定向凝固鎳基合金DZ444聲學(xué)特性的各向異性

羅忠兵，張嘉寧，金士杰，林 莉

(大連理工大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)研究所，遼寧 大連 116085)

鎳基高溫合金廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源動(dòng)力等領(lǐng)域，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室、渦輪葉片、導(dǎo)向器等熱端部件[1-2]。通過(guò)定向凝固技術(shù)消除橫向晶界，以及后續(xù)出現(xiàn)的單晶高溫合金和熱障涂層等技術(shù)，顯著提高了部件使用溫度和服役性能。然而，復(fù)雜的制造過(guò)程中，高溫合金部件不可避免地產(chǎn)生宏微觀缺陷，高溫、高應(yīng)力、大范圍循環(huán)載荷作用下極易產(chǎn)生疲勞、蠕變、腐蝕等損傷[3-4]。因此，為保證關(guān)鍵部件的制造質(zhì)量和服役安全，必須進(jìn)行有效的質(zhì)量檢測(cè)和性能評(píng)價(jià)。

基于超聲波的無(wú)損評(píng)價(jià)技術(shù)通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的時(shí)、頻域分析，能夠建立超聲參量與材料特性的映射關(guān)系進(jìn)而反映缺陷和損傷情況，廣泛應(yīng)用于高性能制造領(lǐng)域[5-9]。然而，實(shí)現(xiàn)鎳基合金微小缺陷和損傷的有效評(píng)價(jià)并非易事，原因有二：一是鎳基奧氏體彈性各向異性顯著，定向凝固柱狀晶或單晶組織特殊，導(dǎo)致聲傳播行為明顯區(qū)別于大多數(shù)多晶金屬，后者晶粒尺寸較超聲波波長(zhǎng)的比值均小于0.1，屬瑞利散射范疇，可視為各向同性[10]。二是實(shí)際構(gòu)件幾何形狀多樣，除合金凝固方向外其余方向并不控制，第二晶向在0°至90°之間隨機(jī)變化[11]，超聲檢測(cè)聲波入射角度也是隨機(jī)的，因此，聲傳播行為同時(shí)受到材料晶體取向和構(gòu)件幾何形狀的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)噪聲、波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象[6]。研究證實(shí)鎳基單晶合金在不同晶體取向上聲速和聲衰減系數(shù)差異明顯[6,12-13]，但對(duì)定向凝固合金報(bào)道較少，特別是其聲學(xué)特性各向異性機(jī)制尚不明確，直接影響定量檢測(cè)與評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

本實(shí)驗(yàn)以DZ444定向凝固鎳基高溫合金為對(duì)象，結(jié)合晶體取向和微觀組織分析，對(duì)與凝固方向成不同夾角片狀試樣的時(shí)域(縱波聲速和聲衰減系數(shù))、頻域(表面回波及一次底波的主頻變化、表觀積分反射系數(shù))聲學(xué)特性進(jìn)行了研究，為鎳基高溫合金質(zhì)量檢測(cè)和性能評(píng)價(jià)提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)采用DZ444定向凝固鎳基高溫合金的鑄態(tài)棒狀試樣(直徑為16mm)，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：C 0.12, Cr 15.6, Co 10.6, Mo 2.0, W 5.3, Al 3.2, Ta 0.1, Ti 4.4, Hf 0.2, B 0.1, Ni余量。如圖1所示，利用線(xiàn)切割技術(shù)制備平面法線(xiàn)方向與柱狀晶凝固方向夾角φ分別為0°，45°，90°的3種試樣，厚度5mm左右。利用SHIMADZU XRD-6000型X射線(xiàn)衍射儀(XRD)、Zeiss Supra 55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)、Oxford電子背散射衍射儀(EBSD)、Leica MEF-3型光學(xué)顯微鏡等測(cè)定試樣的晶體取向、微觀組織和成分分布。所用的腐蝕劑為4g CuSO4+10mL HCl+20mL H2O。采用超聲脈沖回波法對(duì)3個(gè)方向試樣的縱波聲速和聲衰減系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。探頭晶片直徑6mm，標(biāo)稱(chēng)中心頻率為10MHz，沿片狀試樣平面法向入射。采用Olympus-5800型超聲脈沖發(fā)射接收儀和DPO-4032數(shù)字示波器進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射與采集。

