劉承林，蘇海軍，張 軍，劉 林，傅恒志

(西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

定向凝固鎳基高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的基石與核心關(guān)鍵材料，其制造水平在某種程度上代表了發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平[1]。以大型機(jī)匣、葉片為代表的高溫合金部件向多元化、大型化、集成化、復(fù)雜化發(fā)展，熔體質(zhì)量控制難度大幅增加，易產(chǎn)生欠鑄、偏析嚴(yán)重、晶粒粗大不均勻、熱裂等多種問題，導(dǎo)致性能惡化，制造難度、成本幾何量級(jí)地增大，成為制約高溫合金鑄件冶金質(zhì)量的瓶頸之一。相比傳統(tǒng)熔模鑄造技術(shù)而言，定向凝固技術(shù)雖能夠很好地避免上述問題，但是在枝晶組織和凝固缺陷等方面還需要采用其他手段來有效控制[2]。

實(shí)現(xiàn)晶粒組織和凝固缺陷控制是制備高性能大型復(fù)雜高溫合金鑄件的關(guān)鍵[3]。大量研究[4]表明，在合金凝固過程中，加入磁場(chǎng)利用金屬和物理場(chǎng)的相互作用，改變其凝固特性，能夠較好地消除鑄件的成分偏析、鑄造應(yīng)力等缺陷，提高鑄件的冶金質(zhì)量，將為進(jìn)一步提高材料的性能開辟新途徑。

本文主要綜述了國(guó)內(nèi)外靜磁場(chǎng)對(duì)定向凝固鎳基高溫合金組織影響的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了施加不同方式、強(qiáng)度的靜磁場(chǎng)對(duì)定向和單晶高溫合金組織、偏析、缺陷及高溫力學(xué)性能的影響規(guī)律，并提出了靜磁場(chǎng)在鎳基定向高溫合金研究中潛在的發(fā)展方向。

1 靜磁場(chǎng)對(duì)定向凝固高溫合金一次枝晶間距的影響

鎳基高溫合金通常含有10多種合金化元素，主要由基體γ相和強(qiáng)化相γ′相組成，此外還有γ/γ′共晶相、碳化物相等。一般情況下，高溫合金凝固時(shí)首先從液相中析出富Ni的γ固溶體，當(dāng)溫度降低到液相線溫度以下約10℃，含C高溫合金還會(huì)析出初生MC型碳化物(L→MC+γ)。隨著溫度的進(jìn)一步降低，Al，Ta，Ti等γ′相形成元素向殘余液相中富集，最終以共晶反應(yīng)L→γ+γ′結(jié)束整個(gè)凝固過程[5]。

靜磁場(chǎng)可分為橫向靜磁場(chǎng)和縱向靜磁場(chǎng)[6]。目前，普遍認(rèn)同的靜磁場(chǎng)對(duì)金屬合金定向凝固過程的影響機(jī)理主要集中在兩個(gè)方面：一是磁阻尼效應(yīng)(magnetic damping)；二是熱電流引起的熱電磁對(duì)流效應(yīng)(thermoelectromagnetic convection,TEMC)。由于定向凝固過程中固/液界面存在溫度梯度，同時(shí)固液兩相具有不同的熱電勢(shì)，在塞貝克效應(yīng)作用下，凝固界面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)熱電流[7]。定向凝固過程中，熱電流和靜磁場(chǎng)相互作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的熱電磁力，此力會(huì)誘發(fā)各種現(xiàn)象，比如液體攪拌、固相運(yùn)動(dòng)以及固相受力。在較小和適度的磁場(chǎng)下，熱電磁力促進(jìn)液體的流動(dòng)，在較強(qiáng)的磁場(chǎng)下抑制熔體的流動(dòng)[8]。

對(duì)于液體的流動(dòng)，在假設(shè)流體不可壓縮和不考慮浮力影響的條件下，其流動(dòng)將由Navier-Stokes式?jīng)Q定：

(1)

Ren等[13]在高溫合金DZ417G的定向凝固過程中施加縱向靜磁場(chǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，在抽拉速率為5μm/s時(shí),靜磁場(chǎng)影響了該合金組織的定向凝固生長(zhǎng)特性，影響程度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增加。當(dāng)抽拉速率達(dá)到40μm/s及其以上時(shí)，施加強(qiáng)磁場(chǎng)使得單位面積上的枝晶數(shù)目增加，枝晶數(shù)目隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增加,增加的最大幅度可達(dá)到1倍。從磁抑制對(duì)流和熱電磁效應(yīng)方面分析了上述現(xiàn)象，強(qiáng)靜磁場(chǎng)的抑制對(duì)流效應(yīng)和熱電磁對(duì)流效應(yīng)具有相反作用，前者能夠抑制熔體對(duì)流，減少枝晶數(shù)目，而后者正好相反。在不同合金體系和工藝參數(shù)下某一效應(yīng)會(huì)占優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)一次枝晶間距產(chǎn)生不同的影響[14]。

