岳帥帥,葉子天,郭揚帆,唐云宇,張小麗

（北方民族大學材料科學與工程學院，寧夏銀川750021）

定向凝固技術(shù)是在凝固過程中采用強制手段，使已經(jīng)凝固的合金和沒有凝固的熔體之間建立單一方向的溫度梯度，進而保證熔體沿著與熱流相反的單一方向凝固，以此得到理想的定向凝固組織的一種鑄造工藝。該技術(shù)的最大優(yōu)勢在于，其制備的合金材料有無橫向晶界，因此縱向力學性能優(yōu)異。定向凝固技術(shù)目前廣泛應用于航空發(fā)動機中渦輪葉片的工藝制備［1-4］。在設定好的定向凝固參數(shù)下，單相合金材料界面隨著抽拉速率的不斷提高都會經(jīng)歷一個從平界面到胞晶、枝晶的界面形態(tài)轉(zhuǎn)變，其中枝晶生長能對材料的性能和壽命起到?jīng)Q定性影響，特別是一次枝晶間距作為枝晶生長形態(tài)中特別重要的表征尺寸，在近幾十年受到了研究者的廣泛關(guān)注。針對不同的合金體系，想要進一步提高材料的性能需要結(jié)合合金本身的特性去研究分析，涉及材料內(nèi)部富含的元素種類和元素含量。史振學等［6］通過對鎳基單晶高溫合金研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cr 含量增加，合金的一次枝晶間距并沒有明顯變化，共晶含量明顯增加，但合金組織的穩(wěn)定性降低。這表明合金的優(yōu)異性能取決于合金成分，但若要提升合金的性能不僅只局限于改變合金成分。比如，凝固過程中所設定的抽拉速率等工藝參數(shù)會影響界面前沿的溫度梯度，進而影響一次枝晶間距的大小，而且隨著凝固過程的推進，冷卻速率會出現(xiàn)差異性變化。徐莽等［5］發(fā)現(xiàn)，隨著生長高度的增加一次枝晶間距會逐漸增加，但增加到某一值后趨于穩(wěn)定。如果精準調(diào)控抽拉過程的進程，通過改變溫度梯度和過冷條件來使定向合金的生長朝著預設的方向發(fā)展，有利于獲得更多的參考數(shù)據(jù)。

早期，Hunt 模型［7］、Kurz-Fisher 模型［8］和Trivedi模型［9］對一次枝晶間距作出了理論解析，但是都沒有考慮到晶體取向?qū)χL的影響。Grugel 和Zhou［10］發(fā)現(xiàn)，隨著抽拉速度和溫度梯度之間的夾角增大，一次枝晶間距也在增大。隨后，Gandin 等［11］研究了一次枝晶間距與晶體取向的關(guān)系，提出了傾斜一次枝晶間距模型。Esaka 和Rappaz 等［12-13］通過透明合金研究了薄膜試樣中的晶粒組織演化。王理林等［14］通過對透明模型合金定向凝固研究發(fā)現(xiàn)，晶體取向會明顯影響晶粒的平界面失穩(wěn)行為，平界面失穩(wěn)孕育時間和初始擾動隨著固/液界面能各向異性項ωcos(4θ0)增大而增大。王賢斌等［15］發(fā)現(xiàn)：具有生長優(yōu)勢的二次枝晶臂對相鄰枝晶的生長抑制作用，隨枝晶的擇優(yōu)生長方向與溫度梯度方向夾角的增大而增大；同時，一次枝晶間距也隨枝晶的擇優(yōu)生長方向的夾角增大而增大。反過來講，枝晶生長因受限于定向凝固過程中工藝參數(shù)的差異化和不確定性，導致晶體取向的偏離，進而影響到晶粒的競爭生長機制的正常進行，難以保持組織的均勻性。綜合研究者不斷研究出的成果，探討晶體取向?qū)φ麄€枝晶生長過程的影響作用及微觀組織演化規(guī)律，對提高合金性能十分重要。