圖1 DZ444合金片狀試樣切割示意圖Fig.1 Schematic diagram of DZ444 superalloy sheet specimens

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同方向試樣晶體取向分析

為了確認(rèn)DZ444定向凝固鎳基高溫合金鑄態(tài)試樣的生長(zhǎng)方向，防止產(chǎn)生較大的角度偏離影響后續(xù)測(cè)試，分別利用XRD和EBSD對(duì)0°方向試樣進(jìn)行測(cè)定，并與45°和90°方向試樣進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2和圖3所示，0°方向試樣X(jué)RD譜只有(001)晶面對(duì)應(yīng)的衍射峰，即該試樣平面法向?qū)?yīng)晶向?yàn)閇001]，與圖3(a)中EBSD反極圖顯示結(jié)果一致。歐拉角測(cè)定表明，晶粒間取向差別很小，都分布在[001]周?chē)畲蠼嵌绕罴s為6°。利用Y(或X)方向的晶粒取向分布圖可以對(duì)0°方向試樣的晶粒尺寸進(jìn)行測(cè)量，如圖3(c)所示，柱狀晶粒橫截面直徑約為300μm，且X方向晶粒取向無(wú)擇優(yōu)分布，表現(xiàn)為多晶特征。

圖2 DZ444合金不同方向試樣X(jué)RD譜Fig.2 XRD spectra of DZ444 superalloy specimens in different directions

圖3 DZ444試樣EBSD分析 (a)0°，45°，90° 3個(gè)方向試樣反極圖；(b)0°試樣Z向晶粒取向分布圖；(c)0°試樣X(jué)向晶粒取向分布圖Fig.3 EBSD analysis for DZ444 specimens (a)inverse pole figure(IPF) of specimens in 0°,45°,90° directions respectively;(b)grain orientation distribution in Z direction of 0° specimen;(c)grain orientation distribution in X direction of 0° specimen

45°與90°方向試樣的XRD結(jié)果相似，但與0°方向試樣明顯不同：前兩者均有兩個(gè)衍射峰，分別對(duì)應(yīng)(111)和(001)晶面，且衍射峰強(qiáng)度明顯低于0°方向(001)晶面衍射峰，即使是(111)晶面衍射峰，其峰強(qiáng)也僅為0°方向(001)晶面衍射峰的1/2。這說(shuō)明由于與凝固方向偏離一定角度，擇優(yōu)生長(zhǎng)已經(jīng)不再存在。進(jìn)一步利用EBSD對(duì)上述3個(gè)方向試樣進(jìn)行分析，測(cè)試區(qū)域約為1mm2。由圖3(a)可以看出，45°方向試樣晶粒取向在X/Y方向隨機(jī)分布，無(wú)明顯擇優(yōu)取向，但在Z方向存在一定的擇優(yōu)取向，傾向于沿[111]方向，與圖2中XRD結(jié)果一致。同時(shí)也可看出，90°方向試樣的晶粒在X方向存在擇優(yōu)取向，沿[001]方向，即定向凝固方向，而在Z/Y方向上擇優(yōu)取向并不明顯，與圖2的XRD結(jié)果有所不同，原因可能主要在于XRD和EBSD的測(cè)試范圍與位置稍有差別，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果稍有不同。需要指出的是，兩種技術(shù)提供的取向分布僅反映了樣品表面的信息，厚度方向情況仍需進(jìn)一步分析。

2.2 微觀組織和成分分析

圖4為3個(gè)方向試樣的金相組織圖。如圖4(a)所示，0°方向試樣為十字枝晶組織，一次枝晶干、二次枝晶干區(qū)域較亮，枝晶間較暗，部分枝晶相互平行；圖4(c)中90°方向試樣同樣表現(xiàn)出典型的枝晶形態(tài)，枝晶干相互平行，與0°方向試樣具有很好的對(duì)應(yīng)性。超聲波的傳播行為尤其是散射衰減嚴(yán)重依賴(lài)于散射體與超聲波波長(zhǎng)的比值，從而對(duì)應(yīng)不同的內(nèi)在機(jī)制[10]，因此，必須對(duì)如枝晶、第二相等的幾何尺寸進(jìn)行表征。對(duì)枝晶臂間距測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，一次枝晶臂間距約為367μm，二次枝晶臂間距約為33μm。對(duì)于45°方向試樣(圖4(b))，組織為十字枝晶的45°截面，呈菱形規(guī)則分布。利用SEM觀察枝晶干與枝晶間的微觀特征，如圖5所示，兩者微觀組織差異較大。其中，枝晶干微觀組織較為均勻，沉淀相γ′平均尺寸約為0.3μm，近似呈正方形均勻分布在基體相γ中(圖5(a))，而枝晶間γ′相的尺寸與分布都不太均勻(圖5(b))，γ′相最大尺寸接近0.5μm，一部分呈正方形，另一部分呈蝶狀。同時(shí)，枝晶間也存在少量碳化物、縮松及粗大的花瓣?duì)罟簿ЫM織(圖5(c),(d))。