李旭等[15]在DZ417G定向凝固過程中施加縱向磁場(chǎng)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在較低生長(zhǎng)速率下，磁場(chǎng)能顯著影響高溫合金柱狀枝晶的生長(zhǎng)；弱磁場(chǎng)(<0.1T)能使枝晶生長(zhǎng)規(guī)則化，生長(zhǎng)方向逐漸統(tǒng)一并平行于磁場(chǎng)方向，一次枝晶臂間距減?。粡?qiáng)磁場(chǎng)(>2T)破壞枝晶生長(zhǎng)，枝晶發(fā)生斷裂，逐漸出現(xiàn)一些云狀組織。隨著生長(zhǎng)速率的增大，磁場(chǎng)的影響逐漸減弱。胡治寧等[16]在單晶高溫合金DD483低凝固速率下(5μm/s)施加縱向靜磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)凝固鑄態(tài)組織中單晶生長(zhǎng)性受到破壞。在弱磁場(chǎng)下，熱電磁效應(yīng)占到了主導(dǎo)地位，而磁阻尼效應(yīng)幾乎無法顯現(xiàn)。這時(shí)，枝晶前沿只受到熱電磁力的作用，通過改變固/液界面和枝晶間的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而改變固/液界面前沿溶質(zhì)的分布及局部的成分過冷度，使得枝晶細(xì)化。而枝晶的破壞可能是由于熱電磁環(huán)流的存在，枝晶頂端和底部同時(shí)受到方向相反的兩個(gè)力的作用，頂部受一逆時(shí)針方向力的作用而底部受到順時(shí)針方向力的作用。當(dāng)兩個(gè)力足夠大時(shí)，會(huì)將枝晶扭斷，破壞枝晶的生長(zhǎng)[17]。Xuan等[18]在DZ417G的定向凝固過程中施加橫向靜磁場(chǎng)，對(duì)凝固界面處進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明，在抽拉速率為10μm/s時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度(2,4,6T)的增加，開始發(fā)生柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變(columnar to equiaxed transition,CET)，并且一次枝晶間距減小。與此同時(shí)，凝固界面形狀和糊狀區(qū)長(zhǎng)度均發(fā)生了改變。研究表明熱電磁力和熱電磁環(huán)流是發(fā)生CET轉(zhuǎn)變的原因，與上述破壞枝晶生長(zhǎng)的情況一致。

2 靜磁場(chǎng)對(duì)定向凝固高溫合金凝固缺陷的影響

定向凝固高溫合金的凝固缺陷有取向差過大、雜晶和游離晶、成分偏析及縮松等。以往研究者們?yōu)橄倘毕荻@得性能優(yōu)異的鑄件，通常采用調(diào)整合金成分[19]、提高溫度梯度[20]、改變抽拉速率[21]、采用引晶技術(shù)以及籽晶重熔技術(shù)等來解決上述問題，但由于實(shí)際條件所限，這些方法的改進(jìn)對(duì)凝固組織性能的提高有限。研究過程中還發(fā)現(xiàn)，在解決上述某個(gè)缺陷的同時(shí)卻導(dǎo)致了另外一個(gè)甚至幾個(gè)缺陷的形成。通過在合金凝固過程中引入磁場(chǎng)，以力和能的形式對(duì)其擴(kuò)散、流動(dòng)及凝固界面產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響凝固組織和成分分布，這使得它成為改善合金及晶體性能的重要手段之一。利用磁場(chǎng)改善金屬材料組織和性能，能夠制備出常規(guī)方法難以獲得的新材料[22]。

2.1 雜晶的形成及控制

單晶高溫合金鑄件中極易出現(xiàn)雜晶缺陷，雜晶常在鑄件的特殊位置處產(chǎn)生，如鑄件的突變截面處[23-25]以及籽晶回熔區(qū)[26-27]附近，而當(dāng)基體晶粒取向偏離過大時(shí)，葉身靠近型殼的位置也可能產(chǎn)生雜晶。