一次枝晶間距是指相鄰兩個枝晶的枝晶干之間的垂直距離。不同的晶體材料因合金成分的差異具有本身獨有的特性，針對某一型號合金設定不同凝固參數(shù)下所表現(xiàn)出的枝晶生長演化也會有所不同，但基本上都脫離不了根據(jù)機制和實驗結(jié)果所修正后建立的枝晶組織表征參數(shù)的理論模型。陳瑞等［16］建立了改進型的元胞自動機模型，其可以對不同定向凝固工藝參數(shù)下枝晶生長過程開展數(shù)值模擬，驗證理論模型的有效性及一次枝晶間距是否在于一定范圍內(nèi)存在變化。采用鎳基單晶高溫合金來研究發(fā)現(xiàn)，凝固過程中存在枝晶消失和枝晶生長的現(xiàn)象，一次枝晶間距在一定的容許范圍內(nèi)波動調(diào)整，并指出其上限和下限的相差倍數(shù)因合金的特性決定，這與J. D. Hunt 等［17-18］認為一次枝晶間距的上限與下限相差一倍不符。在研究一次枝晶間距的分布情況下，一次枝晶間距越小代表著組織越細密，減小合金的一次枝晶間距可以對優(yōu)化合金鑄態(tài)組織起到促進作用，可有效降低鑄態(tài)合金的共晶和γ＇相尺寸及優(yōu)化碳化物形貌，進而對合金的持久性能產(chǎn)生影響。

總結(jié)了定向凝固工藝參數(shù)對枝晶生長的影響，以及枝晶生長受合金成分和晶體取向的影響，通過數(shù)值模擬來深入分析枝晶的復雜生長過程，把一次枝晶間距作為枝晶形態(tài)演化中重要的特征尺度，并研究其規(guī)律性變化。

1 定向凝固工藝參數(shù)對枝晶生長的影響

1.1 抽拉速率對枝晶生長的影響

DZ466 合金是北京航空材料研究院自主研發(fā)的新型耐蝕定向合金，其化學成分列于表1［13］。

表1 DZ466 合金的化學成分Table 1 Chemical composition of DZ466 alloyw/%

姜華等［19］在研究定向凝固工藝對DZ466 合金顯微組織的影響中指出，隨著抽拉速率的增大，一次枝晶間距減小。型殼中合金液從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝固速率增大，增加了γ相機體內(nèi)的過飽和度，從而增大了γ＇相析出時的驅(qū)動力，促進了γ＇相的析出和形核。但較快的抽拉速率。由于縮短了生長時間從而抑制了γ＇相的長大，導致枝晶干和枝晶干γ＇相尺寸均顯著減小。在合金凝固的過程中，盡管Al 和Ta 等元素形成γ＇相富集在枝晶間，但當達到共晶的成分時便會以共晶的形式析出，使共晶體積分數(shù)略微增加，但存在的共晶組織占少量，所以整體上枝晶逐漸細化。采用電子探針進一步分析發(fā)現(xiàn)，一次枝晶間距的減小會抑制MC 型碳化物在熔體內(nèi)的擴散行為，使尺寸減小、形核增加，在枝晶間和晶界處分布更加彌散、均勻。通過實驗也驗證了抽拉速率對枝晶生長有明顯的影響，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可見，當溫度梯度較大時（圖1（a）和圖1（b），G=240 K·min?1），增大抽拉速率時一次枝晶間距明顯減??；此外，當溫度梯度較小時（圖1（c）和圖1（d），G=80 K·min?1），增大抽拉速率時一次枝晶間距減小，但是減小的趨勢不如高溫度梯度時明顯。

圖1 不同溫度梯度和不同抽拉速率的枝晶組織Fig.1 Dendrite structures of cross sections under different temperature gradients and pulling rates

