ti基复合材料基体与增强相在定向凝固过程中的相互影响,主要研究结果如下:在TAl纯钛定向区,随着抽拉速率的降低, 其对一次枝晶择优生长的影响逐渐增强,当抽拉速率降至5 μm/s时,在定向区基本实现了试样一次枝晶沿抽拉方向的定向生长。通过对XRD衍射图谱相对峰强变化的分析,定性的研究了材料晶体取向的变化规律。在Ti-6Al-4V合金中,5μm/s时实现一次枝晶的的定向生长, 高温合金 高温合金又叫热强合金、超级合金。按基体组织材料可分为三类：铁基、镍基和铬基。按生产方式可分为变形高温合金与铸造高温合金。按强化机理可分为碳化物强化、固溶强化、时效强化和弥散强化。一般用于航空发动机耐高温材料的制造，特别是喷气发动机最后两级压气机和最初两级涡轮叶片、燃烧室、加力燃烧室、涡轮盘、涡轮叶片及紧固件的制造。是重要战略物资，各航空大国都在极其保密的条件下研制。随着科技事业的发展，高温合金逐渐形成六个较为完整的部分。 一、变形高温合金 变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-253～1320℃，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。按其热处理工艺可分为固溶强化型合金和时效强化型合金。 1、固溶强化型合金 使用温度范围为900～1300℃，最高抗氧化温度达1320℃。例如GH128合金，室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa；1000℃拉伸强度为140MPa、延伸率为85%,1000℃、30MPa 应力的持久寿命为200小时、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。 2、时效强化型合金 使用温度为-253～950℃，一般用于制作航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件。制作涡轮盘的合金工作温度为-253～700℃,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。 例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服强度达1000MPa；制作叶片的合金温度可达950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸强度为490MPa，940℃、200MPa的持久寿命大于40小时。变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。 二、铸造高温合金 铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。其主要特点是： 1. 具有更宽的成分范围 由于可不必兼顾其变形加工性能，合金的设计可以集中考虑优化其使用性能。如对于镍基高温合金，可通过调整成分使γ’含量达60%或更高，从而在高达合金熔点85%的温度下，合金仍能保持优良性能。 2. 具有更广阔的应用领域 由于铸造方法具有的特殊优点，可根据零件的使用需要，设计、制造出近终形或无余量的具有任意复杂结构和形状的高温合金铸件。 根据铸造合金的使用温度，可以分为以下三类： 第一类：在-253～650℃使用的等轴晶铸造高温合金 这类合金在很大的范围温度内具有良好的综合性能，特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降。如在航空、航天发动机上用量较大的K4169合金，其650℃拉伸强度为1000MPa、 定向凝固技术 1、定向凝固的研究状况 定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，以获得具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，提高了材料的纵向力学性能，因而自美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术得到广泛的应用。 1.1定向凝固理论的研究 定向凝固理论的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形态及其稳定性，液-固界面处相变热力学、动力学，定向凝固过程晶体生长行为以及微观组织的演绎等，其中包括成分过冷理论、MS 界面稳定性、线性扰动理论、非线性扰动理论等。从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]等的界面稳定动力学理论(MS理论)，人们对凝固过程有了更深刻的认识。下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。 （1）成分过冷理论 成分过冷理论是针对单相二元合金凝固过程界面成分的变化提出的，如对于平衡分配系数小于1的合金在冷却下来时，由于溶质在固相和液相中的分配系数不同，溶质原子随着凝固的进行，被排挤到液相中去，并形成一定的浓度梯度，与这种溶质梯度相对应的液相线温度与真实温度分布之间有不同的值，其差值大于零时，意味着该部分熔体处于过冷状态，有形成固相的可能性而影响界面的稳定性。Chalmers等人通过分析得出了成分过冷的判据，确定了合金凝固过程中固液界面前沿的形态取决于两个参数：GL/v和GL·v，即分别为界面前沿液相温度梯度和凝固速度的商和积。前者决定了界面形态，而后者决定了晶体的显微组织（即枝晶间距或晶粒大小）[3]。 成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件，避免胞晶或枝晶的生成。