張龍飛,燕 平,趙京晨,曾 強(qiáng),韓鳳奎

(鋼鐵研究總院,北京 100081)

凝固方向?qū)尉Ц邷睾辖鹬ЫM織的影響

張龍飛,燕 平,趙京晨,曾 強(qiáng),韓鳳奎

(鋼鐵研究總院,北京 100081)

用籽晶法制備了沿不同晶體取向凝固的鎳基單晶高溫合金試樣,研究了單晶中枝晶形貌和一次枝晶臂距隨凝固取向的變化規(guī)律。結(jié)果表明:凝固方向偏離[001]取向小于15°時(shí),枝晶排列比較規(guī)則,一次枝晶臂距隨偏離角度增大而減小;偏離角度為25°時(shí),部分二次枝晶臂阻斷了相鄰一次枝晶干的生長(zhǎng),導(dǎo)致一次枝晶臂距增大。沿[011]和[111]取向凝固的單晶中由于分別存在2個(gè)和3個(gè)擇優(yōu)生長(zhǎng)的枝晶干,發(fā)展出了復(fù)雜的枝晶形態(tài)。

鎳基單晶高溫合金;凝固方向;枝晶形態(tài);一次枝晶臂距

通過(guò)定向凝固工藝鑄造的單晶高溫合金由于具有優(yōu)異的抗蠕變性能和抗疲勞性能,如今在航空發(fā)動(dòng)機(jī),尤其是渦輪葉片上的應(yīng)用十分廣泛[1,2]。然而單晶高溫合金并非一般意義上的單晶,在定向凝固時(shí),由于元素偏析造成的成分過(guò)冷將導(dǎo)致樹枝晶的形成[3]。枝晶形態(tài)以及枝晶臂距是影響合金組織中的溶質(zhì)元素偏聚以及枝晶間第二相尺寸和共晶相數(shù)量的重要因素,因而對(duì)合金性能存在影響。對(duì)于同一成分的合金,定向凝固組織中的一次枝晶臂距λ1由凝固速率R和凝固界面溫度梯度GL控制,通常表示為λ1對(duì)于大多數(shù)高溫合金而言,m≈ -0.25,n≈-0.5[6-8]。然而由于枝晶生長(zhǎng)具有鮮明的晶體學(xué)特征,定向凝固方向的晶體學(xué)取向?qū)⒂绊懼螒B(tài)以及枝晶間距。有研究表明,在鎳基單晶高溫合金中,凝固方向偏離[001]取向?qū)?dǎo)致枝晶的二次分枝不對(duì)稱[9],不對(duì)稱程度隨一維擇優(yōu)的[001]取向與定向凝固方向偏離角度的增大而增大。在一個(gè)包含凝固方向偏離角度θ0的一次枝晶臂距模型中[10],研究計(jì)算得出,一維擇優(yōu)的[001]取向與宏觀定向凝固方向偏離越遠(yuǎn),一次枝晶臂距越小。另有研究表明[11],沿[001],[011]和[111]取向凝固的單晶高溫合金中,枝晶形態(tài)表現(xiàn)出了明顯的差異,且一次枝晶臂距隨這三個(gè)取向依次增大。這些研究表明,凝固方向?qū)χУ纳L(zhǎng)形態(tài)存在明顯影響,然而在分析凝固方向?qū)σ淮沃П劬嗟挠绊憰r(shí),卻忽略了枝晶形態(tài)的改變有可能對(duì)一次枝晶臂距造成的影響。另外,對(duì)于沿[011]和[111]取向凝固的合金,還需進(jìn)一步研究枝晶形態(tài)的形成過(guò)程。本工作以一種鑄造單晶高溫合金為基礎(chǔ),研究了沿不同晶體取向凝固的單晶高溫合金中的枝晶生長(zhǎng)形態(tài)及一次枝晶臂距的變化規(guī)律。

1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料采用一種現(xiàn)役的一代鎳基單晶高溫合金,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為Cr8-Co5.5-Mo2.25-W5-Al6-Ti2-Ta3.5-Ni余。在選晶法制備出的[001]取向的單晶試樣中加工出6種具有不同晶體取向的籽晶(尺寸為φ5mm×15mm),其軸向的晶體取向分別如圖1中a～f所示,其中,a為[001]取向;b,c,d介于[001]取向與[011]取向之間,且與[001]的取向差分別為 7°,15°和25°;e為[011]取向;f為[111]取向。在真空定向凝固D-N爐中通過(guò)底部籽晶法分別制備出6種對(duì)應(yīng)取向的圓柱狀單晶試棒(φ14mm×160mm),凝固方向沿籽晶的軸向,并與試棒軸向重合。各試棒凝固參數(shù)均一致。