Zhao等[28]和Stanford等[29]研究了籽晶法制備單晶高溫合金中雜晶的形成機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，雜晶僅出現(xiàn)在凝固最初階段的試樣邊緣，并隨著凝固的進(jìn)行雜晶逐漸消失。此外，研究還發(fā)現(xiàn)對(duì)于非平行于熱流方向的籽晶，在遠(yuǎn)離坩堝壁的一側(cè)易于形成雜晶。Yang等[30]和D′Souza等[31]在模擬過程中也發(fā)現(xiàn)定向凝固過程的初始階段有雜晶形成，且雜晶形成難易程度與初始晶粒的晶體取向有關(guān)。Dong等[32]模擬研究了熔模鑄造過程中微觀尺度下雜晶的形成，發(fā)現(xiàn)提高抽拉速率和增加等溫線彎曲角可引起葉片平臺(tái)處過冷度的增加，促進(jìn)雜晶的形成。上述研究充分表明，試樣變截面區(qū)域?qū)е履虠l件的突然變化是造成雜晶形成的一個(gè)重要原因。

在理解雜晶形成機(jī)制的基礎(chǔ)上，能夠有效地抑制雜晶的出現(xiàn)。Xuan等[18]在鎳基單晶高溫合金凝固過程中施加橫向強(qiáng)靜磁場(chǎng)，通過對(duì)未施加強(qiáng)靜磁場(chǎng)與施加8T強(qiáng)靜磁場(chǎng)籽晶與鑄件結(jié)合處的微觀結(jié)構(gòu)形貌變化進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)在沒有磁場(chǎng)下熔體回流界面是凸起的，施加8T磁場(chǎng)時(shí)，形成了平界面并且融化區(qū)域消失?？梢钥闯?，磁場(chǎng)能夠顯著地改變回熔界面形狀以及回熔區(qū)域長(zhǎng)度，并且能夠有效地抑制雜晶的出現(xiàn)[33]，其原因可歸結(jié)為強(qiáng)靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的熱電磁流效應(yīng)增大了固/液界面能，引起形核溫度的降低(臨界形核過冷度變大)，從而抑制了雜晶的形成。同時(shí)，在高溫合金DZ417G定向凝固變截面處發(fā)現(xiàn)施加12T靜磁場(chǎng)時(shí)雜晶消失(圖1)，未施加磁場(chǎng)的試樣有雜晶出現(xiàn)。從冷卻曲線可以看出(圖2)，未施加磁場(chǎng)時(shí)過冷度為8.5K，施加12T磁場(chǎng)時(shí)過冷度達(dá)到了10.5K。相比之下，施加12T磁場(chǎng)時(shí)凝固界面的臨界形核過冷度提高了2K。臨界形核過冷度增大，導(dǎo)致異質(zhì)形核困難，從而能夠抑制雜晶的出現(xiàn)[34]。

2.2 靜磁場(chǎng)對(duì)成分偏析及析出相的影響

合金元素在液/固相間的溶質(zhì)分配使得凝固過程中不可避免地出現(xiàn)元素偏析，溶質(zhì)分配系數(shù)是衡量元素偏析的重要指標(biāo)。大量研究[35-36]表明：在鎳基高溫合金中，Al，Ti，Ta，Hf等均為正偏析元素，其偏析系數(shù)小于1。Cr，Co，W，Mo，Re等通常為負(fù)偏析元素，其偏析系數(shù)大于1，偏析的減輕均會(huì)使得二者的偏析系數(shù)趨近于1。施加不同方式和強(qiáng)度的靜磁場(chǎng)對(duì)各元素的偏析程度不同，主要是磁場(chǎng)在高溫合金熔體凝固過程中作用的效果存在明顯的差異。

圖1 高溫合金DZ417G在靜磁場(chǎng)作用下縱截面變截面附近處的組織及其對(duì)應(yīng)的EBSD圖像[34](a)0T；(b)12TFig.1 Microstructures near cross-section change regions of superalloy DZ417G under a static magnetic field and the corresponding EBSD orientation image maps[34] (a)0T；(b)12T

圖2 靜磁場(chǎng)作用下高溫合金DZ417G凝固過程中變截面處的冷卻曲線[34](a)0T；(b)12TFig.2 Cooling curves at edge in the cross-section change region of superalloy DZ417G during solidification under a static magnetic field[34] (a)0T；(b)12T

Xuan等[34]分別對(duì)PWA1483和CMSX-4施加5T橫向靜磁場(chǎng)。其結(jié)果與未施加磁場(chǎng)時(shí)鑄件的元素偏析進(jìn)行對(duì)比可得，磁場(chǎng)能夠減輕正、負(fù)元素的偏析程度，且偏析系數(shù)逐漸趨于1。磁場(chǎng)的施加顯著降低了單晶高溫合金元素的偏析，由于熱電磁對(duì)流效應(yīng)，促進(jìn)了熔體的流動(dòng)以及在枝晶周圍起到攪拌作用。