圖4 DZ444不同方向試樣的金相組織 (a)0°；(b)45°；(c)90°Fig.4 Metallography microstructures of DZ444 specimens in different directions (a)0°;(b)45°;(c)90°

圖5 DZ444合金微觀組織 (a)枝晶干；(b)枝晶間；(c)共晶；(d)縮孔和碳化物Fig.5 Microstructures of DZ444 alloy (a)dendritic arm;(b)interdendritic;(c)eutectic;(d)shrinkage and carbide

合金凝固過(guò)程中容易發(fā)生枝晶偏析，對(duì)0°方向試樣枝晶組織的化學(xué)成分進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如表1所示。W元素在枝晶干偏聚，含量比枝晶間高出3.81%；Mo,Ti元素則在枝晶間偏聚。研究表明，Mo是有效的固溶強(qiáng)化元素，能夠降低合金層錯(cuò)能，從而提高持久性能[14]；Ti是MC類(lèi)型碳化物形成元素，促進(jìn)MC析出，起到晶界強(qiáng)化的作用[15]。這些元素含量的差別導(dǎo)致枝晶間和枝晶干耐腐蝕能力不同進(jìn)而造成襯度的不同，同時(shí)，上述組織特征也會(huì)在不同程度上影響超聲波的傳播行為。

表1 DZ444合金一次枝晶干與枝晶間成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Compositions of dendrite arm and interdendritic in DZ444 alloy (mass fraction/%)

2.3 時(shí)域頻域聲學(xué)特性

材料的聲學(xué)特性是材料超聲無(wú)損評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。其中，縱波聲速v和聲衰減系數(shù)α可通過(guò)時(shí)域信號(hào)計(jì)算得到：

(1)

(2)

式中：d為試樣厚度;Δt為兩次底面回波的聲時(shí)差；A1和A2分別為一次底面回波與二次底面回波的幅度，對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果如圖6所示。不同方向試樣對(duì)應(yīng)的縱波聲速差別較大，0°方向試樣的聲速最小，約為5533m/s，45°方向試樣的聲速最大，約為6595m/s，較0°方向試樣高出約19%，而90°方向試樣聲速大小居中，約為5634m/s。聲衰減系數(shù)變化規(guī)律卻明顯不同，隨著φ的增大而逐漸增大，0°方向試樣的聲衰減系數(shù)最小，90°方向試樣的聲衰減系數(shù)最大，兩者差值約為0.19dB/mm。

圖6 DZ444三個(gè)方向試樣的聲速和聲衰減系數(shù)Fig.6 Wave velocity and attenuation coefficient of DZ444 specimens in three directions

頻域聲學(xué)信息同樣可以加深對(duì)材料特性的理解。通過(guò)傅里葉變換得到的幅度譜(圖7)及在此基礎(chǔ)上定義的表觀積分背散射系數(shù)在一些研究中已經(jīng)被證實(shí)行之有效[16]。這里借鑒后者思路，利用一次底面回波和二次底面回波的功率譜在有效頻帶內(nèi)的面積差值與有效頻帶值作比，反映不同頻率成分能量衰減的分布情況，獲得表觀積分反射系數(shù)(apparent integral reflection coefficient,AIR)，如圖8(a)所示。對(duì)10MHz檢測(cè)頻率下表面回波及一次底波的幅度譜進(jìn)行分析(圖7)，發(fā)現(xiàn)3個(gè)方向試樣的一次底波幅值和主頻較表面回波有明顯變化，定量提取一次底波相對(duì)于表面回波的主頻偏移量、幅值差值連同AIR一并作于圖8(b)，可以看出三者均隨φ的增大而增大，其中90°方向主頻偏移較0°方向增加了約0.63MHz，達(dá)5倍之多。

圖7 DZ444三個(gè)方向試樣的超聲表面回波與一次底波幅度譜Fig.7 Amplitude spectra of ultrasonic surface echo and 1st backwall echo

2.4 聲學(xué)特性各向異性機(jī)制討論

圖9 45°方向試樣晶體取向分布示意圖Fig.9 Schematic diagram of crystal orientation distribution of 45° specimen

