張龍飛,燕 平,趙京晨,曾 強,韓鳳奎

(鋼鐵研究總院,北京 100081)

凝固方向對單晶高溫合金枝晶組織的影響

張龍飛,燕 平,趙京晨,曾 強,韓鳳奎

(鋼鐵研究總院,北京 100081)

用籽晶法制備了沿不同晶體取向凝固的鎳基單晶高溫合金試樣,研究了單晶中枝晶形貌和一次枝晶臂距隨凝固取向的變化規(guī)律。結果表明:凝固方向偏離[001]取向小于15°時,枝晶排列比較規(guī)則,一次枝晶臂距隨偏離角度增大而減小;偏離角度為25°時,部分二次枝晶臂阻斷了相鄰一次枝晶干的生長,導致一次枝晶臂距增大。沿[011]和[111]取向凝固的單晶中由于分別存在2個和3個擇優(yōu)生長的枝晶干,發(fā)展出了復雜的枝晶形態(tài)。

鎳基單晶高溫合金;凝固方向;枝晶形態(tài);一次枝晶臂距

通過定向凝固工藝鑄造的單晶高溫合金由于具有優(yōu)異的抗蠕變性能和抗疲勞性能,如今在航空發(fā)動機,尤其是渦輪葉片上的應用十分廣泛[1,2]。然而單晶高溫合金并非一般意義上的單晶,在定向凝固時,由于元素偏析造成的成分過冷將導致樹枝晶的形成[3]。枝晶形態(tài)以及枝晶臂距是影響合金組織中的溶質元素偏聚以及枝晶間第二相尺寸和共晶相數(shù)量的重要因素,因而對合金性能存在影響。對于同一成分的合金,定向凝固組織中的一次枝晶臂距λ1由凝固速率R和凝固界面溫度梯度GL控制,通常表示為λ1對于大多數(shù)高溫合金而言,m≈ -0.25,n≈-0.5[6-8]。然而由于枝晶生長具有鮮明的晶體學特征,定向凝固方向的晶體學取向將影響枝晶形態(tài)以及枝晶間距。有研究表明,在鎳基單晶高溫合金中,凝固方向偏離[001]取向將導致枝晶的二次分枝不對稱[9],不對稱程度隨一維擇優(yōu)的[001]取向與定向凝固方向偏離角度的增大而增大。在一個包含凝固方向偏離角度θ0的一次枝晶臂距模型中[10],研究計算得出,一維擇優(yōu)的[001]取向與宏觀定向凝固方向偏離越遠,一次枝晶臂距越小。另有研究表明[11],沿[001],[011]和[111]取向凝固的單晶高溫合金中,枝晶形態(tài)表現(xiàn)出了明顯的差異,且一次枝晶臂距隨這三個取向依次增大。這些研究表明,凝固方向對枝晶的生長形態(tài)存在明顯影響,然而在分析凝固方向對一次枝晶臂距的影響時,卻忽略了枝晶形態(tài)的改變有可能對一次枝晶臂距造成的影響。另外,對于沿[011]和[111]取向凝固的合金,還需進一步研究枝晶形態(tài)的形成過程。本工作以一種鑄造單晶高溫合金為基礎,研究了沿不同晶體取向凝固的單晶高溫合金中的枝晶生長形態(tài)及一次枝晶臂距的變化規(guī)律。

1 試樣制備與實驗方法

實驗材料采用一種現(xiàn)役的一代鎳基單晶高溫合金,其化學成分(質量分數(shù)/%)為Cr8-Co5.5-Mo2.25-W5-Al6-Ti2-Ta3.5-Ni余。在選晶法制備出的[001]取向的單晶試樣中加工出6種具有不同晶體取向的籽晶(尺寸為φ5mm×15mm),其軸向的晶體取向分別如圖1中a～f所示,其中,a為[001]取向;b,c,d介于[001]取向與[011]取向之間,且與[001]的取向差分別為 7°,15°和25°;e為[011]取向;f為[111]取向。在真空定向凝固D-N爐中通過底部籽晶法分別制備出6種對應取向的圓柱狀單晶試棒(φ14mm×160mm),凝固方向沿籽晶的軸向,并與試棒軸向重合。各試棒凝固參數(shù)均一致。