Ren等[13]在鎳基高溫合金定向凝固過程中對(duì)抽拉速率20μm/s和40μm/s時(shí)分別施加0,0.2,1,4,8T橫向靜磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)元素偏析減輕并且偏析系數(shù)逐漸趨近于1。磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加能夠減小γ′相的尺寸并且其含量也逐漸增多，這是由于磁場(chǎng)使得偏析降低所致。偏析的降低意味著成分均勻化增強(qiáng)，析出相尺寸會(huì)減小，同時(shí)枝晶的共晶組織含量也會(huì)降低。任維麗等[37]研究了橫向強(qiáng)靜磁場(chǎng)下時(shí)效熱處理對(duì)定向凝固高溫合金DZ417G組織的影響。結(jié)果表明，較常規(guī)不同時(shí)間的時(shí)效處理，強(qiáng)磁場(chǎng)能夠促進(jìn)相變的發(fā)生，使析出相細(xì)小而彌散分布。與無磁場(chǎng)相比，經(jīng)16h的時(shí)效處理后，6T的強(qiáng)磁場(chǎng)使枝晶干處強(qiáng)化相γ′細(xì)化，尺寸減小12%左右，顯微硬度提高約8.4%。枝晶間處強(qiáng)化相γ′沒有發(fā)生粗化，共晶組織周圍的強(qiáng)化相γ′較無磁場(chǎng)下分布均勻。

同時(shí)，房雙等[38]在不同強(qiáng)度的橫向強(qiáng)靜磁場(chǎng)下對(duì)定向凝固高溫合金DZ417G試樣進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理。結(jié)果顯示，12T強(qiáng)磁場(chǎng)下固溶處理后，枝晶干和枝晶間區(qū)域析出相γ′體積分?jǐn)?shù)分別增加5.3%和5.6%。12T強(qiáng)磁場(chǎng)下時(shí)效處理后，枝晶干和枝晶間區(qū)域析出相γ′體積分?jǐn)?shù)分別增加3.9% 和4.2%。合理強(qiáng)度的靜磁場(chǎng)的引入能夠減小元素偏析及析出相尺寸。Yuan等[39]研究了在變形前后靜磁場(chǎng)對(duì)析出相的影響(圖3)，經(jīng)過靜磁場(chǎng)的處理，析出相γ′尺寸減小，形狀由立方體變成圓形。在變形區(qū)域靜磁場(chǎng)使得析出相在短距離區(qū)域內(nèi)聚集，并且在高溫拉伸界面處顯示為粗化結(jié)構(gòu)。Li等[40]在高溫合金DZ483凝固過程中施加了橫向靜磁場(chǎng)(圖4)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，析出相尺寸減小，并且偏析減輕。這主要是因?yàn)殡姶胖苿?dòng)的作用比熱電磁環(huán)流的強(qiáng)，使得液體流動(dòng)性減小，從而減小了元素偏析。綜上所述，施加靜磁場(chǎng)可以有效減輕元素偏析，減小析出相的尺寸，但影響的程度也取決于凝固速率。

3 靜磁場(chǎng)對(duì)高溫力學(xué)性能的影響

高溫合金的高溫力學(xué)性能對(duì)組織缺陷非常敏感，高溫持久過程中脆硬的共晶組織和亞晶界不易與周圍組織協(xié)調(diào)變形,從而引起局部應(yīng)力集中。在應(yīng)力作用下容易形成裂紋源,給合金性能帶來不利影響[41]。在磁場(chǎng)作用下生長(zhǎng)的晶體中共晶和亞晶界較少，因而在相同的應(yīng)力作用下不易斷裂,合金的高溫塑性得到改善。

Ren等[42]在單晶高溫合金凝固過程中施加了橫向靜磁場(chǎng)，研究了在980℃/250MPa條件下磁場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)特征的影響(圖5)。當(dāng)磁場(chǎng)增大時(shí)，位錯(cuò)線集聚在γ′通道及γ/γ′共晶相中，當(dāng)發(fā)生變形時(shí)位錯(cuò)切割析出相γ′，蠕變性能得到提高。

Li等[40]在高溫合金DZ483凝固過程中施加了橫向靜磁場(chǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，柱狀枝晶完好，并且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，高溫力學(xué)性能提高。從斷口形貌以及裂紋表面可以發(fā)現(xiàn)斷裂機(jī)制主要以O(shè)rowan機(jī)制為主(圖6)，合金由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，抗拉強(qiáng)度和硬度均得到較大的提高。