用25%H2O2+75%HCl對(duì)所有鑄態(tài)試棒表面進(jìn)行低倍腐蝕,以保證實(shí)驗(yàn)用試樣全為單晶。根據(jù)單晶定向切割的方法[12],確定單晶試樣中各(100)晶面的空間方位,并參考凝固方向(S.D.)進(jìn)行晶體取向坐標(biāo)約定 ,如圖 2 所示(圖 2(a)中θ分別取 0°,7°,15°和25°),然后在各取向的試樣中分別切割出如圖所示的對(duì)應(yīng)晶面。對(duì)每個(gè)解剖面進(jìn)行金相打磨與拋光,使用12%H3PO4+48%H2SO4+40%HNO3進(jìn)行電解腐蝕,最后在LEICA金相顯微鏡下觀察單晶試樣在各解剖面上的枝晶形態(tài),并使用LEICA MEF4A定量顯微圖像儀統(tǒng)計(jì)不同取向試樣在(001)面上的一次枝晶臂距。

圖1 籽晶(a～f)軸向在立方晶系中的取向方位Fig.1 The orientations of seeds(a-f)in the cube system

圖2 各取向單晶試樣對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)約定與切割方式(a)凝固方向偏離[001]取向θ角的單晶;(b)凝固方向沿[011]取向的單晶;(c)凝固方向沿[111]取向的單晶Fig.2 Coordinate assumption and cutting patterns for different orientated crystals(a)crystals solidified with deviation degreesθto[001];(b)crystal solidified in[011];(c)crystal solidified in[111]

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 枝晶形態(tài)觀察

2.1.1 凝固方向沿[001]取向的單晶

沿[001]取向凝固的單晶試樣在(001)橫截面、(010)和(100)縱截面上的枝晶形態(tài)如圖3所示。在(001)橫截面上,枝晶形貌呈現(xiàn)出了對(duì)稱的十字花瓣形態(tài)。在(010)和(100)縱截面上,枝晶形態(tài)基本相同。一次枝晶干平行于凝固方向排列,枝晶干排列間距均勻,二次枝晶基本關(guān)于枝晶干對(duì)稱分布。

圖3 沿[001]取向凝固的單晶在各{100}面上的枝晶形態(tài)(a)(001)橫截面;(b)(100)縱截面;(c)(010)縱截面Fig.3 Dendritic morphology of crystal solidified in[001]orientation(a)transverse(001)facet;(b)longitudinal(100)facet;(c)longitudinal(010)facet

2.1.2 凝固方向偏離[001]取向一定角度的單晶

圖4是凝固方向分別偏離[001]取向7°,15°和25°的單晶試樣在各解剖面上的枝晶形貌。在(001)面上,隨著偏離角度的增大,枝晶形態(tài)的不對(duì)稱性增加,表現(xiàn)在沿[010]方向的二次枝晶臂在相對(duì)伸長(zhǎng),并且在伸長(zhǎng)的二次枝晶臂上長(zhǎng)出的三次枝晶的數(shù)量也在增多。當(dāng)偏離角度達(dá)到25°時(shí),枝晶呈現(xiàn)出高度的分枝形態(tài),[010]二次枝晶臂延伸范圍大且三次枝晶數(shù)量眾多。而在(010)面上,這3種不同凝固方向的單晶卻表現(xiàn)出了基本相同的枝晶形態(tài),一次枝晶干排列均勻,枝晶干兩側(cè)的二次枝晶臂基本對(duì)稱分布。在(100)面上,隨著偏離角度的增加,一次枝晶干逐漸偏離凝固方向,并且兩者之間的夾角大小,正好反映出了凝固方向偏離[001]取向的角度大小,這說(shuō)明枝晶臂的生長(zhǎng)方向與凝固方向無(wú)關(guān)。另外,該面上同樣表現(xiàn)出了二次分支的不對(duì)稱性。特別是在偏離角度為25°的試樣中,(100)面上出現(xiàn)了二次枝晶臂阻斷相鄰一次枝晶干生長(zhǎng)的現(xiàn)象(A區(qū)域),導(dǎo)致一次枝晶干的分布間距變得極不均勻。

