鎳基單晶高溫合金對(duì)接平臺(tái)內(nèi)的微觀組織及缺陷形成

霍苗，趙惠，張可人

精密鑄造

鎳基單晶高溫合金對(duì)接平臺(tái)內(nèi)的微觀組織及缺陷形成

霍苗，趙惠，張可人

（西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065）

針對(duì)噴嘴導(dǎo)葉和雙聯(lián)導(dǎo)葉等對(duì)接結(jié)構(gòu)單晶鑄件內(nèi)容易產(chǎn)生凝固缺陷的問題，研究定向凝固過程中對(duì)接平臺(tái)內(nèi)枝晶的生長(zhǎng)行為、取向演化和凝固缺陷形成機(jī)制。在不同抽拉速率下制備具有對(duì)接結(jié)構(gòu)的鎳基單晶高溫合金鑄件，采用實(shí)驗(yàn)與ProCAST有限元模擬相結(jié)合的方法，研究抽拉速率對(duì)鎳基單晶高溫合金對(duì)接平臺(tái)內(nèi)微觀組織的影響，分析平臺(tái)內(nèi)凝固缺陷的形成機(jī)理。當(dāng)抽拉速率較低時(shí)，平臺(tái)內(nèi)枝晶生長(zhǎng)規(guī)則，基本無凝固缺陷；隨著抽拉速率的增大，平臺(tái)內(nèi)枝晶出現(xiàn)嚴(yán)重的側(cè)向生長(zhǎng)；當(dāng)抽拉速率達(dá)到150 μm/s時(shí)，平臺(tái)中間區(qū)域形成了碎斷枝晶缺陷。平臺(tái)內(nèi)枝晶生長(zhǎng)與局部的溫度場(chǎng)分布密切相關(guān)，而碎斷枝晶的形成可能是由平臺(tái)內(nèi)部溶質(zhì)富集引起的。

單晶高溫合金；抽拉速率；微觀組織；缺陷形成

鎳基單晶高溫合金由于具備良好的高溫綜合性能，常被用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵熱端部件，如渦輪葉片、導(dǎo)向葉片等[1-4]。為了滿足日益苛刻的服役條件，這些部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，多以中空和突變截面為主要結(jié)構(gòu)特征，這導(dǎo)致在定向凝固過程中鑄件內(nèi)部溫度場(chǎng)分布復(fù)雜，直接影響了局部的枝晶生長(zhǎng)形態(tài)和生長(zhǎng)路徑，并導(dǎo)致了凝固缺陷的形成，進(jìn)而影響了單晶葉片的完整性及其性能，甚至導(dǎo)致葉片報(bào)廢[5-7]。

目前，學(xué)者們的研究對(duì)象仍以渦輪葉片為主，他們針對(duì)緣板位置的枝晶生長(zhǎng)及缺陷形成開展了廣泛研究[8-10]。研究表明，葉片緣板位置及鑄件突變截面處經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)雜晶、小角晶界、條紋晶等凝固缺陷，分析認(rèn)為，這些缺陷和鑄件的幾何結(jié)構(gòu)與溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化有關(guān)，雜晶缺陷是由過冷形核導(dǎo)致的[8]，而小角晶界和條紋晶的形成與局部枝晶變形有關(guān)[9]，各類缺陷的形成機(jī)制和主導(dǎo)因素并不相同。在類似的研究中還發(fā)現(xiàn)了另一種凝固缺陷——碎臂晶，它主要出現(xiàn)在葉片緣板和葉冠的邊角，范圍較大而且有可能在熱處理過程中粗化和長(zhǎng)大[11-12]，引起了研究者們的關(guān)注，但關(guān)于其形成原因并沒有明確解釋。

關(guān)于渦輪葉片的研究比較充分，但關(guān)于導(dǎo)向葉片類對(duì)接結(jié)構(gòu)鑄件（見圖1）的研究卻鮮有報(bào)道。隨著導(dǎo)向葉片單晶化要求的提出及合金承溫能力的提高，凝固組織及缺陷對(duì)合金性能及鑄件的影響不容忽視，因此，對(duì)接結(jié)構(gòu)單晶鑄件內(nèi)的枝晶生長(zhǎng)及缺陷形成逐漸引起了研究者們的關(guān)注[13-14]。文中將采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方式，對(duì)對(duì)接結(jié)構(gòu)鑄件內(nèi)的枝晶生長(zhǎng)展開研究，并針對(duì)抽拉速率這一重要工藝參數(shù)對(duì)平臺(tái)內(nèi)微觀組織的影響進(jìn)行討論，以期為合格對(duì)接結(jié)構(gòu)單晶鑄件的制備提供技術(shù)支持。

