凝固界面形态对一种镍基单晶高温合金组织和性能的影响

1、凝固界面形态对一种镍基单晶高温合金组织和性能的影响塞.ASTR0NALrrICASIXICAVo1.I3July19g2凝固界面形态对一种镍基单晶高温合金组织和性能的影响郭喜平史正兴傅恒志(西北工业大学403 教研室,西安,710072)孙家华，'c一(冶金部钢铁研究总院,北京,100081)f; 文 .叉THEINFLUENCEOFSoLlD LIQUIDlNTERFACEMoRPHoL0GlESoNTHEMlCRoSTRUCTUREANDMECHANlCALPRoPERTlESoFANlCKEL BASESlNC.山 ECRYSTALSUPERALL0YGuoXi ping,Shl

2、Zheng xlng,YuHeng zhi(Faculty403,NorthzeesternPolytechnicalUniversity,Xian,710072)SunJia hua(CentralIronandSteelResearcInstitde,MinistryofMetallurgicallnd*stry,Beijing,100081)摘要以平界面凝固的一种镍基单晶高温合金组织不含有/共晶而以脆状,粗枝以及细技界面凝固组织中,/含量渐次增多.随着凝固界面形态的转变,尺寸越来越小,形状越来越规则.细技界面凝固的单晶具有最高的持久寿命,粗枝敬之,而脆状界面凝固的单晶具有最短的持久寿命.

3、v关键词望e墨鱼垒，楚堕墨堡臣查，定向凝固，组织!丝AbreactTpapertrescntscstudyoftheinfluenceofthesolid liquiOinterface morphologiesontheas ca,tmlcrosLructureandmechauicalpropertiesofasinglecrystal nickel-basesuperalloy.Theresultsshowthatthereisno/eutticfnthesample solidifiedwithp 】 anarsolid UquidinterfaeFtorDhelegy.%Venthe

4、solid liquidinterface morphologyisturnedintoeelluax,thencoarsedendritic,andfinallyfinedendriticones, theamountof/eutecticbecomesmoreandfilere,thesizeofsmallerandsm a llor,andtheshapof1noEoand1ridgeregular-Thesamplesolidifiedwithfinedendritic solidliquidinterfaceinorDhelegyhasthelongestruptufelife,he

5、samplewithc0ar吕 e deadritiesolid Iquidinterfacemorpholosyhashassocondlongestrupturelife,and theeelluarsructurehastheshotte*trupturelife.Keyword8in8kcrystalsuperalloyJsolidliquidinterfacemorphology,dircefinnalsolidif fcation,miros*ructureandmechanicalpropcxty1991 年 2 月 9日收蓟 ,1991 年 6月 15日收到修改稿国家自然科学基

6、金资助课题期月第洱嘴第 n 0第 7 期韩喜平等凝固界面形志对一种镍基单晶高温台盎组织和性能的影响单晶高温合垒作为一种先进的叶片用材，近年来获得了飞速发展.文献2,3研究了定向凝固时温度梯度及铸型下降速度对单晶高温合金组织和性能的影响.本文采用自制的高温高梯度LMC 定向凝固装置,制取了以平面,胞状,粗枝以及细枝界面凝固的NASAIR100 单晶,研究了其组织和性能随凝固界面形态的变化规律.1 试验方法试验采用真空感应熔炼的NAS&IR100 母合垒棒,其化学成分见表1表 1NASA1R100 母台金成分采用籽晶法制取不同凝固界面形态的NAsAIR100 单晶试棒,籽晶的取向是

7、0013.培竭采用纯度为99.9的A1.O3管.真空度为133.322X 10 Pa炉温为1590c，固液界面处的温度梯度为 250C/cm,微机控制抽拉速率.用液淬法获得固液界面形态.金相分析和性能测试所用试样均取于稳定凝固段.在Neophot - R型光学显微镜上观察固液界面形态和光学金相组织:在 EM 一 620 透射电镜上观察复型.高温持久性能测试在BII 一 2型试验机上进行.z 试验结果及讨论1.1 固液界面形态根据成分过冷理论”，单向凝固的固液界面形态受到 G肛(注:GL为固液界面处液相中的温度梯度,为凝固速率)值的制约.在 G 为 250 /cm 的情况下,通过改变,图l不同固

8、液界面形态的NAsAIR100单晶X 50(H )平界面,GL=50"C/cm,=I.5m/s()胞状界面，G=2S0/em,=2.9m/s()粗枝界面.GL=250C/era,=15,5m,s(d削枝界面.G=250X2/c 址，足=87-m8航空第 13 卷得到了以平面,胞状,粗枝以及细枝界面形态凝固的NASAIR3_00 单晶,如图1 所示.随着的增大,G/R 值逐渐减小,界面扰动逐渐增大,界面形态由平面向胞状,粗枝以及细枝转化.从图 2 可见,一次及二次枝晶间距均随冷却速率的增大而显着减小,是由于局部凝固,随着冷却速率的增加而减小所致1.2 凝固界面形态与NASAIR100

9、单晶铸态组织的关系从图 2 可以看到,以平界面凝固的NASAIR100 单晶铸态组织由及两相构成,暑8t r.-暮嚯正昌冷却建章G(a/s)冈 2 净却逮率对NASAIRIO0 单品铸杰组织的l 影响()平界面X800'b)胞状界面X 3o0()粗技界面X 300()细枝界碓x300弥散分布在基体上而以胞状,粗枝以及细枝界面凝固的单晶铸态组织则由,及7/7 共晶等所构成.1.2.1 凝固界面形态对/共晶含量及尺寸大小的影响胞状界面凝固组织中,共晶含量为0.6,尺寸较小粗枝界面凝固组织中,共晶含量为1.3,尺寸有所增大细枝界面凝固组织中,共晶含量增至6.5,尺寸亦明显增大 .共晶都分布在

