凝固方向对单晶高温合金枝晶组织的影响

张龙飞,燕 平,赵京晨,曾 强,韩凤奎

(钢铁研究总院,北京 100081)

凝固方向对单晶高温合金枝晶组织的影响

张龙飞,燕 平,赵京晨,曾 强,韩凤奎

(钢铁研究总院,北京 100081)

用籽晶法制备了沿不同晶体取向凝固的镍基单晶高温合金试样,研究了单晶中枝晶形貌和一次枝晶臂距随凝固取向的变化规律。结果表明:凝固方向偏离[001]取向小于15°时,枝晶排列比较规则,一次枝晶臂距随偏离角度增大而减小;偏离角度为25°时,部分二次枝晶臂阻断了相邻一次枝晶干的生长,导致一次枝晶臂距增大。沿[011]和[111]取向凝固的单晶中由于分别存在2个和3个择优生长的枝晶干,发展出了复杂的枝晶形态。

镍基单晶高温合金;凝固方向;枝晶形态;一次枝晶臂距

通过定向凝固工艺铸造的单晶高温合金由于具有优异的抗蠕变性能和抗疲劳性能,如今在航空发动机,尤其是涡轮叶片上的应用十分广泛[1,2]。然而单晶高温合金并非一般意义上的单晶,在定向凝固时,由于元素偏析造成的成分过冷将导致树枝晶的形成[3]。枝晶形态以及枝晶臂距是影响合金组织中的溶质元素偏聚以及枝晶间第二相尺寸和共晶相数量的重要因素,因而对合金性能存在影响。对于同一成分的合金,定向凝固组织中的一次枝晶臂距λ1由凝固速率R和凝固界面温度梯度GL控制,通常表示为λ1对于大多数高温合金而言,m≈ -0.25,n≈-0.5[6-8]。然而由于枝晶生长具有鲜明的晶体学特征,定向凝固方向的晶体学取向将影响枝晶形态以及枝晶间距。有研究表明,在镍基单晶高温合金中,凝固方向偏离[001]取向将导致枝晶的二次分枝不对称[9],不对称程度随一维择优的[001]取向与定向凝固方向偏离角度的增大而增大。在一个包含凝固方向偏离角度θ0的一次枝晶臂距模型中[10],研究计算得出,一维择优的[001]取向与宏观定向凝固方向偏离越远,一次枝晶臂距越小。另有研究表明[11],沿[001],[011]和[111]取向凝固的单晶高温合金中,枝晶形态表现出了明显的差异,且一次枝晶臂距随这三个取向依次增大。这些研究表明,凝固方向对枝晶的生长形态存在明显影响,然而在分析凝固方向对一次枝晶臂距的影响时,却忽略了枝晶形态的改变有可能对一次枝晶臂距造成的影响。另外,对于沿[011]和[111]取向凝固的合金,还需进一步研究枝晶形态的形成过程。本工作以一种铸造单晶高温合金为基础,研究了沿不同晶体取向凝固的单晶高温合金中的枝晶生长形态及一次枝晶臂距的变化规律。

1 试样制备与实验方法

实验材料采用一种现役的一代镍基单晶高温合金,其化学成分(质量分数/%)为Cr8-Co5.5-Mo2.25-W5-Al6-Ti2-Ta3.5-Ni余。在选晶法制备出的[001]取向的单晶试样中加工出6种具有不同晶体取向的籽晶(尺寸为φ5mm×15mm),其轴向的晶体取向分别如图1中a～f所示,其中,a为[001]取向;b,c,d介于[001]取向与[011]取向之间,且与[001]的取向差分别为 7°,15°和25°;e为[011]取向;f为[111]取向。在真空定向凝固D-N炉中通过底部籽晶法分别制备出6种对应取向的圆柱状单晶试棒(φ14mm×160mm),凝固方向沿籽晶的轴向,并与试棒轴向重合。各试棒凝固参数均一致。