超聲波在材料中的衰減主要包括散射衰減和吸收衰減[10]。其中，多晶金屬的聲衰減主要為散射衰減，體現(xiàn)了聲傳播過(guò)程中異質(zhì)界面對(duì)聲能的散射消耗。單晶金屬衰減與上述又有所不同，原因是晶界(或相界)數(shù)量明顯減少，主要體現(xiàn)為吸收衰減，反映聲波在晶粒內(nèi)部傳播過(guò)程中的弛豫。對(duì)于鎳基高溫合金又有所不同，原因在于其中含有大量微小的γ′相。按照經(jīng)典散射理論，微米級(jí)聲阻抗界面尺寸遠(yuǎn)小于毫米級(jí)超聲波波長(zhǎng)，單個(gè)粒子的影響可以忽略不計(jì)，但大量粒子對(duì)散射衰減的貢獻(xiàn)仍須考慮[8]。因此，鎳基高溫合金單晶的聲衰減應(yīng)為吸收衰減和散射衰減之和(為后續(xù)方便，這里統(tǒng)稱(chēng)為單晶衰減)。溫仲元等[12]發(fā)現(xiàn)鎳基高溫合金單晶中縱波聲衰減系數(shù)呈各向異性，前期針對(duì)粗晶奧氏體不銹鋼單個(gè)晶粒的研究也同樣證實(shí)[20]，[111]取向晶粒的聲衰減系數(shù)最小，[001]最大，[101]居中。這里0°方向試樣雖然存在與超聲波傳播方向平行的縱向晶界，但對(duì)聲傳播行為影響較小，與單晶[001]取向接近，因此時(shí)域聲衰減系數(shù)為0.43dB/mm，頻域?qū)?yīng)的主頻偏移、幅值差值和AIR(圖8(b))均體現(xiàn)為單個(gè)晶粒的貢獻(xiàn)。

90°和45°方向試樣則必須考慮晶界的影響。如上所述，90°方向試樣單位聲程內(nèi)枝晶數(shù)目最多，是多個(gè)取向隨機(jī)分布晶粒的綜合行為，在各自單晶衰減的基礎(chǔ)上，時(shí)域和頻域聲衰減參量較0°方向均有明顯增加，說(shuō)明90°方向試樣在吸收衰減降低的同時(shí)晶界散射衰減貢獻(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng)，提高了整體衰減系數(shù)。與之相比，45°方向試樣的衰減反映了近[101]和[111]方向的單晶衰減和多晶的散射衰減，吸收衰減比例雖有所增加，但由于單位聲程內(nèi)枝晶數(shù)目減少，聲波相對(duì)于晶界的入射角度變?yōu)?5°，聲能損失程度降低，對(duì)散射衰減的貢獻(xiàn)減小，因此兩者之和相對(duì)于0°方向增加幅度不大，總體低于90°方向。

進(jìn)一步對(duì)頻域衰減特性進(jìn)行分析，圖8(b)中主頻偏移量、幅值差值、AIR與上述時(shí)域聲衰減系數(shù)的演變規(guī)律一致，但不同頻率成分的衰減程度卻有所差別，以90°方向試樣高頻衰減最為嚴(yán)重，表現(xiàn)為主頻偏移最大，約0.75MHz?？偨Y(jié)可知，不同方向試樣聲衰減特性變化實(shí)質(zhì)反映了單個(gè)晶粒衰減(包括吸收衰減和第二相粒子的散射衰減)和多個(gè)晶粒散射衰減控制機(jī)制的過(guò)渡與轉(zhuǎn)變，歸因于柱狀晶特殊的晶粒取向分布和晶界結(jié)構(gòu)特征。著眼于鎳基合金關(guān)鍵構(gòu)件的高性能制造和服役安全，必須綜合考慮材料組織形態(tài)、構(gòu)件幾何形狀的差異，根據(jù)聲傳播行為尤其是聲學(xué)性能之間的差異制定相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，才能實(shí)現(xiàn)有效的質(zhì)量檢測(cè)和性能評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

(1)DZ444定向凝固鎳基高溫合金0°方向試樣的晶粒取向均為[001]，晶粒間取向差角小于6°，柱狀晶粒橫截面直徑約為300μm，垂直凝固方向上晶粒取向無(wú)擇優(yōu)分布。

(3)隨著φ的增加，DZ444合金的時(shí)域聲衰減系數(shù)和頻域主頻偏移、幅值差值以及表觀積分反射系數(shù)均隨之增加，原因在于0°方向主要是單晶衰減，包括吸收衰減和第二相粒子的散射衰減，而45°與90°方向合金中晶界散射衰減的貢獻(xiàn)逐漸增強(qiáng)。

(4)DZ444合金聲學(xué)特性的各向異性反映了單晶衰減和多個(gè)晶粒散射衰減控制機(jī)制的過(guò)渡與轉(zhuǎn)變，歸因于柱狀晶特殊的晶粒取向分布和晶界結(jié)構(gòu)特征，這與單晶合金聲學(xué)特性各向異性具有本質(zhì)不同。