圖4 凝固方向偏離[001]一定角度的單晶在各{100}晶面上的枝晶形態(tài)(a)(001)面;(b)(010)面 ;(c)(100)面Fig.4 Dendritic morphology at{100}facets in crystals solidified in directions deviated from[001](a)(001)facet;(b)(010)facet;(c)(100)facet

2.1.3 凝固方向沿[011]取向的單晶

沿[011]取向凝固的單晶在各解剖面上的枝晶形貌如圖5所示。在(011)橫截面上(圖5(a)),枝晶沿方向排列成共線的枝晶列,且枝晶列之間相互平行;在(010)晶面上(圖5(b)),存在兩種形態(tài)的平行枝晶列,一部分枝晶列由連續(xù)的[001]枝晶干構(gòu)成,而另一部分枝晶列中的相鄰枝晶雖然沿[001]方向共線排列,但是枝晶之間相互分立;在(100)晶面上(圖 5(c)),枝晶干分別沿[010]取向和[001]取向生長(zhǎng),沿凝固方向呈二維平面擴(kuò)展形態(tài),枝晶主干上的二次枝晶臂呈單側(cè)分布且朝向均靠近凝固方向,而且部分二次枝晶還發(fā)展成了枝晶干。枝晶干沿(100)晶面的平面發(fā)展形態(tài)使得(011)面上的枝晶呈共線排列,而枝晶干沿[010]取向生長(zhǎng)的枝晶在(010)面內(nèi)則表現(xiàn)出分立的枝晶形態(tài)。

2.1.4 凝固方向沿[111]取向的單晶

沿[111]取向凝固的單晶在各解剖面上的枝晶形貌如圖6所示。在(111)橫截面上(圖6(a)),單個(gè)枝晶呈剪刀狀,兩個(gè)枝晶臂之間的夾角約為60°。剪刀狀的枝晶按枝晶臂方位的不同可以劃分為三種不同的形態(tài),并且勾畫出了相互嵌套的正三角形輪廓。在(010)晶面上(圖6(b)),兩個(gè)垂直方向上的枝晶干相互交截,沿晶面形成了二維平面擴(kuò)展的枝晶干網(wǎng)絡(luò),枝晶干上的二次枝晶單側(cè)排列,朝向均靠近凝固方向。(100)晶面上(圖6(c))同樣呈現(xiàn)出這種平面狀的枝晶網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步解剖還發(fā)現(xiàn),(001)晶面上也具有類似的枝晶形態(tài)。三個(gè){100}晶面上的平面狀枝晶網(wǎng)絡(luò)相互垂直交截,因此在(111)橫截面上形成了正三角形的枝晶輪廓。

2.2 一次枝晶臂距

由5和圖6可見,當(dāng)凝固方向沿[011]和[111]取向時(shí),由于不同取向上枝晶干的存在和它們之間的相互交截,枝晶組織中已經(jīng)不存在貫穿于凝固方向的一次枝晶干,因此在這兩種試樣中已經(jīng)失去了測(cè)量一次枝晶臂距的意義。

在沿[001]取向凝固以及凝固方向偏離[001]取向7°,15°和 25°的試樣中 ,測(cè)得在(001)面上的一次枝晶臂距(PDAS)隨偏離角度的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可以看出,當(dāng)偏離角度在15°以內(nèi)時(shí),一次枝晶臂距先隨著偏離角度的增大而減小,然而當(dāng)偏離角度增大到25°時(shí),一次枝晶臂距卻又再度增加。