用25%H2O2+75%HCl對所有鑄態(tài)試棒表面進行低倍腐蝕,以保證實驗用試樣全為單晶。根據(jù)單晶定向切割的方法[12],確定單晶試樣中各(100)晶面的空間方位,并參考凝固方向(S.D.)進行晶體取向坐標約定 ,如圖 2 所示(圖 2(a)中θ分別取 0°,7°,15°和25°),然后在各取向的試樣中分別切割出如圖所示的對應晶面。對每個解剖面進行金相打磨與拋光,使用12%H3PO4+48%H2SO4+40%HNO3進行電解腐蝕,最后在LEICA金相顯微鏡下觀察單晶試樣在各解剖面上的枝晶形態(tài),并使用LEICA MEF4A定量顯微圖像儀統(tǒng)計不同取向試樣在(001)面上的一次枝晶臂距。

圖1 籽晶(a～f)軸向在立方晶系中的取向方位Fig.1 The orientations of seeds(a-f)in the cube system

圖2 各取向單晶試樣對應的坐標約定與切割方式(a)凝固方向偏離[001]取向θ角的單晶;(b)凝固方向沿[011]取向的單晶;(c)凝固方向沿[111]取向的單晶Fig.2 Coordinate assumption and cutting patterns for different orientated crystals(a)crystals solidified with deviation degreesθto[001];(b)crystal solidified in[011];(c)crystal solidified in[111]

2 實驗結果

2.1 枝晶形態(tài)觀察

2.1.1 凝固方向沿[001]取向的單晶

沿[001]取向凝固的單晶試樣在(001)橫截面、(010)和(100)縱截面上的枝晶形態(tài)如圖3所示。在(001)橫截面上,枝晶形貌呈現(xiàn)出了對稱的十字花瓣形態(tài)。在(010)和(100)縱截面上,枝晶形態(tài)基本相同。一次枝晶干平行于凝固方向排列,枝晶干排列間距均勻,二次枝晶基本關于枝晶干對稱分布。

圖3 沿[001]取向凝固的單晶在各{100}面上的枝晶形態(tài)(a)(001)橫截面;(b)(100)縱截面;(c)(010)縱截面Fig.3 Dendritic morphology of crystal solidified in[001]orientation(a)transverse(001)facet;(b)longitudinal(100)facet;(c)longitudinal(010)facet

2.1.2 凝固方向偏離[001]取向一定角度的單晶

圖4是凝固方向分別偏離[001]取向7°,15°和25°的單晶試樣在各解剖面上的枝晶形貌。在(001)面上,隨著偏離角度的增大,枝晶形態(tài)的不對稱性增加,表現(xiàn)在沿[010]方向的二次枝晶臂在相對伸長,并且在伸長的二次枝晶臂上長出的三次枝晶的數(shù)量也在增多。當偏離角度達到25°時,枝晶呈現(xiàn)出高度的分枝形態(tài),[010]二次枝晶臂延伸范圍大且三次枝晶數(shù)量眾多。而在(010)面上,這3種不同凝固方向的單晶卻表現(xiàn)出了基本相同的枝晶形態(tài),一次枝晶干排列均勻,枝晶干兩側的二次枝晶臂基本對稱分布。在(100)面上,隨著偏離角度的增加,一次枝晶干逐漸偏離凝固方向,并且兩者之間的夾角大小,正好反映出了凝固方向偏離[001]取向的角度大小,這說明枝晶臂的生長方向與凝固方向無關。另外,該面上同樣表現(xiàn)出了二次分支的不對稱性。特別是在偏離角度為25°的試樣中,(100)面上出現(xiàn)了二次枝晶臂阻斷相鄰一次枝晶干生長的現(xiàn)象(A區(qū)域),導致一次枝晶干的分布間距變得極不均勻。

圖4 凝固方向偏離[001]一定角度的單晶在各{100}晶面上的枝晶形態(tài)(a)(001)面;(b)(010)面 ;(c)(100)面Fig.4 Dendritic morphology at{100}facets in crystals solidified in directions deviated from[001](a)(001)facet;(b)(010)facet;(c)(100)facet

2.1.3 凝固方向沿[011]取向的單晶

沿[011]取向凝固的單晶在各解剖面上的枝晶形貌如圖5所示。在(011)橫截面上(圖5(a)),枝晶沿方向排列成共線的枝晶列,且枝晶列之間相互平行;在(010)晶面上(圖5(b)),存在兩種形態(tài)的平行枝晶列,一部分枝晶列由連續(xù)的[001]枝晶干構成,而另一部分枝晶列中的相鄰枝晶雖然沿[001]方向共線排列,但是枝晶之間相互分立;在(100)晶面上(圖 5(c)),枝晶干分別沿[010]取向和[001]取向生長,沿凝固方向呈二維平面擴展形態(tài),枝晶主干上的二次枝晶臂呈單側分布且朝向均靠近凝固方向,而且部分二次枝晶還發(fā)展成了枝晶干。枝晶干沿(100)晶面的平面發(fā)展形態(tài)使得(011)面上的枝晶呈共線排列,而枝晶干沿[010]取向生長的枝晶在(010)面內則表現(xiàn)出分立的枝晶形態(tài)。

