单晶高温合金定向凝固过程中初生碳化物的上浮现象
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。
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.
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
镍基单晶高温合金的发展
镍基单晶高温合金的发展 胡壮麒1 刘丽荣1,2 金 涛1 孙晓峰1 (1.中国科学院金属研究所,沈阳 110016;2.沈阳工业大学,沈阳 110023) 摘要:概述了镍基单晶高温合金的发展历程,分析了其成分、相组成、热处理的特征和持久变形及强化机制,给出了其持久性能数据,并指出了发展趋势。 关键词:镍基单晶高温合金 成分 性能 D evelop m en t of the N i-Ba se S i n gle Crysta l Supera lloys Hu Zhuangqi1 L iu L ir ong1,2 J in Tao1 Sun Xiaofeng1 (1.I nstitute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang110016,China) (2.Shenyang University of Technol ogy,Shenyang110023,China) Abstract:The devel opment of the N i-base single crystal superall oys is intr oduced,and its compositi on,phase p re2 ci p itati on,heat treat m ent,endurance p r operty and strengthening mechanis m are analyzed.The data of its endurance p r operty is listed,and the devel opment trend of N i-base single crystal superall oys is pointed out. Key words:N i-base single crystal superall oys;compositi on;p r operty 1 引言 镍基单晶高温合金具有优良的高温性能,是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。为了满足高性能航空发动机的设计需求,多年来,各国十分重视镍基单晶高温合金的研制和开发。 20世纪80年代以来,单晶高温合金一直沿着其独特的道路发展。随着合金设计理论水平的提高和生产工艺的改进,相继出现耐温能力比第1代单晶合金分别大约高30℃和60℃的第2代单晶合金和第3代单晶合金;第2代单晶高温合金的代表有P WA1484〔1〕、C MSX-4〔2〕等,第3代单晶高温合金的代表有C MSX-10〔3〕、C MSX-11〔4〕、Rene N6〔5〕等。研究表明〔6〕,第3代单晶高温合金C MSX-10的耐温能力比第2代单晶合金C MSX-4(最高使用温度约为1163℃)的大约高30℃,其使用温度可达 收稿日期:2005-07-18 第一作者简介:胡壮麒(1929—),中国工程院院士,从事高温合金的开发与应用研究,详细介绍见封二。1204℃左右,同时,还具有十分明显的蠕变强度优势。近年来出现的第4代单晶合金RR3010的承温能力达到1180°C〔7〕,用在英国RR公司最新研制的Trent发动机上。Re的加入以及Hf、Y、La,Ru等元素的合理应用,使新的单晶合金的持久性能和抗环境性能均有明显的提高。 本文综述了有关镍基单晶高温合金的成分特点、相组成、热处理制度、合金性能、应用情况和发展方向,可为开发和研制该类合金提供参考。 2 单晶高温合金的特征 2.1 成分特征 到目前为止,单晶合金已发展了5代。 典型单晶高温合金的成分及应用见表1。在进行单晶合金成分设计时,要兼顾合金性能和工艺性能。由于单晶合金中不存在晶界,并应用在较为苛刻的环境下,所以要注意某些元素的特殊作用。 分析表1列出的单晶合金的成分,可以看出,单晶高温合金成分的发展有以下特点〔8〕。 1 2005年第31卷第3期航空发动机
定向凝固