1.2 溫度梯度對枝晶生長的影響

保持抽拉速率一定時，提升溫度梯度，一次枝晶間距明顯減??；當抽拉速率較小時（v=1 mm·min?1），隨著溫度梯度的增大，一次枝晶間距減?。划敵槔俾瘦^大時（v=6 mm·min?1），隨著溫度梯度的增大，一次枝晶間距也減小。此外，高溫度梯度能促進γ＇相的析出和形核，但是抑制了相的長大，所以γ＇相尺寸相對減小。因此，提高溫度梯度會在一定程度上獲得細小的枝晶組織和γ＇相組織。但制備單晶高溫合金DZ466 所采用的HRS 法主要是通過爐內(nèi)保溫加熱區(qū)和試棒底部水冷托盤及輻射散熱實現(xiàn)正的溫度梯度，不足之處在于隨著凝固距離的增加散熱效率逐漸下降，這導致固液界面前沿的溫度梯度略有降低，一次枝晶間距略有增大，抑制了γ＇相的析出和形核而促進其長大，所以γ＇相尺寸相對增大。

在保證定向凝固工藝參數(shù)設定不變的條件下，冷卻速率的差異化因生長高度的增加而引起定向凝固組織的不均勻。徐莽等［5］指出，定向凝固過程中冷卻距離沿縱向方向增加，意味著散熱效率的降低趨勢逐漸穩(wěn)定，導致一次枝晶間距會在生長高度30 mm 處放慢增長速度，漸于平衡（圖2）。同時，不同生長高度處的γ＇相大小、形態(tài)、數(shù)量及碳化物均會受到影響。被細化的γ＇相分布于枝晶干和枝晶間處起到強化效果，防止產(chǎn)生裂紋；轉(zhuǎn)變形態(tài)后的碳化物受限于二次枝晶干數(shù)量激增的約束，聚于枝晶干間形核。由此可見，只有精確控制溫度梯度的高低和抽拉速率的快慢去滿足生長高度下冷卻速率的提高，才能實現(xiàn)優(yōu)異性能合金的研發(fā)。

圖2 定向凝固DZ4125 合金不同枝晶間距與生長高度的關(guān)系［5］Fig.2 Relationship between different dendrite spacing and growth height of direction?ally solidified DZ4125 alloy

若將合金的性能潛力最大程度發(fā)揮出來，就要將以上凝固工藝參數(shù)（抽拉速率、溫度梯度）確立在合適的區(qū)間界限內(nèi)，并對數(shù)據(jù)進行對比分析以確立一套完備的工藝流程，且隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展和設備的更新?lián)Q代，也需要切實更新和完善工藝參數(shù)?？v觀定向凝固技術(shù)的發(fā)展過程，新型定向凝固技術(shù)較于常規(guī)定向凝固技術(shù)要求更細化組織，不斷完善和發(fā)展著凝固理論［20］。盡管不同的合金體系其受影響的規(guī)律存在差異，但仍需要結(jié)合科技產(chǎn)業(yè)進步的需要對合金做定性分析，為單晶高溫合金的開發(fā)做好數(shù)據(jù)支撐。

2 合金成分對枝晶生長的影響

不同的合金因其富含的元素種類和元素含量具有各自獨特的特性，定向凝固技術(shù)也只能依照它的優(yōu)勢去最大程度地激發(fā)該合金的潛能。Singer 等［21］對含Re 和Ru 的單晶高溫合金凝固特性的研究表明，合金的結(jié)晶溫度范圍對Re 的加入很敏感，并且導致了共晶含量的增大，而Ru 的加入對合金的共晶含量沒有造成明顯影響。高斯峰等［22］采用高速定向凝固工藝制備單晶高溫合金DD403、DD407 和Alloy A，通過分析對比發(fā)現(xiàn)結(jié)晶溫度范圍和元素種類會對共晶含量起到?jīng)Q定性影響，而3 種合金一次枝晶間距差異是由結(jié)晶溫度范圍造成的。