10、胞晶或枝晶间以乎界面凝固的NASAIR200 单晶,凝固速率很低,溶质原子具有充分的时间来扩散,因此微观偏析很小.平界面凝固的另一特点就是不存在糊状区,除了凝固初始过渡区和终端过渡区外,界面温度实质上就是合金的固相线温度 ,凝固后的单相固溶体成分为合金的原始成分,因而不存在Y,/Y 共晶 j 台金以胞状界面凝固时 ,存在一个较窄的糊状匹,逸时溶质再分配不仅发生在胞状界面前沿,也发生在胞的两侧,同时由于结晶速度大于溶质原子的扩散速度,因此在胞状晶问区域就要富集 A1.第 7 期郭喜平等:凝阎界面形态对一种镍基单品高温台金组织和性能的影响Ti,Ta等正偏析元素，使最终凝固的液体成分达到了 /共晶点

11、，出现了共晶j合金以枝状界面凝固时,成分过冷加大,致使糊状区很宽,出现了二次及三次枝晶,偏析程度更为严重,枝晶问有较多的残留液相达到了共晶成分点,出现了较多的共晶,同时枝晶问较大的空间也使得共晶的尺寸较大.2.22凝固界面形态对尺寸及形态的影响如图3所示，乎界面凝固组织中，尺寸很大,形状很不规刚j胞状界面凝固组织中 ,的平均尺寸比平界面组织中的小,其形状也较平界面组织中规则一些j 粗枝界面凝固组织中,尺寸显着减小,其形状趋向于立方体状细枝界面凝固组织中,尺寸进图 3 不 J 司凝固界面形志组织的电镜复型形貌观察x8000()平界面()胞状界面()粗技界面(d)细技界面步减小,其形状已是立方体.

12、晶千上的明显小于晶间的,并且随冷却速度的增大,差别越来越大.以平界面凝固的单晶,由于其极慢的冷却速度,使得凝固后所形成的单相固溶体冷却速度也很慢,具为很充分的时间析出,长大 ,甚至于发生了球化,因而粒子特别粗大,且形状很不规则.台金以胞状界面凝固时,冷却速度加快,凝固后形成的固溶俸冷却速度也加快,因此析出的较平界面组织中细小一些.同时,由于胞闻存在着一定程度的成分偏聚,A1,Ti,Ta 等形成元素的含量较高,凝固后的单相固溶体自由能较高,因此相析出的相变驱动力较大,故相优先在胞晶间析出,长大,使得胞晶间的粒子较胞晶千上粗大.而合金以树枝状界面凝固时,成分偏析进一步加重,冷却速度更快,因而相尺寸

13、进一步减小,形状趋向于立=i 亨体状,且枝间和枝干上的尺寸别更大 .2.3高温持久性能A452 航空学掇第l3 卷测定了不同界面形态凝固的 NASAIR100单品在1050c ,156.8MPa下的持久寿命，如图d所示.细枝界面凝固的单晶具有最高的持久寿命(146h),粗枝次之(53h), 而以胞状界面凝固的单晶具有最低的持久寿命 (37h).尺寸太小及形态是决定单晶 高温台金性能的重要因素,细小的立方体状粒子具有最佳的强化作用.而 y/y 共晶在冷却速率ar(Oe./s)图 4 冷却速率与NASAI100 单晶铸态高温持久性能的关系高温下是薄弱环节,易于出现裂纹.因此,y/y 共晶的尺寸大小

14、及含量对单晶高温台金的性能也有较大影响.纲枝界面凝固的NASAIR100单晶中，虽然有较多的/共晶,但由于粒子尺寸最小,且为立方俸状,因此具有高得多的持久寿命胞状界面凝固的NASA.IR100 单晶中,粒子较粗大,且形状不规则,加之出现了y/y 共晶,因此具有最短的持久寿命3 结论(1)在 G 为 250%/cm 的情况下,通过改变,得到了以平面,胞状,粗枝以及细枝界面凝固的NASAIR100 草晶 .(2)以平界面凝固的组织中无y/y 共晶出现t 而以胞状,粗枝和细枝界面凝固的组织中,y/y共晶含量分别为0.6,1.3和6.5.(3)随着凝固界面形悉由平面向细树枝状转变,尺寸越来越小,形状越

15、来越规则 ,到细树枝状界面凝固时,为立方体状晶干上的明显小于晶间的.(4)以细枝界面凝固的NASAIR100 单晶具有最高的持久寿命,粗枝次之,而以胞状界面凝固的单晶具有最短的持久寿命.参考文献1'l'inJK,CauI!ieldT.Sul?cTalloys,Supercomposires1dSuperccra,.ics?AcadcmicPressI nc,Hat 一rtBraceJoylovichPublishers,19891 72FrJtmierLG.TheInfluenceofHighThermaIGtadicntCastingHotIsostatiePressinga

16、ndA1tcr- nateHeatTreatmentuntheStructureandPropertiesofaSingleCrystalNickelBaseSuperaIo y?ProcofTheSixthDtetSymposium0nSuperalloyrJUS988,ThcMetalJurgiclSocket)".N cwy.rk.I989.2652749 唐定中 ,钟撮纲,代修彦,吴伸棠.铸型下降速度对DD3 单晶台金枝晶组织和性能的影响.第六届全国高温台金年会论文集，冶金部钢铁研究总皖汇编，19878058084MdMD rectlonallySolidifiedMaterisforHi