2.1.4 凝固方向沿[111]取向的單晶

沿[111]取向凝固的單晶在各解剖面上的枝晶形貌如圖6所示。在(111)橫截面上(圖6(a)),單個枝晶呈剪刀狀,兩個枝晶臂之間的夾角約為60°。剪刀狀的枝晶按枝晶臂方位的不同可以劃分為三種不同的形態(tài),并且勾畫出了相互嵌套的正三角形輪廓。在(010)晶面上(圖6(b)),兩個垂直方向上的枝晶干相互交截,沿晶面形成了二維平面擴展的枝晶干網絡,枝晶干上的二次枝晶單側排列,朝向均靠近凝固方向。(100)晶面上(圖6(c))同樣呈現(xiàn)出這種平面狀的枝晶網絡。進一步解剖還發(fā)現(xiàn),(001)晶面上也具有類似的枝晶形態(tài)。三個{100}晶面上的平面狀枝晶網絡相互垂直交截,因此在(111)橫截面上形成了正三角形的枝晶輪廓。

2.2 一次枝晶臂距

由5和圖6可見,當凝固方向沿[011]和[111]取向時,由于不同取向上枝晶干的存在和它們之間的相互交截,枝晶組織中已經不存在貫穿于凝固方向的一次枝晶干,因此在這兩種試樣中已經失去了測量一次枝晶臂距的意義。

在沿[001]取向凝固以及凝固方向偏離[001]取向7°,15°和 25°的試樣中 ,測得在(001)面上的一次枝晶臂距(PDAS)隨偏離角度的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可以看出,當偏離角度在15°以內時,一次枝晶臂距先隨著偏離角度的增大而減小,然而當偏離角度增大到25°時,一次枝晶臂距卻又再度增加。

圖7 凝固方向對一次枝晶臂距的影響Fig.7 Influence of solidification direction on PDAS

3 分析與討論

當凝固方向沿[001]取向時,由于[001]取向上的枝晶臂與凝固方向重合,其凝固潛熱散失快,且枝晶凝固前沿溶質濃度梯度大,因此快速生長成為一次枝晶干,并隨著成分過冷的進一步加大,一次枝晶干側面生長出二次枝晶臂。由于二次枝晶臂與凝固方向垂直,凝固潛熱散失緩慢,且受到枝晶間的高溶質濃度的影響,因此生長緩慢。當凝固方向沿[011]取向時,[001]和[010]取向上的枝晶臂與凝固方向的夾角均為45°,具有相同的溫度梯度優(yōu)勢,從而均能生長成枝晶干。當兩者在凝固過程中相遇時,生長稍快的一方排出的溶質一部分排向了生長稍慢一方的凝固前沿,導致后者生長受阻而被湮沒[4],因此枝晶干呈現(xiàn)相互交截的形態(tài)。另外,枝晶干上與凝固方向夾角為45°的二次枝晶臂具有與原枝晶干相同的溫度梯度優(yōu)勢,當其生長不受相鄰枝晶臂的影響時,也能發(fā)展成為枝晶干,導致了枝晶干呈現(xiàn)相互衍生的形態(tài)。于是在(100)晶面上,兩種取向的枝晶干相互交截與衍生,呈二維平面擴展,而與凝固方向垂直的[100]枝晶臂則依然發(fā)展成為短小的二次枝晶。當凝固方向沿[111]取向時,三個〈001〉取向上的枝晶臂與凝固方向的夾角相同,從而具有相同的生長優(yōu)勢,因此在三個{100}晶面內,均有兩個相互垂直的枝晶干相互交截和衍生,從而都形成了沿晶面發(fā)展的枝晶干網絡,它們之間的相互穿插,使得沿[111]取向凝固的單晶中形成了六面體形的“籠狀”枝晶結構[11]。沿[001],[011]和[111]取向凝固的單晶,其枝晶形態(tài)的演變如圖8所示。

圖8 枝晶形態(tài)隨凝固方向變化的演變示意圖(a)凝固方向為[001];(b)凝固方向為[011];(c)凝固方向為[111]Fig.8 Schematic drawings of dendritic morphology evolution with different solidification directions(a)S.D.=[001];(b)S.D.=[011];(c)S.D.=[111]