定向凝固 定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属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，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固是研究凝固理论和金属凝固规律的重要手段，也是制备单晶材料和微米级(或纳米级)连续纤维晶高性能结构材料和功能材料的重要方法。自20世纪60年代以来，定向凝固技术发展很快。由最初的发热剂法、功率降低法发展到目前广泛应用的高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固技术。现代航空发动机的涡轮叶片和导向叶片是用铸造高温合金材料制成，这类材料晶界在高温受力条件下是较薄弱的地方，这是因为晶界处原子排列不规则，杂质较多，扩散较快，于是人们设想利用定向凝固方法制成单晶，消除所有晶界，结果性能明显提高了。定向凝固技术广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料的制备等力面，并且在类单晶金属间化合物、形状记忆合金领域具有极广阔的应用前景。 制备方法： 1. 发热剂法 定向凝固技术的起始阶段。 基本原理:将铸型预热到一定温度后，迅速放到水冷铜底座上并立即进行浇注，顶部覆盖发热剂，侧壁采用隔热层绝热，水冷铜底座下方喷水冷却，从而在金属液和已凝固金属中建立起一个自下而上的温度梯度，实现定向凝固。 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动，在底部采用水冷激冷板。加热时上下两部分感应圈全通电，在加入熔化好的金属液前建立所要的温度场，注入过热的合金液。然后下部感应圈断电，通过调节输入上部感应圈的功率，在液态金属中形成一个轴向温度梯度。热量主要通过已凝固部分及底盘由冷却水带走。由于热传导能力随着离水冷平台距离的增加而明显降低，温度梯度在凝固过程中逐渐减小，所以轴向上的柱状晶较短。并且柱状晶之间的平行度差，合金的显微组织在不同部位差异较大，甚至产生放射状凝固组织。 3. 高速凝固法 装置和功率降低法相似，多了拉锭机构，可使模壳按一定速度向下移动，改善了功率降低法温度梯度在凝固过程中逐渐减小的缺点；另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套，挡板附近产生较大的温度梯度，局部冷却速度增大，有利于细化组织，提高力学性能。 4. 液态金属冷却定向凝固 合金在熔炼炉内熔炼后，浇入保温炉内的铸型，保温一段时间，按选择的速度将铸型拉出保温炉，浸入金属液进行冷却。在加热系统和冷却系统之间有辐射挡板，确保将加热区和冷却区隔开，使固液界面保持在辐射挡板中心附近，以实现定向凝固。 5. 流化床冷却法 液态金属冷却法采用低熔点合金冷却，成本高，可能使铸件产生低熔点金属脆性。 6. 区域熔化液态金属冷却法 在液态金属冷却法的基础上发展的一种新型的定向凝固技术。其冷却方式与液态金属冷却法相同，但改变了加热方式，利用电子束或高频感应电场集中对凝固界面前沿液相进行加热，充分发挥过热度对温度梯度的贡献，从而有效地提高了固液界面前沿温度梯度，可在较快的生长速率下进行定向凝固，可以使高温合金定向凝固一次枝晶和二次枝晶间距得到非常明显的细化。但是，单纯采用强制加热的方法以求提高温度梯度从而提高凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速度提高有限。 7. 激光超高温度梯度快速定向凝固
Ti-6Al-4V合金与Ti-TiBw复合材料定向凝固行为
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,
定向凝固技术
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
第三代单晶高温合金TMS_75和TMS_82
表2 本工作研制的SiC p/Al2O3-Al复合材料 与国外同类材料力学性能对比 T able2 A comparison of mechanical pr oper ties between SiC p/A l2O3-A l co mposites prepar ed by t his method and a br oad pro ducts of the same kind 性能LANXIDE BIAM RT f/M Pa400～500590 K IC/M Pa m1/27.0～7.5 6.1 1000℃ f/M Pa200～250350 K IC/M Pa m1/2 3.0～4.0 4.8 3 结论 (1)首次采用XPS测试方法,对SiC p/Al2O3-Al 复合材料断裂表面组成相进行定量分析,通过与材料内部组成相的定量金相分析结果的一一对比,进而成功地给出了此种多元复合材料量化的微观断裂机制。 (2)碳化硅颗粒粒度对熔铝氧化渗透合成SiC p/ Al2O3-Al复合材料的微观断裂机制有着显著的控制作用,本研究条件下最佳颗粒粒度为10 m。碳化硅颗粒过细,则出现大面积、大尺寸Si相,并成为材料内部的明显薄弱环节,进而损害材料的强韧性;碳化硅颗粒尺寸过大,则增强作用有限,并导致因Al含量减少而造成的韧性下降。 (3)在碳化硅颗粒粒度为10 m的情况下,所研制的氧化渗透合成SiC p/Al2O3-Al复合材料,其力学性能的总体水平已超过始终处于领先和垄断地位的Lanx ide公司的同类产品,其中,高温强度比Lanxide 公司的最新数据高出约50%之多。 