但是成分过冷理论只考虑了温度梯度和浓度梯度这两个具有相反效应的因素对界面稳定性的影响，忽略了非平面界面的表面张力、凝固时的结晶潜热及固相中温度梯度等的影响。[4] （2）MS稳定性理论 针对成分过冷理论存在的问题，Mullins等研究人员研究了温度场和浓度场的干扰行为、干扰振幅和时间的依赖关系以及它们对界面稳定性的影响，在1964年提出了界面稳定性的动力学理论（MS稳定性理论），总结出平界面绝对稳定性判据。 MS稳定性理论成功的预言了[5]：随着生长速度的增加，固液界面形态将经历从平界面-胞晶-树枝晶-胞晶-带状组织-绝对稳定平界面的转变。近年来对MS理论界面稳定性条件所做的进一步分析表明，MS理论还隐含着另一种绝对性现象，即当温度梯度G超过一临界值时，温度梯度的稳定化效应会完全克服溶质扩散的不稳定化效应，这时无论凝固速度如何，界面总是稳定的，这种绝对稳定性称为高梯度绝对稳定性。但是这种理论只适合稀溶液，即低溶质质量分数的情况，并且忽略了凝固速率对溶质分配因数的影响。 1.2定向凝固技术的研究 熔体中的热流垂直于固/液界面并严格的单向导出，是定向凝固成功的关键。伴随着对热流控制技术的发展，研究者对定向凝固技术进行多种方法的改进，不断细化材料的结构组织，大大提高了温度梯度和凝固速度，制备出的材料性能大幅度提高。 伴随着对热流控制（不同的加热、冷却方式）技术的发展，传统定向凝固技术经历了发热剂法（EP）、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)、流态床冷却法(FBQ)等多种方法的发展。传统定向凝固工艺的主要缺点[6]是冷却速度慢，这样就使得凝固组织 根据铸造合金的使用温度，可以分为以下三类： 第一类：在-253～650℃使用的等轴晶铸造高温合金这类合金在很大的范围温度内具有良好的综合性能，特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降。如在航空、航天发动机上用量较大的K4169合金，其650℃拉伸强度为1000MPa、屈服强度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa应力下的持久寿命为200小时。已用于制作航空发动机中的扩压器机匣及航天发动机中各种泵用复杂结构件等。第二类：在650～950℃使用的等轴晶铸造高温合金这类合金在高温下有较高的力学性能及抗热腐蚀性能。例如K419合金，950℃时，拉伸强度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小时的持久强度极限大于230MPa。这类合金适于用做航空发动机涡轮叶片、导向叶片及整铸涡轮。 第三类：在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和单晶高温合金这类合金在此温度范围内具有优良的综合性能和抗氧化、抗热腐蚀性能。例如DD402单晶合金，1100℃、130MPa的应力下持久寿命大于100小时。这是国内使用温度最高的涡轮叶片材料，适用于制作新型高性能发动机的一级涡轮叶片。 随着精密铸造工艺技术的不断提高，新的特殊工艺也不断出现。细晶铸造技术、定向凝固技术、复杂薄壁结构件的CA技术等都使铸造高温合金水平大大提高，应用范围不断提高。采用雾化高温合金粉末，经热等静压成型或热等静压后再经锻造成型的生产工艺制造出高温合金粉末的产品。采用粉末冶金工艺，由于粉末颗粒细小，冷却速度快，从而成分均匀，无宏观偏析，而且晶粒细小，热加工性能好，金属利用率高，成本低，尤其是合金的屈服强度和疲劳性能有较大的提高。 上海荣昆金属供应Incoloy MA956、MA754、MA758、MA6000等铸造高温合金。 目前已实现商业化生产的主要有三种ODS合金： MA956合金在氧化气氛下使用温度可达1350℃，居高温合金抗氧化、抗碳、硫腐蚀之首位。可用于航空发动机燃烧室内衬。 MA754合金在氧化气氛下使用温度可达1250℃并保持相当高的高温强度、耐中碱玻璃腐蚀。现已用于制作航空发动机导向器蓖齿环和导向叶片。 MA6000合金在1100℃拉伸强度为222MPa、屈服强度为192MPa；1100℃，1000小时持久强度为127MPa，居高温合金之首位，可用于航空发动机叶片。金属间化合物高温材料是近期研究开发的一类有重要应用前景的、轻比重高温材料。十几年来，对金属间化合物的基础性研究、合金设计、工艺流程的开发以及应用研究已经成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制备加工技术、韧化和强化、力学性能以及应用研究方面取得了令人瞩目的成就。 Ti3Al基合金(TAC-1)，TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.8～5.8g/cm3)、高温高强度、高钢度以及优异的抗氧化、抗蠕变等优点，可以使结构件减重35～50%。Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蚀、耐磨损和耐气蚀性能，展示出极好的应用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蚀性能，在中温(小于600℃)有较高强度，成本低，是一种可以部分取代不锈钢的新材料。在民用工业的很多领域，服役的构件材料都处于高温的腐蚀环境中。为满足市场需要，根据材料的使用环境，归类出系列高温合金。Ti-6Al-4V合金与Ti-TiBw复合材料定向凝固行为
航空叶片材料——高温合金
定向凝固技术
Inconel MA956高温合金使用温度