總體上說，在凝固條件相同的情況下，不同合金的凝固偏析程度主要受結(jié)晶溫度范圍大小和合金成分的影響。結(jié)晶溫度范圍越大偏析越嚴重，共晶含量越高；枝晶凝固中溶質(zhì)再分配會導致合金元素在枝晶干和枝晶間分布不均勻，合金元素之間也會因含量高低影響彼此的偏析程度。除此之外，陽大云等［23］探討合金成分與共晶數(shù)量的對應關(guān)系，對采用三因素三水平正交實驗方法配置出的九種合金，使用電子探針在共晶塊中心到枝晶干中心的直線上進行微區(qū)元素的定量分析發(fā)現(xiàn)，Co 和W 富集于枝晶干，而Ti 元素強烈富集于枝晶間。隨著Ti 含量的增加，共晶數(shù)量大幅度增加且起著明顯的促進作用。劉世忠等［24］發(fā)現(xiàn)：在鑄態(tài)組織中隨著C 含量的增加，枝晶間的共晶尺寸變小，含量減小；碳化物尺寸變大，含量增加，其形態(tài)向骨架狀、漢字狀轉(zhuǎn)變。史振學等［6］發(fā)現(xiàn)，隨著Cr 含量增加，枝晶間的共晶尺寸變大且含量增多。諸如C、Ti 和Hf 等都是MC 碳化物的形成元素［25］，在枝晶干和枝晶間富集會有不同的效果，主要體現(xiàn)在凝固后期。

以鎳基單晶高溫合金這一體系來說，其金屬結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)部含有大量W、Ta 及Mo 等難熔金屬元素。難熔金屬元素含量過多，容易形成TCP 相而導致合金力學性能下降，從而降低了使用壽命，難以適應高溫工況；含量過低，則不能提高鎳基單晶高溫合金的耐高溫性。如何在保持難熔元素含量又能盡量提高合金的耐高溫性，降低TCP 有害相的繼續(xù)生成，提高組織的穩(wěn)定性，這就需要去把握合金內(nèi)各元素含量對枝晶生長的一個平衡。在高尖端領域，不僅看重合金材料的耐高溫性，還會向著提高合金的抗氧化、耐疲勞性和耐腐蝕等諸多優(yōu)異的綜合性能開展研究。但對于有些貴金屬屬于戰(zhàn)略元素，各項性能提高的同時伴隨著制造成本的不斷增加。要想制造出優(yōu)質(zhì)合金，需要對合金內(nèi)各元素做定量分析，明確其在合金中的作用，研究其對枝晶生長的優(yōu)劣，最終調(diào)節(jié)比例或添換部分元素種類才能達到預想的性能指標。

3 晶體取向?qū)χL的影響

在定向凝固過程中，枝晶基本上會沿晶體特定的擇優(yōu)取向進行生長。王賢斌等［15］對類金屬透明模型合金丁二腈-1.0% 乙醇（質(zhì)量分數(shù)，SCN-1.0% Eth）合金進行了考察，如圖3 所示。從圖3 可以看出，隨著一次枝晶與溫度梯度的夾角θ0的增大，一次枝晶間距逐漸增大。

在設定抽拉速率恒定的條件下，隨著枝晶擇優(yōu)生長方向（100）與溫度梯度的夾角θ0的增大，枝晶形態(tài)會發(fā)生改變。在早期K-F 尖端半徑模型的基礎上，結(jié)合晶體取向?qū)σ淮沃чg距的影響建立修正后的K-F 模型［15］。

式（1）中λ1為一次枝晶間距，ΔT＇為非平衡結(jié)晶溫度范圍，DL為液相溶質(zhì)擴散系數(shù)，Γ為Gibbs-Thomson系數(shù)，ΔT0為平衡結(jié)晶溫度范圍，k0為平衡溶質(zhì)分配系數(shù)，G為溫度梯度，V為凝固速率，Vc為平胞轉(zhuǎn)變臨界速度，V＞Vc/k0。