圖1 導(dǎo)向葉片

1 實(shí)驗(yàn)和模擬方法

1.1 材料及鑄件模型

所用材料為第2代鎳基單晶高溫合金DD6，其名義成分如表1所示。

表1 DD6合金的成分

Tab.1 Compositions of DD6 alloy wt.%

根據(jù)噴嘴導(dǎo)葉和多聯(lián)導(dǎo)葉的對(duì)接結(jié)構(gòu)特征，文中設(shè)計(jì)了一種類似于該類鑄件的對(duì)接平臺(tái)模型。鑄型主要由起晶段、選晶段、模型鑄件、冒口等部分組成，考慮到可能因溫度場(chǎng)不對(duì)稱而引入不確定因素，并且為了減少棱角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)接平臺(tái)采用圓柱形結(jié)構(gòu)，鑄型尺寸如圖2a所示。為了更加全面地分析平臺(tái)內(nèi)枝晶的生長(zhǎng)情況，分別對(duì)平臺(tái)（見圖2b）進(jìn)行縱切（見圖2c）和橫切。為了便于表述，將平臺(tái)分為3個(gè)區(qū)域，分別標(biāo)為區(qū)、區(qū)和區(qū)，如圖2c所示。

文中采用定向凝固技術(shù)制備單晶鑄件，參照工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)，文中分別在60、75、100、150 μm/s抽拉速率下進(jìn)行單晶制備。

1.2 模擬及參數(shù)設(shè)置

ProCAST模擬是一種比較成熟的、用于模擬鑄造過程的有限元分析技術(shù)，可以對(duì)凝固過程的熱場(chǎng)、流場(chǎng)、熱場(chǎng)–應(yīng)力場(chǎng)及熱場(chǎng)–流場(chǎng)–應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算。文中采用該技術(shù)對(duì)鑄件凝固過程中的溫度場(chǎng)演化過程進(jìn)行模擬。ProCAST軟件的主要模塊包括：MeshCAST模塊，用來建立幾何體的有限元模型；PreCAST模塊，用來設(shè)置參數(shù)（材料熱物性、初始條件及邊界條件等）；DataCAST模塊，用來將設(shè)置條件轉(zhuǎn)化為該軟件可讀取的文件；ProCAST模塊，用來進(jìn)行求解計(jì)算；ViewCAST模塊，用來進(jìn)行最后的結(jié)果輸出。

圖2 對(duì)接平臺(tái)單晶鑄件試樣(a)、平臺(tái)(b)及其縱（zx）切割面分區(qū)示意圖(c)

首先，采用Pro/Engineer三維繪圖軟件構(gòu)建模型，定向凝固爐體及鑄件均按照1︰1比例繪制；其次，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了減少計(jì)算量，爐體和鑄件需要分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，爐體模型采用二維面網(wǎng)格進(jìn)行剖分；最后，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和模擬過程。文中所用的定向凝固爐可以看作封閉的絕熱真空空間，爐體的加熱系統(tǒng)、隔熱擋板區(qū)和水冷系統(tǒng)可以處理為封閉的曲面集合，以便于進(jìn)行輻射換熱計(jì)算，爐體的網(wǎng)格模型如圖3所示。為了更加準(zhǔn)確地獲得鑄件的模擬結(jié)果，鑄件及模殼模型則需要進(jìn)行三維體網(wǎng)格剖分，其網(wǎng)格模型如圖3b所示。由于爐體與鑄件不接觸，傳熱以熱輻射為主，鑄件及模殼與爐體進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)實(shí)際的抽拉動(dòng)作。模擬過程中的主要參數(shù)如表2所示，其中合金與陶瓷模殼、合金與水冷銅板、陶瓷模殼與水冷板之間的傳熱系數(shù)分別為1000、3000、20 W/(m2×K)。

圖3 定向凝固系統(tǒng)有限元網(wǎng)格模型（a）及鑄件網(wǎng)格模型（b）

表2 凝固過程的模型參數(shù)[15]

Tab.2 Model parameters for solidification process [15]