圖7 凝固方向?qū)σ淮沃П劬嗟挠绊慒ig.7 Influence of solidification direction on PDAS

3 分析與討論

當(dāng)凝固方向沿[001]取向時(shí),由于[001]取向上的枝晶臂與凝固方向重合,其凝固潛熱散失快,且枝晶凝固前沿溶質(zhì)濃度梯度大,因此快速生長(zhǎng)成為一次枝晶干,并隨著成分過(guò)冷的進(jìn)一步加大,一次枝晶干側(cè)面生長(zhǎng)出二次枝晶臂。由于二次枝晶臂與凝固方向垂直,凝固潛熱散失緩慢,且受到枝晶間的高溶質(zhì)濃度的影響,因此生長(zhǎng)緩慢。當(dāng)凝固方向沿[011]取向時(shí),[001]和[010]取向上的枝晶臂與凝固方向的夾角均為45°,具有相同的溫度梯度優(yōu)勢(shì),從而均能生長(zhǎng)成枝晶干。當(dāng)兩者在凝固過(guò)程中相遇時(shí),生長(zhǎng)稍快的一方排出的溶質(zhì)一部分排向了生長(zhǎng)稍慢一方的凝固前沿,導(dǎo)致后者生長(zhǎng)受阻而被湮沒(méi)[4],因此枝晶干呈現(xiàn)相互交截的形態(tài)。另外,枝晶干上與凝固方向夾角為45°的二次枝晶臂具有與原枝晶干相同的溫度梯度優(yōu)勢(shì),當(dāng)其生長(zhǎng)不受相鄰枝晶臂的影響時(shí),也能發(fā)展成為枝晶干,導(dǎo)致了枝晶干呈現(xiàn)相互衍生的形態(tài)。于是在(100)晶面上,兩種取向的枝晶干相互交截與衍生,呈二維平面擴(kuò)展,而與凝固方向垂直的[100]枝晶臂則依然發(fā)展成為短小的二次枝晶。當(dāng)凝固方向沿[111]取向時(shí),三個(gè)〈001〉取向上的枝晶臂與凝固方向的夾角相同,從而具有相同的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),因此在三個(gè){100}晶面內(nèi),均有兩個(gè)相互垂直的枝晶干相互交截和衍生,從而都形成了沿晶面發(fā)展的枝晶干網(wǎng)絡(luò),它們之間的相互穿插,使得沿[111]取向凝固的單晶中形成了六面體形的“籠狀”枝晶結(jié)構(gòu)[11]。沿[001],[011]和[111]取向凝固的單晶,其枝晶形態(tài)的演變?nèi)鐖D8所示。

圖8 枝晶形態(tài)隨凝固方向變化的演變示意圖(a)凝固方向?yàn)閇001];(b)凝固方向?yàn)閇011];(c)凝固方向?yàn)閇111]Fig.8 Schematic drawings of dendritic morphology evolution with different solidification directions(a)S.D.=[001];(b)S.D.=[011];(c)S.D.=[111]

當(dāng)凝固方向逐漸偏離[001]且偏向[011]取向時(shí),[001]取向上的枝晶臂受到溫度梯度場(chǎng)的作用依然最大,仍快速生長(zhǎng)成為一次枝晶干,然而此時(shí)[010]取向上的枝晶臂也將受到部分溫度梯度的作用,具有一定的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。隨偏離角度的增大,[010]二次枝晶臂具有的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)加大,從而能延伸更遠(yuǎn),三次枝晶的數(shù)量也隨之增多。偏離角度在15°以內(nèi)時(shí),二次枝晶臂的延伸不足以干擾相鄰一次枝晶干的生長(zhǎng),因此基本保持了沿[001]取向凝固時(shí)的枝晶形態(tài)。但是當(dāng)偏離角度為25°時(shí),過(guò)長(zhǎng)的二次枝晶臂和大量三次枝晶在凝固時(shí)排除的溶質(zhì)阻礙了相鄰一次枝晶干的生長(zhǎng),導(dǎo)致一次枝晶干被淹沒(méi)。

一次枝晶干的湮滅很可能會(huì)對(duì)單晶高溫合金的性能帶來(lái)不利影響:當(dāng)凝固進(jìn)行時(shí),在被阻斷的一次枝晶干前端將形成一個(gè)由枝晶臂包圍的枝晶間區(qū)域(如圖4(c)中的A區(qū)域)。在這個(gè)幾近封閉的區(qū)域內(nèi),大量的γ′形成元素將不能有效地?cái)U(kuò)散至液相而在此濃集,增大了枝晶間的偏析程度,最終在該區(qū)域形成粗大且形狀不規(guī)則的γ′相和數(shù)量眾多的γ/γ′共晶相,導(dǎo)致隨后的固溶處理不能有效地對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行均勻化,成為單晶高溫合金的性能薄弱區(qū)。

文獻(xiàn)[10]建立了一種包含了非對(duì)稱因素θ0的一次枝晶臂距模型,并計(jì)算得出一次枝晶臂距隨θ0的增大而變小。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,凝固方向偏離[001]取向在15°以內(nèi)的單晶,一次枝晶臂距隨偏離角度的增大而變小,與這一計(jì)算模型是吻合的。但是當(dāng)偏離角度增大到25°時(shí),測(cè)得的一次枝晶臂距卻反而增大。從枝晶形態(tài)的分析可知,這是因?yàn)閱尉а卦摲较蚰虝r(shí),部分一次枝晶干被二次枝晶淹沒(méi),所以導(dǎo)致了一次枝晶臂距的增大。因此,對(duì)于文獻(xiàn)[10]所建立的一次枝晶臂距模型,在應(yīng)用時(shí)需考慮到枝晶形態(tài)改變對(duì)一次枝晶臂距造成的影響。

