控制镍基单晶合金的凝固缺陷

       镍基单晶高温合金的显著优点是消除了可能产生裂纹源的横向和纵向晶界，因而具有较好的高温蠕变性能和抗疲劳性能，被广泛应用于制造航空发动机涡轮叶片、导向叶片等，在工业燃气轮机也有重要应用。在镍基单晶合金的制备中，凝固缺陷的控制是一个非常重要的问题，它对于增强铸件的力学性能和提高成品率关系极大。传统的高速凝固法是目前工业生产定向铸件的常用方法，但是在制备较大铸件时由于凝固过程温度梯度降低得较多，容易产生各种缺陷。新型的液态金属冷却法采用液态金属作为冷却介质，提高了凝固界面前沿的温度梯度，显著降低了偏析程度，但仍需采取各种措施，控制各种凝固缺陷。

 

一. 防止缩松：铸件在凝固过程中，由于合金液相和固相的收缩，当残余液体被已凝固部分包围时，气体得不到排出以及得不到有效补缩时，就会形成分散细小的缩洞。这种缩松容易在叶片的内部产生应力集中，从而降低叶片的力学性能。在定向凝固合金中，枝晶间存在补缩通道，使液体补缩可以持续到凝固结束，因此缩松缺陷较少；但在枝晶根部，缩洞经常得不到充分的补充，从而出现缩松；在低的生长速率条件下形成的缩松还会多一些。研究发现，随着拉晶速率的增大，试样中缩松量逐渐减少；在较低的生长速率下，缩松会比较明显；但在较高的凝固速率下，铸件倾向于形成集中的缩孔。另外，合金元素对缩松的形成也有一定影响，研究结果认为，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｏ会增加缩松含量，这是由于这些元素大都增加合金的结晶温度间隔；而Ｃｒ则可以减轻缩松。总的来说在凝固过程中若固液相密度相差较大，就容易形成缩松；结晶温度间隔较小的合金不易产生缩松；通过增加凝固速率，形成细小的枝晶可减少缩松。

 

二. 防止晶体取向的偏离：镍基单晶高温合金具有〈００１〉的择优取向，该方向具有最小的弹性模量，可以减少热循环应力。但在实际铸件制备中由于铸件几何形状的变化，导致凝固时固液界面的波动，因而可能在铸件某些部位偏离精确的〈００１〉晶体学位向。对于大尺寸单晶叶片，由于降低了定向凝固时的散热效率，致使温度梯度下降，也容易造成晶粒生长方向的偏离，同时也易于形成雀斑和伪晶粒。晶体取向与轴向偏角增大，铸件的强度和寿命的分散度均会增大，因此在定向凝固中除了控制相与组织的竞争选择外，还必须精确调节和控制晶体的生长方向，才能使铸件具有最好的力学性能。

三. 防止杂晶：如果工艺参数控制不当，凝固界面温度梯度的变化及熔体的流动等，都可能造成杂晶的出现，破坏单晶的完整性，使材料的力学性能严重下降。研究发现，在枝晶方向与坩埚壁偏离的地方，所产生的过冷度会非常明显，是杂晶容易获得生长的区域。
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