2 結(jié)果與分析

2.1 平臺(tái)不同區(qū)域的枝晶組織

由于不同高度平臺(tái)內(nèi)枝晶生長(zhǎng)具有相似的規(guī)律，因此文中以最頂端平臺(tái)橫（面）、縱截面（面）內(nèi)的微觀組織為研究對(duì)象進(jìn)行分析。圖4為不同抽拉速率下、不同平臺(tái)區(qū)域（區(qū)、區(qū)和區(qū)）內(nèi)枝晶組織的金相圖?？梢姡谄脚_(tái)兩側(cè)的區(qū)和區(qū)內(nèi)，橫截面內(nèi)的枝晶組織呈現(xiàn)典型的十字型花樣，而且排列整齊（見圖4a、4d、4g、4j），只是隨著抽拉速率的增大，枝晶間距有所減小，這符合棒狀試樣內(nèi)抽拉速率對(duì)枝晶間距的影響規(guī)律[16]，此處不再贅述。在平臺(tái)中間的區(qū)內(nèi)，橫截面內(nèi)的枝晶組織明顯不同于/區(qū)的，枝晶生長(zhǎng)形態(tài)發(fā)生了顯著變化，出現(xiàn)了較發(fā)達(dá)的二次枝晶，該現(xiàn)象為二次枝晶的側(cè)向生長(zhǎng)（見圖4b）。隨著抽拉速率的增大，二次枝晶已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的側(cè)向生長(zhǎng)（見圖4e），由此衍生出的三次枝晶也逐漸發(fā)達(dá)（見圖4h）。當(dāng)抽拉速率進(jìn)一步增大到150 μm/s時(shí)，二次枝晶臂附近出現(xiàn)了尺寸不等的碎斷枝晶，如圖4k所示。由縱截面的金相圖也可以觀察到相同的規(guī)律，即隨著抽拉速率的增大，二次枝晶的側(cè)向生長(zhǎng)越發(fā)嚴(yán)重（見圖4c、4f、4i），直至出現(xiàn)碎斷枝晶（見圖4l）。

在定向凝固過程中，溫度場(chǎng)的分布情況直接影響枝晶形態(tài)的演化行為，而溫度梯度的大小和方向決定著枝晶的生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力，因此文中采用ProCAST軟件對(duì)定向凝固過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。圖5為凝固過程中對(duì)接平臺(tái)內(nèi)總溫度梯度和不同方向（方向、方向和方向）溫度梯度的模擬結(jié)果?？梢?，平臺(tái)兩側(cè)（區(qū)和區(qū)）在方向的溫度梯度較大（見圖5d），因此該區(qū)域的枝晶主要沿著方向生長(zhǎng)，沒有出現(xiàn)側(cè)向生長(zhǎng)現(xiàn)象，從而在橫截面的金相圖上呈現(xiàn)出十字花結(jié)構(gòu)且整齊排列；而平臺(tái)內(nèi)部（區(qū)）沿方向（見圖5b）和方向（見圖5c）的溫度梯度更大，即該區(qū)域的散熱方式以橫向散熱為主，枝晶在橫向上具有更大的生長(zhǎng)動(dòng)力，因此出現(xiàn)了嚴(yán)重的側(cè)向生長(zhǎng)現(xiàn)象，而且隨著抽拉速率的增大，冷卻速率也隨之增大，橫向散熱更為明顯，因此側(cè)向生長(zhǎng)更為嚴(yán)重。

2.2 碎斷枝晶的形成

為了明確碎斷枝晶的取向分布及形成原因，文中采用電子背散射衍射（electron back scattered diffraction，EBSD）技術(shù)對(duì)碎斷枝晶區(qū)域進(jìn)行了局部的取向測(cè)定，結(jié)果如圖6所示。可見，該區(qū)域的枝晶主體仍然沿著[001]方向生長(zhǎng)（圖6中枝晶集中分布區(qū)域），而其衍生碎斷枝晶的取向也圍繞著[001]方向，但是有少量枝晶的取向已經(jīng)嚴(yán)重偏離（圖6中枝晶分布少而分散的區(qū)域），而且分布無規(guī)律性，可以歸為雜晶的范疇。有研究者[15-16]在關(guān)于單晶渦輪葉片的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似缺陷，這些缺陷主要出現(xiàn)在葉片緣板和葉冠的凸出和下垂邊角位置。分析認(rèn)為，這些部位因幾何結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)產(chǎn)生了較大的液體過冷現(xiàn)象，導(dǎo)致枝晶快速生長(zhǎng)形成細(xì)長(zhǎng)枝晶，這些枝晶在之后的粗化和收縮階段會(huì)發(fā)生枝晶熔斷或撕裂，并在周圍各種力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖4）和模擬結(jié)果（見圖5）認(rèn)為，碎斷枝晶的形成可以從以下2個(gè)方面進(jìn)行考慮：（1）在定向凝固過程中，枝晶生長(zhǎng)及缺陷形成均與溫度場(chǎng)分布密切相關(guān)[17-19]，而溫度場(chǎng)的波動(dòng)很容易引發(fā)枝晶熔斷[20]，由于平臺(tái)具有對(duì)接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，平臺(tái)內(nèi)枝晶在方向、方向和方向上的生長(zhǎng)條件不同（見圖4），而且是動(dòng)態(tài)變化的，因此枝晶在平臺(tái)各區(qū)域會(huì)發(fā)生復(fù)雜的形態(tài)演化（見圖3），抽拉速率增大會(huì)加劇這種演化，為碎斷枝晶的出現(xiàn)提供基本的熱力學(xué)條件；（2）隨著抽拉速率的增大，平臺(tái)位置的冷卻速率也會(huì)相應(yīng)增大，因此溶質(zhì)擴(kuò)散的時(shí)間會(huì)減少，平臺(tái)內(nèi)部的區(qū)處于最后凝固區(qū)，更容易發(fā)生溶質(zhì)富集，與此同時(shí)，二次枝上脆弱的三次枝會(huì)因?yàn)闆]有足夠的時(shí)間進(jìn)行充分生長(zhǎng)而被周圍富集的溶質(zhì)侵蝕，而且首先從枝晶根部脫落，如果脫落的枝晶來不及發(fā)生偏轉(zhuǎn)或移動(dòng)，就會(huì)保持與主體枝晶干接近的取向（見圖4k、圖4l），也有少數(shù)枝晶在局部應(yīng)力條件下發(fā)生偏轉(zhuǎn)或移動(dòng)，其取向也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重偏離。