4 結(jié)論

(1)按[001]取向凝固的單晶中,只存在沿一種方向的枝晶干,枝晶干上的二次分支對(duì)稱分布,形態(tài)短小;按[011]取向凝固生長(zhǎng)的單晶中,[001]和[010]取向上的枝晶干相互垂直交截和衍生,使得枝晶沿(100)晶面呈現(xiàn)平面發(fā)展的形態(tài);按[111]取向凝固生長(zhǎng)的單晶中,三個(gè)〈001〉取向上的枝晶干的相互垂直交截和衍生,使得枝晶發(fā)展出了六面體形的籠狀枝晶結(jié)構(gòu)。

(2)凝固方向偏離[001]取向在15°以內(nèi)時(shí),一次枝晶臂距隨偏離角度的增大而減小;偏離角度為25°時(shí),一次枝晶干受到部分二次枝晶臂生長(zhǎng)的阻礙而被淹沒(méi),使得一次枝晶臂距增大。

[1] CARON P,KHAN T.Evolution of Ni-based superalloys for crystal gas turbine blade applications[J].Aerospace Science Technology,1999,(3):513-523.

[2] 胡壯麒,劉麗榮,金濤,等.鎳基單晶高溫合金的發(fā)展[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2005,31(3):1-7.

[3] REED R C.The superalloys fundamentals and applications[M].New York:Cambridge University Press,2006.128-130.

[4] 胡漢起.金屬凝固原理[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.142-146.

[5] HUNT J D.Solidification and Casting of Metals[M].London:Metals Society,1977.

[6] WILLS V A,MCCARTNEY D G.A comparative study of solidification features in nickel-base superalloys:microstructural evolution and microsegregation[J]Mat Sci Eng,1991,145A(2):223-232.

[7] VIJAYAKUMAR M,TEWARI S N,LEE J E,et al.Dendrite spacings in directionally solidified superalloy PWA1480[J].Mat Sci Eng,1991,132A:95-201.

[8] MA D,MEYER M,VEHN TER,et al.Solidification behaviour of Ni-base superalloy CMSX-6[J].Journal de Physique IV,1993,(3):339-342.

[9] 何國(guó),李建國(guó),毛協(xié)民,等.晶體取向?qū)︽嚮鶈尉Ц邷睾辖鹬罱M織的影響[J].材料工程,1994,(2):1-3.

[10] 何國(guó),李建國(guó),毛協(xié)民,等.晶體取向?qū)尉Ц邷睾辖鹨淮沃чg距的影響[J].金屬學(xué)報(bào),1995,31(7):310-314.

[11] 劉金來(lái),金濤,張靜華,等.晶體取向?qū)︽嚮鶈尉Ц邷睾辖痂T態(tài)組織和偏析的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2002,12(4):764-768.

[12] 方建鋒,田志凌,燕平,等.鎳基單晶高溫合金(001)和(011)晶面的定向切割[J].機(jī)械工程材料,2009,33(6):45-47.

Influence of the Solidification Directions on Dendritic Structures in a Single Crystal Superalloy

ZHANG Long-fei,YAN Ping,ZHAO Jing-chen,ZENG Qiang,HAN Feng-kui
(Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China)

In order to investigate the effect of solidification direction on dendritic morphology and primary dendritic arm spacing(PDAS)in Ni-based single crystal superalloy,seeding technique was applied to obtain the single crystal samples solidified in different orientations.The results indicated that when the deviation degrees from solidification direction to[001]orientation were within 15°,dendrite morphology kept regular and primary dendritic arm spacing declined with deviation degrees increasing;excessively long secondary dendritic arms blocked the growth of vicinal primary dendritic arm when deviation degrees were up to 25°,leading to increase in PDAS.Owing to 2 and 3 dendritic arms orientated in preferential growth direction in crystals solidified in[011]and[111]orientation respectively,complex dendritic configurations are formed.

Ni-based single crystal superalloy;solidification direction;dendritic morphology;primary dendritic arm spacing

TG132.3

A

1001-4381(2011)06-0067-05

2010-11-01;

2011-03-15

張龍飛(1985—),男,工學(xué)碩士,研究方向?yàn)殍T造單晶高溫合金,聯(lián)系地址:北京市海淀區(qū)學(xué)院南路76號(hào)鋼鐵研究總院高溫材料研究所(100081),E-mail:zhanglf101@163.com