圖3 靜磁場(chǎng)下斷裂樣品變形區(qū)和未變形區(qū)γ′的形貌[39](a)無變形區(qū)0T；(b)變形區(qū)0T；(c)無變形區(qū)12T；(d)變形區(qū)12TFig.3 Morphologies of γ′ precipitates of fractured samples under a static magnetic field[39] (a)deformation-free region 0T;(b)deformation region 0T;(c)deformation-free region 12T;(d)deformation region 12T

圖4 縱向靜磁場(chǎng)對(duì)合金元素偏析系數(shù)的影響[40]Fig.4 Effect of transverse static magnetic field on segregation coefficient of alloying elements[40]

胡治寧等[16]研究了磁場(chǎng)對(duì)單晶高溫合金DD483蠕變性能的影響。由于單晶性被破壞，磁場(chǎng)能夠使該合金蠕變性能降低，持久壽命減小。通過觀察斷口形貌和斷面組織可以得出無磁場(chǎng)條件下高溫蠕變斷口表現(xiàn)為韌性斷裂，斷口部位出現(xiàn)韌窩。施加磁場(chǎng)后，樣品蠕變斷口表現(xiàn)為脆性斷裂，裂紋產(chǎn)生后迅速斷裂。磁場(chǎng)條件下的蠕變樣品斷裂裂紋起源于枝晶間，施加磁場(chǎng)后裂紋起始于晶粒間。

磁場(chǎng)能否提高高溫力學(xué)性能主要取決于枝晶的完整性。如果生長(zhǎng)方向單一性比較好，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加力學(xué)性能會(huì)得到提高，因此合理的磁場(chǎng)強(qiáng)度與抽拉速率的契合，能夠有效地提高定向凝固高溫合金的高溫力學(xué)性能，從而制備出優(yōu)良的鑄件。目前關(guān)于靜磁場(chǎng)對(duì)高溫合金力學(xué)性能的影響研究較少，還有待進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，讓磁場(chǎng)的應(yīng)用更加合理有效。

4 結(jié)束語

目前，已有的研究結(jié)果表明，靜磁場(chǎng)對(duì)定向高溫合金的效應(yīng)具有多重性，為制備優(yōu)良的定向凝固鑄件提供了有效的思路和手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是磁場(chǎng)的多重效應(yīng)使得研究者們對(duì)其了解得不夠全面，還存在很多問題及爭(zhēng)議有待進(jìn)一步解決。

(1)靜磁場(chǎng)對(duì)單晶高溫合金缺陷的影響機(jī)理還存在爭(zhēng)議，尤其是在雜晶控制這方面，還需要更深入地研究其影響機(jī)理。

(2)靜磁場(chǎng)對(duì)晶體取向的影響規(guī)律及機(jī)理的研究較少，還需進(jìn)一步探究靜磁場(chǎng)誘導(dǎo)晶體取向的規(guī)律。

圖5 980℃/250MPa下試樣的位錯(cuò)特征[42] (a)γ通道的位錯(cuò)滑移；(b)γ′相的位錯(cuò)切割；(c)γ，γ′相的規(guī)則位錯(cuò)網(wǎng)格;(d)γ，γ′相的不規(guī)則位錯(cuò)網(wǎng)格；(e),(f),(g),(h)分別為0.5,1,1.5,2T靜磁場(chǎng)下γ,γ′的位錯(cuò)切割機(jī)制Fig.5 Dislocation characteristics in the samples crept at 980℃/250MPa[42](a)dislocation gliding in the γ channel;(b)dislocation cutting in the γ′ phase;(c)regular dislocation network at the γ,γ′;(d)irregular dislocation network at the γ,γ′; (e),(f),(g),(h)the dislocation cutting at the γ,γ′ under various static magnetic fields of 0.5,1,1.5,2T

圖6 靜磁場(chǎng)對(duì)樣品裂紋表面的影響[40] (a),(b)0T；(c),(d)12TFig.6 Effect of static magnetic field on the crack surface of samples[40](a),(b)0T；(c),(d)12T

(3)靜磁場(chǎng)對(duì)單晶高溫合金凝固特性(凝固路徑、凝固特征溫度、平衡分凝系數(shù)等)、晶體生長(zhǎng)界面動(dòng)力學(xué)及高溫力學(xué)性能的影響機(jī)制還需深入研究。

(4)模擬軟件以及計(jì)算模型需要進(jìn)一步完善，已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)在計(jì)算精度和應(yīng)用范圍上進(jìn)一步擴(kuò)展，使其能真正應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。