不難看出，對于同一種合金，在相同的溫度梯度和凝固速率下，一次枝晶間距會隨著單晶（100）方向與溫度梯度的夾角的增加而增大。不僅如此，晶體取向?qū)Χㄏ蚰虠l件下的平界面失穩(wěn)行為產(chǎn)生影響。從圖3 也可以看出，該晶體的（100）晶向與溫度梯度的夾角增大會導致二次臂的生長方向和溫度梯度方向夾角減小，發(fā)生競爭生長，使得二次枝晶臂生長優(yōu)勢增加，向相鄰枝晶排除溶質(zhì)產(chǎn)生富集進而起到抑制作用，使得一次枝晶間距增大。

圖3 不同取向晶體定向凝固枝晶的生長形貌［15］Fig.3 The growth morphologies of directional solidified dendrites with different orientations

結(jié)合以上分析，晶體取向?qū)χL有著不可忽略的決定性影響，同時作為合金本身固有的特性，盡管設定同一凝固參數(shù)也會因合金種類的不同對枝晶生長演化產(chǎn)生影響。王理林等［14］對在晶粒的平界面非穩(wěn)態(tài)演化過程中整體初始擾動共同沿著熱流方向競爭生長（圖4）進行了研究并認為，這主要是由不同頻率的背景熱起伏被選擇性地放大所導致的，雖然對于單晶中可能存在的少量缺陷會受晶體取向的不同會有能量高低的變化，但界面失穩(wěn)卻對此并不敏感，其為次要因素。因此，結(jié)合合金本身固有的特性去研究枝晶的競爭生長機制，對獲得良好的性能顯得尤為重要。比如，二次枝晶取向的不同并不會對晶粒的競爭生長速率產(chǎn)生明顯的影響，而增大凝固工藝參數(shù)中的抽拉速率會使溶質(zhì)邊界層厚度減小，弱化了溶質(zhì)場的交互作用，導致非擇優(yōu)取向枝晶阻擋擇優(yōu)取向枝晶的頻率增大，其結(jié)果是非正常的競爭生長影響到枝晶間距的大小，這就對鎳基高溫合金被定向凝固工藝處理時提出更高的要求。

圖4 不同取向的單晶平界面失穩(wěn)后的組織形貌演化［15］Fig.4 Microstructure evolution of single crystals with different orientations after planar interface instability

4 定向凝固工藝下枝晶生長的數(shù)值模擬

定向凝固是一個復雜的過程，通過模擬不同定向凝固工藝參數(shù)下枝晶生長過程，建立模型并分析演變規(guī)律，能夠有效預測并控制枝晶的形成，進而開發(fā)出具有優(yōu)異性能的合金。目前，進行數(shù)值模擬的主要方法有元胞自動機法（CA）和相場法（PF）兩種。郭釗等［26］對多元高溫合金凝固時的枝晶生長采用改進元寶自動機方法進行對比發(fā)現(xiàn)，增大過冷度能促進枝晶快速生長，但會引發(fā)明顯的溶質(zhì)梯度。趙紅晨［27］發(fā)現(xiàn)，增大冷速能起到細化晶粒的作用，但對Mg-RE 合金系如若要獲得細小晶粒，需要克服不同冷速區(qū)域內(nèi)原位難以獲得成分過冷的困難。相較而言，相場法還能結(jié)合溫度場、流場、溶質(zhì)場等耦合，建立耦合熱力學數(shù)據(jù)庫的多相場模型來多角度地描述多種情況下合金凝固過程［29-31］。楚碩［32］發(fā)現(xiàn)，溶質(zhì)擴散系數(shù)對溶質(zhì)溶度耦合強度的增加會增加尖端過冷度。不止于此，探究枝晶生長規(guī)律的涉及溫度因素還有Lewis 系數(shù)、溫度梯度以及形核過冷等，對比實驗結(jié)果和模擬結(jié)果去分析可能存在的未知因素干擾并反復優(yōu)化工藝設計，做到能預測能控制。