當凝固方向逐漸偏離[001]且偏向[011]取向時,[001]取向上的枝晶臂受到溫度梯度場的作用依然最大,仍快速生長成為一次枝晶干,然而此時[010]取向上的枝晶臂也將受到部分溫度梯度的作用,具有一定的生長優(yōu)勢。隨偏離角度的增大,[010]二次枝晶臂具有的生長優(yōu)勢加大,從而能延伸更遠,三次枝晶的數(shù)量也隨之增多。偏離角度在15°以內時,二次枝晶臂的延伸不足以干擾相鄰一次枝晶干的生長,因此基本保持了沿[001]取向凝固時的枝晶形態(tài)。但是當偏離角度為25°時,過長的二次枝晶臂和大量三次枝晶在凝固時排除的溶質阻礙了相鄰一次枝晶干的生長,導致一次枝晶干被淹沒。

一次枝晶干的湮滅很可能會對單晶高溫合金的性能帶來不利影響:當凝固進行時,在被阻斷的一次枝晶干前端將形成一個由枝晶臂包圍的枝晶間區(qū)域(如圖4(c)中的A區(qū)域)。在這個幾近封閉的區(qū)域內,大量的γ′形成元素將不能有效地擴散至液相而在此濃集,增大了枝晶間的偏析程度,最終在該區(qū)域形成粗大且形狀不規(guī)則的γ′相和數(shù)量眾多的γ/γ′共晶相,導致隨后的固溶處理不能有效地對這一區(qū)域進行均勻化,成為單晶高溫合金的性能薄弱區(qū)。

文獻[10]建立了一種包含了非對稱因素θ0的一次枝晶臂距模型,并計算得出一次枝晶臂距隨θ0的增大而變小。從實驗結果來看,凝固方向偏離[001]取向在15°以內的單晶,一次枝晶臂距隨偏離角度的增大而變小,與這一計算模型是吻合的。但是當偏離角度增大到25°時,測得的一次枝晶臂距卻反而增大。從枝晶形態(tài)的分析可知,這是因為單晶沿該方向凝固時,部分一次枝晶干被二次枝晶淹沒,所以導致了一次枝晶臂距的增大。因此,對于文獻[10]所建立的一次枝晶臂距模型,在應用時需考慮到枝晶形態(tài)改變對一次枝晶臂距造成的影響。

4 結論

(1)按[001]取向凝固的單晶中,只存在沿一種方向的枝晶干,枝晶干上的二次分支對稱分布,形態(tài)短小;按[011]取向凝固生長的單晶中,[001]和[010]取向上的枝晶干相互垂直交截和衍生,使得枝晶沿(100)晶面呈現(xiàn)平面發(fā)展的形態(tài);按[111]取向凝固生長的單晶中,三個〈001〉取向上的枝晶干的相互垂直交截和衍生,使得枝晶發(fā)展出了六面體形的籠狀枝晶結構。

(2)凝固方向偏離[001]取向在15°以內時,一次枝晶臂距隨偏離角度的增大而減小;偏離角度為25°時,一次枝晶干受到部分二次枝晶臂生長的阻礙而被淹沒,使得一次枝晶臂距增大。

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Influence of the Solidification Directions on Dendritic Structures in a Single Crystal Superalloy

ZHANG Long-fei,YAN Ping,ZHAO Jing-chen,ZENG Qiang,HAN Feng-kui
(Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China)

In order to investigate the effect of solidification direction on dendritic morphology and primary dendritic arm spacing(PDAS)in Ni-based single crystal superalloy,seeding technique was applied to obtain the single crystal samples solidified in different orientations.The results indicated that when the deviation degrees from solidification direction to[001]orientation were within 15°,dendrite morphology kept regular and primary dendritic arm spacing declined with deviation degrees increasing;excessively long secondary dendritic arms blocked the growth of vicinal primary dendritic arm when deviation degrees were up to 25°,leading to increase in PDAS.Owing to 2 and 3 dendritic arms orientated in preferential growth direction in crystals solidified in[011]and[111]orientation respectively,complex dendritic configurations are formed.

Ni-based single crystal superalloy;solidification direction;dendritic morphology;primary dendritic arm spacing

TG132.3

A

1001-4381(2011)06-0067-05

2010-11-01;

2011-03-15

張龍飛(1985—),男,工學碩士,研究方向為鑄造單晶高溫合金,聯(lián)系地址:北京市海淀區(qū)學院南路76號鋼鐵研究總院高溫材料研究所(100081),E-mail:zhanglf101@163.com