1.單晶高溫合金

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高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基體，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料;并具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。基于上述性能特點(diǎn)，且高溫合金的合金化程度較高，又被稱為“超合金”，其廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。 單晶高溫合金是指合金以單個(gè)晶體為單位，合金化程度高于普通的高溫合金。晶界的消除從而不易產(chǎn)生裂紋源，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的鑄鍛高溫合金鑄錠偏析嚴(yán)重、熱加工性能差、成形困難等難點(diǎn)，因而其具有良好的持久壽命、低蠕變速率和良好的抗熱疲勞性能。

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2.晶體取向

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由于界面張力的各向異性，單晶高溫合金在生長(zhǎng)中產(chǎn)生擇優(yōu)取向，例如鎳基高溫合金多以<001>為最快的生長(zhǎng)方向。晶體取向?qū)尉Ц邷睾辖鸬牧W(xué)性能、組織形態(tài)和偏析程度都有著顯著的影響，因而研究影響晶體取向的因素及取向的控制有著重要意義。

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3.單晶高溫合金晶體取向的影響因素

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3.1 定向凝固溫度梯度

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凝固前沿溫度梯度的提高可以產(chǎn)生較強(qiáng)的單向熱流，從而使晶體的擇優(yōu)取向與熱流方向偏離度減小。在定向凝固中，通過(guò)改變金屬層激冷效果來(lái)改變凝固界面的溫度梯度，激冷效果越差，溫度梯度越小，取向偏離度則越大。如圖1，R為界面凝固速度，G為溫度梯度。通過(guò)比較(a)和(c)，表明在相同凝固速率下，溫度梯度增加，分散度減小;但比較(b)和(c)發(fā)現(xiàn)，高速率凝固時(shí)，溫度梯度增加，分散度增大。

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圖1 亞晶粒的γ射線衍射圖

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3.2 凝固界面形狀

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凝固界面從平面偏離越大，晶體取向的偏離也越嚴(yán)重。平界面生成集中<001>取向，彎曲界面生成分散的取向。

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增大拉伸速率和試樣直徑時(shí)，試樣中心的熱量無(wú)法及時(shí)傳到表面，從而固液界面下凹，溫度梯度的大小和方向發(fā)生變化，導(dǎo)致晶體取向分散。在抽拉速率很低的穩(wěn)定條件下，界面的速率近似等于試樣或爐體的移動(dòng)速率，界面保持平直，抽拉速率增大后，界面會(huì)出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象，界面形狀也會(huì)發(fā)生變化，溫度梯度發(fā)生變化，導(dǎo)致生長(zhǎng)方向發(fā)生偏離。

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3.3 合金元素

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對(duì)于CM186LC合金，碳的加人可以減少元素的分凝系數(shù)從而減小偏析，減弱了鎢和錸從枝晶中的分離，同時(shí)減少了鉛從枝晶中到枝晶間的析出量，這樣使得枝晶干中保留了較多的慢擴(kuò)散元素，將使其有可能形成集中的<001>取向。 對(duì)于CMSX-4合金，溶質(zhì)沿<100>和<110>富集基本相同，但是<110>偏析的路徑比較短，偏析明顯。

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圖2 淬火后CM186LC合金取向圖

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圖3 CMSX-4合金中各類合金元素的偏析分布圖

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3.4 熔體因素

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熔體的粘滯阻力、熱對(duì)流、浮力和重力等綜合因素使晶粒不斷發(fā)生作用，從而導(dǎo)致有效取向的改變。當(dāng)溫度降低時(shí)，熔體粘滯阻力增大，液態(tài)金屬流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力大于粘滯阻力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱對(duì)流和熱雀斑，影響晶體取向，但具體的影響作用目前還沒(méi)有明確。此外。抽拉速率的不穩(wěn)定可造成隨機(jī)的擾動(dòng)，使熔體溫度出現(xiàn)起伏，使晶體取向發(fā)生偏離。

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4.晶體取向的控制

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4.1 選籽法

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選籽法是制備單晶高溫合金的常用方法，通過(guò)在鑄件或葉片底加一個(gè)選籽器，用定向凝固技術(shù)控制固液界面的溫度梯度和抽拉速率來(lái)制備單晶的方法。從圖4(b1)可以觀察到，凝固組織由大量等軸晶粒組成，根據(jù)b2可知，這些等軸晶粒的取向是隨機(jī)分布的。這是由于定向凝固過(guò)程中，當(dāng)過(guò)熱的合金液受到激冷板的激冷作用，會(huì)在激冷板表面形成許多細(xì)小且取向隨機(jī)分布的等軸晶; 同時(shí)靠近激冷板表面的合金液內(nèi)少量雜質(zhì)受到激冷后，也會(huì)成為異質(zhì)形核的核心，隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行這些晶核逐漸長(zhǎng)成取向隨機(jī)分布的等軸晶。隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行，<001>方向的晶粒逐漸占據(jù)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)并淘汰了其他非擇優(yōu)取向的晶粒(圖4 c1-f2)。

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圖4 試樣橫截面不同位置處的EDSB圖和相應(yīng)的反極圖

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如圖5，隨著距引晶段底部距離的增加，<001>晶向的晶粒數(shù)目逐漸增加。

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圖5 引晶段不同截面處晶粒的取向分布

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4.2 籽晶法

籽晶法是將單晶具有相同材料的籽晶放到型殼底部，把過(guò)熱的熔融金屬澆注到上面，再適當(dāng)?shù)乜刂乒桃航缑媲把匾合嘀械臏囟忍荻群统槔俾剩玫骄w取向與籽晶取向一致的單晶，如圖6所示。當(dāng)熔融態(tài)金屬澆入型腔后，籽晶部分發(fā)生融化，從而使得晶體沿著與籽晶相同的結(jié)晶方向生長(zhǎng)。

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圖6 籽晶法制備單晶葉片的兩種方式 (a) 底柱法 (b)頂柱法

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圖7是不同取向下籽晶生長(zhǎng)過(guò)程的初始界面，當(dāng)取向角較小時(shí)，晶胞生長(zhǎng)方向與熱流方向平行;取向偏離角增大，枝干與熱流方向夾角也不斷增大，但晶胞生長(zhǎng)方向并沒(méi)有明顯改變。結(jié)果表明，晶胞生長(zhǎng)始終平行于入流方向，而枝晶則沿著擇優(yōu)取向生長(zhǎng)。

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圖7 不同取向籽晶引晶的胞晶凝固初始界面 (a)<001> 4° (b) <001>19°

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5.小結(jié)

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(1) 影響單晶高溫合金晶體取向的因素主要有溫度梯度、凝固界面形狀、合金元素以及熔體等。 (2) 控制單晶高溫合金晶體取向常用的方法有選籽法和籽晶法。其中籽晶法可以獲得取向度較高的單晶，在枝晶界面條件下，晶體取向由籽晶方向決定;在胞晶界面條件下，晶體取向由熱流方向決定。

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參考文獻(xiàn)

[1] 趙新寶, 高死峰, 楊初斌等. 鎳基單晶高溫合金晶體取向的選擇及其控制[J]. 西安, 西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 2013, 25-32.

[2] 趙新寶, 劉林, 張衛(wèi)國(guó)等. 單晶高溫合金晶體取向的研究進(jìn)展[J]. 西安, 西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 2007, 63-65.

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