基于數(shù)值模擬去考慮不同抽拉速率、溫度梯度和擇優(yōu)取向?qū)χ鶢罹L形態(tài)的影響。比如優(yōu)異的高溫力學性能常通過競爭淘汰來獲得特定晶體取向的晶粒來滿足，過程中存在不可忽略的參數(shù)波動會導致雀斑［33-34］、小角度晶界［35］和雜晶［36］等缺陷的形成，嚴重地破壞了微觀組織。對上述提到的透明合金進行數(shù)值模擬后，結(jié)果解釋仍是擇優(yōu)取向枝晶淘汰非擇優(yōu)取向枝晶，但鎳基高溫合金匯聚競爭生長模擬結(jié)果表明，在一定條件下會出現(xiàn)反常淘汰現(xiàn)象。因此，枝晶的優(yōu)先生長方向?qū)τ谥чg的競爭過程也具有重要的影響［37-38］。如今，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，更多更快地朝著基于二維、三維相場的方向模擬枝晶的競爭生長。Guo［39］、Takaki［40-41］和Tourret［42］等都在二維相場上研究晶體取向與溫度梯度對柱狀晶競爭生長的影響。付金良等［43］基于三維相場模型發(fā)現(xiàn)，枝晶交叉生長的前提在于晶粒生長方向與溫度梯度方向的夾角大小，其競爭生長行為導致枝晶間斷式生長的現(xiàn)象。從二維相場到三維相場的轉(zhuǎn)變能更完整地描繪出枝晶的競爭生長現(xiàn)象，這就對計算機提出了更高的要求。隨著人們深入探究定向凝固過程中存在的定律和理論，相場法也朝著擴大模擬范圍、提升求解效率和參考外部條件變化的方向發(fā)展，進而反向應用于實際凝固過程中［44］。

5 一次枝晶間距的容許范圍

一次枝晶間距的容許范圍必然與其凝固歷史有關(guān)。張顯飛等［45］在元胞自動機模型上模擬定向凝固下丁二腈-2.5%乙醇的一次枝晶間距的選擇過程，在假設液相無對流、溶質(zhì)傳輸由擴散控制及固/液界面處于平衡態(tài)的情況下，模擬不同初始枝晶數(shù)目條件下的定向凝固組織演變過程，結(jié)果表明穩(wěn)態(tài)生長一次枝晶間距取決于初始形核過程，具備隨機性，不存在一一對應關(guān)系。但當兩個一次枝晶的間距過大時，通常會以分枝機制進行間距調(diào)整，新的一次枝晶能否成長取決于固/液界面的穩(wěn)定性及一次枝晶間液相成分過冷區(qū)的形成兩方面因素。在給定的凝固條件下，間距較小不足以造成成分過冷區(qū)，不會形成新枝晶；間距適中會導致一次枝晶間液相內(nèi)界面失穩(wěn)，凸起開始形成并逐漸長大，凸起尖端排出的溶質(zhì)向外擴散困難造成富集，仍不能繼續(xù)形成新枝晶；間距過大會大幅減少溶質(zhì)場的重疊程度，甚至不會發(fā)生交集，容易使得溶質(zhì)能順暢地向遠處擴散運輸，凸起順利地長成一次枝晶。表明，枝晶間距存在一個臨界值，新枝晶的形成取決于兩個舊枝晶間的距離是否大過臨界值，從而減小枝晶間距。所以，受固/液界面穩(wěn)定性及濃度場的影響因素，一次枝晶間距的上下限也會收到影響具體的一次枝晶間距變化范圍需要考究枝晶的形成歷史。如果在沒有對流的條件下，固/液界面能和溶質(zhì)擴散系數(shù)均能影響一次枝晶間距的上下限。隨著溶質(zhì)擴散系數(shù)越小，兩個相鄰枝晶周圍的溶度梯度發(fā)生交疊的概率會降低，一次枝晶間距的上下限就會越??；隨著固/液界面能的增加，界面失穩(wěn)的臨界過冷度會增加，一次枝晶間距的上下限就會越大。