参考文献 [1] H.T.Lin et al.J.Am.C eram.Soc.,1996,79(8):2218～2220 [2] 史可顺.陶瓷(硅酸盐)指南'96—中国硅酸盐学会手册,技术 篇,18～120 [3] M.S.New krik et al.Ceram.Eng.Sci.Proc.,1987,8(7～ 8):879～856 [4] I.S.Kim et al.J.M ater.Sci.Letter,1997,16:772～775 [5] S.M.Pick ard et al.Acta metall mater,1992,40(1):177～184 [6] 崔岩.北京航空材料研究院博士后研究工作报告,1999.7 [7] Du Pont Lan xide Compos ites Inc.Prelim inary Eng ineering Data 基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目 收稿日期:2000-04-03; 作者简介:崔岩(1969-),男,高级工程师,博士,长期从事高体分比功能型颗粒/铝基复合材料的研究工作。联系地址:北京81信箱3分箱(100095) 本文编辑:全宏声 ● ****************************** 第三代单晶高温合金T M S-75和T M S-82 日本的第三代单晶高温合金T MS-75由日本国家金属材料研究所(NRIM)按其合金发展计划借助于Cluster变量方法开发,其成分(w t%)为Ni-12Co-3Cr-2M o-6W-6Al-6T a-0.1Hf-5Re,其特点是含5%的Re。T MS-75显微组织比美国CM SX-10更稳定,由于有较宽的热处理窗口也很容易进行热处理,抗蠕变强度与CM SX-10相当。已与T oshiba PIC合作,用该合金成功铸造出15M W级的工业用汽轮机的叶片,并进行热处理。该叶片将于2000年10月开始在实际的15M W汽轮机上试验。另一个第三代单晶合金TM S-82只含2.4%Re,在较高温度和较低应力状态,TM S-82的蠕变强度优于CM SX-10,甚至优于美国专利5482789所述的含Ru的合金。 NRIM已在900℃(相当于汽轮机条件)和1100℃(相当于航空发动机条件)研究了T M S-75的显微组织并测试了它的蠕变性能。 (全宏声) 日本开发第四代单晶高温合金 日本NRIM为开发第四代单晶高温合金,至少已在第三代单晶合金TM S-75上进行了两个方面的试验研究。一方面是试验Pt族金属添加元素对显微组织和持久性能的影响。已有的研究表明,添加1at%的Ir,Ru,Pt,Rh和Pd中的每一个元素都将减低900℃/ 392MPa条件下的蠕变强度,但Ir例外。例如在1100℃/4000h的长时蠕变试验中,添加Ir是有效的。这可能是由于Ir提高组织稳定性并降低扩散性。也研究了这族金属元素对热腐蚀性能的影响。另一方面是试验基本结构参数的影响。例如,添加Al提高′相体积百分数,它不在1100℃而在900℃使其蠕变强度提高。在高温低应力例如1100℃/137M Pa条件,发现使晶格错配更负(a′ 定向凝固理论与技术发展 摘要 定向凝固技术是研究凝固理论和新型功能材料的重要手段。从定向凝固技术的演化过程看，是温度梯度不断提高、冷却速度不断加快的过程。简要回顾了定向凝固理论与技术的研究发展历程，分析了各种凝固技术的利弊，展望了凝固理论与技术的发展。 关键词：凝固理论，温度梯度，冷却速度，定向凝固理论 Abstract Directional solidification technology is an important means to study the solidification theory and new functional materials. From the evolutionary process of directional solidification technology is a process of increasing temperature gradient and cooling velocity. It is a brief review of the development course of the directional solidification theory and technology, analyses the advantages and disadvantages of various solidification technology, and makes a prospect of solidification theory and technology. Keywords: solidification theory, temperature gradient，temperature gradient，directional solidification theory定向凝固理论与技术发展