圖4 不同抽拉速率下對(duì)接平臺(tái)內(nèi)各區(qū)域橫縱截面內(nèi)的枝晶組織

圖5 對(duì)接平臺(tái)內(nèi)溫度梯度的模擬結(jié)果

圖6 碎斷枝晶區(qū)域的EBSD測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法，分析了不同抽拉速率下鎳基單晶高溫合金對(duì)接結(jié)構(gòu)鑄件內(nèi)的微觀組織，研究了抽拉速率對(duì)平臺(tái)微觀組織的影響，討論了高速條件下碎斷枝晶的形成原因。獲得的主要結(jié)論如下。

1）對(duì)接平臺(tái)兩側(cè)的枝晶排列整齊而有序，抽拉速率只對(duì)枝晶間距有所影響，符合一般規(guī)律。

2）對(duì)接平臺(tái)中間位置的枝晶生長(zhǎng)形態(tài)明顯不同于兩側(cè)，出現(xiàn)了側(cè)向生長(zhǎng)現(xiàn)象，這是由平臺(tái)位置的橫向散熱引起的，而且隨著抽拉速率的增大，二次枝晶的側(cè)向生長(zhǎng)更為嚴(yán)重，

3）當(dāng)抽拉速率達(dá)到150 μm/s時(shí)，平臺(tái)內(nèi)出現(xiàn)了碎斷枝晶，其形成原因可能與溫度場(chǎng)的波動(dòng)和局部溶質(zhì)富集有關(guān)，仍需開展更加深入的研究。

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Microstructure and Defect Formation in Rejoined Platforms of Ni-based Single Crystal Superalloy

HUO Miao, ZHAO Hui, ZHANG Ke-ren

(School of Materials Science an Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China)

The work aims to research the growth behavior, orientation evolution and solidification defect formation mechanism of dendrite in the rejoined platforms during directional solidification to solve the problem that it is prone to form solidification defects in single crystal castings with rejoined structure such as nozzle guide vanes and double guide vanes. Ni-based single crystal superalloy castings with rejoined structure were prepared under different withdrawal rates. The effects of withdrawal rates on the microstructure in the rejoined platforms of Ni-based single crystal superalloy was investigated by combining experiments and ProCAST finite element simulation. The formation mechanism of solidification defects in the platforms was analyzed. At low withdrawal rates, the dendrites in the platforms were regular and free from solidification defects. With the increase of withdrawal rates, serious lateral growth of dendrites occurred in the platforms. At the withdrawal rate of 150 μm/s, fragmented grains formed in the middle regions of the platforms. The dendrite growth in the platforms is closely related to the local thermal field distribution. The formation of fragmented grains may be caused by the solute enrichment in the platforms.

single crystal superalloy; withdrawal rates; microstructure; defect formation

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.012

TG132.3

A

1674-6457(2022)09-0086-06

2022–03–07

國(guó)家自然科學(xué)基金（5210011310）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2021JQ–604，2021JM–403）；陜西省教育廳科研計(jì)劃（21JC027）；西安市科技計(jì)劃（2020KJRC0100）

霍苗（1983—），女，博士生，主要研究方向?yàn)閱尉Ц邷睾辖鸬闹苽浼叭毕荨?/p>

責(zé)任編輯：蔣紅晨