定向凝固一次枝晶間距范圍是否有上下限，以及上限和下限的差值倍數(shù)。劉貴群等［46］研究發(fā)現(xiàn)：鎳基單晶高溫合金的一次枝晶間距會隨著凝固距離的增大而增大，增長速率也會在凝固過程的進展中明顯增長；上限和下限的差值倍數(shù)受合金特性的影響各有差異，枝晶生長的過程中在一定的容許范圍內(nèi)波動變化并且相差不止一倍，甚至遠大于一倍。

針對在不同凝固距離截面統(tǒng)計一次枝晶間距涉及兩種方法，分別是直接測量法和正方形估算法，依照不同晶體材料中枝晶形態(tài)來對比兩種分析方法的精準程度，同時也需要考慮到效率的高低來衡量其可行性。圖5 為采用直接測量法統(tǒng)計的DD5 高溫合金不同凝固距離截面的一次枝晶間距統(tǒng)計結(jié)果。從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，一次枝晶間距在100~600 μm 之間波動，這與DD32 高溫合金的一次枝晶間距變化規(guī)律一致。圖6 為采用直接測量法統(tǒng)計的DD32 高溫合金不同凝固距離的一次枝晶間距分布概率。從圖6可見：一次枝晶間距并不是一個確定的值，由于枝晶生長過程不斷地進行消失和再生的演化而確保它在一定范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)整，基本上滿足于正態(tài)分布的概率；但從另一角度來看，凝固過程中的傳熱、傳質(zhì)和對流，決定著枝晶的生長形態(tài)和特征尺寸。

圖5 采用直接測量法統(tǒng)計的DD5 高溫合金不同凝固距離截面的一次枝晶間距Fig.5 The primary dendrite spacing of DD5 superalloy at different solidification distances by direct measurement

圖6 采用直接測量法統(tǒng)計的DD32 高溫合金不同凝固距離的一次枝晶間距分布概率Fig.6 The distribution probability of primary dendrite spacing of DD32 superalloy at different solidification heights by direct measurement

6 總結(jié)與展望

（1）隨著抽拉速率的增加，一次枝晶間距減小。隨著溫度梯度的提升，一次枝晶間距減小。定向凝固的進行會因冷卻速率的差異化，導致一次枝晶間距增加。這種復雜的枝晶生長過程讓合金呈現(xiàn)優(yōu)異不等的性能，只有在對合金做好足夠地定性分析的基礎上，調(diào)整凝固參數(shù)（抽拉速率、溫度梯度）才會對優(yōu)化合金的枝晶組織起到?jīng)Q定性影響。

（2）合金成分作為合金本身固有的特性，不同種類的元素會起到抑制或促進枝晶生長的作用。如果要人為控制枝晶向著預想的方向生長，需要調(diào)整元素含量或者添換新元素，通過定量分析來明確其在合金中的作用，平衡其對枝晶生長的影響，最終制備出性能均衡或突出的合金。

（3）不同晶體取向?qū)Χㄏ蚰讨駜?yōu)生長方向影響也不同，一般為（100）晶向與溫度梯度的夾角增大導致一次枝晶間距增大。枝晶的競爭生長機制也會因抽拉速率的增大出現(xiàn)反常現(xiàn)象影響枝晶間距的大小。

（4）在高溫合金定向凝固過程中，隨著凝固距離的增大，一次枝晶間距在一定容許范圍內(nèi)進行動態(tài)調(diào)整。這表明研究一次枝晶間距的容許范圍對合金的性能高低有間接的評估意義。

（5）設定定向凝固工藝參數(shù)、晶體取向、缺陷等條件去反復開展對枝晶生長的數(shù)值模擬，通過對比分析實驗結(jié)果能預測哪些條件可以對提高合金性能產(chǎn)生積極影響，以三維相場為發(fā)展前景，更精準更高效地設計工藝和開發(fā)合金。