用25%H2O2+75%HCl对所有铸态试棒表面进行低倍腐蚀,以保证实验用试样全为单晶。根据单晶定向切割的方法[12],确定单晶试样中各(100)晶面的空间方位,并参考凝固方向(S.D.)进行晶体取向坐标约定 ,如图 2 所示(图 2(a)中θ分别取 0°,7°,15°和25°),然后在各取向的试样中分别切割出如图所示的对应晶面。对每个解剖面进行金相打磨与抛光,使用12%H3PO4+48%H2SO4+40%HNO3进行电解腐蚀,最后在LEICA金相显微镜下观察单晶试样在各解剖面上的枝晶形态,并使用LEICA MEF4A定量显微图像仪统计不同取向试样在(001)面上的一次枝晶臂距。

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

图2 各取向单晶试样对应的坐标约定与切割方式(a)凝固方向偏离[001]取向θ角的单晶;(b)凝固方向沿[011]取向的单晶;(c)凝固方向沿[111]取向的单晶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 实验结果

2.1 枝晶形态观察

2.1.1 凝固方向沿[001]取向的单晶

沿[001]取向凝固的单晶试样在(001)横截面、(010)和(100)纵截面上的枝晶形态如图3所示。在(001)横截面上,枝晶形貌呈现出了对称的十字花瓣形态。在(010)和(100)纵截面上,枝晶形态基本相同。一次枝晶干平行于凝固方向排列,枝晶干排列间距均匀,二次枝晶基本关于枝晶干对称分布。

图3 沿[001]取向凝固的单晶在各{100}面上的枝晶形态(a)(001)横截面;(b)(100)纵截面;(c)(010)纵截面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 凝固方向偏离[001]取向一定角度的单晶

图4是凝固方向分别偏离[001]取向7°,15°和25°的单晶试样在各解剖面上的枝晶形貌。在(001)面上,随着偏离角度的增大,枝晶形态的不对称性增加,表现在沿[010]方向的二次枝晶臂在相对伸长,并且在伸长的二次枝晶臂上长出的三次枝晶的数量也在增多。当偏离角度达到25°时,枝晶呈现出高度的分枝形态,[010]二次枝晶臂延伸范围大且三次枝晶数量众多。而在(010)面上,这3种不同凝固方向的单晶却表现出了基本相同的枝晶形态,一次枝晶干排列均匀,枝晶干两侧的二次枝晶臂基本对称分布。在(100)面上,随着偏离角度的增加,一次枝晶干逐渐偏离凝固方向,并且两者之间的夹角大小,正好反映出了凝固方向偏离[001]取向的角度大小,这说明枝晶臂的生长方向与凝固方向无关。另外,该面上同样表现出了二次分支的不对称性。特别是在偏离角度为25°的试样中,(100)面上出现了二次枝晶臂阻断相邻一次枝晶干生长的现象(A区域),导致一次枝晶干的分布间距变得极不均匀。

图4 凝固方向偏离[001]一定角度的单晶在各{100}晶面上的枝晶形态(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]取向的单晶

沿[011]取向凝固的单晶在各解剖面上的枝晶形貌如图5所示。在(011)横截面上(图5(a)),枝晶沿方向排列成共线的枝晶列,且枝晶列之间相互平行;在(010)晶面上(图5(b)),存在两种形态的平行枝晶列,一部分枝晶列由连续的[001]枝晶干构成,而另一部分枝晶列中的相邻枝晶虽然沿[001]方向共线排列,但是枝晶之间相互分立;在(100)晶面上(图 5(c)),枝晶干分别沿[010]取向和[001]取向生长,沿凝固方向呈二维平面扩展形态,枝晶主干上的二次枝晶臂呈单侧分布且朝向均靠近凝固方向,而且部分二次枝晶还发展成了枝晶干。枝晶干沿(100)晶面的平面发展形态使得(011)面上的枝晶呈共线排列,而枝晶干沿[010]取向生长的枝晶在(010)面内则表现出分立的枝晶形态。

2.1.4 凝固方向沿[111]取向的单晶

沿[111]取向凝固的单晶在各解剖面上的枝晶形貌如图6所示。在(111)横截面上(图6(a)),单个枝晶呈剪刀状,两个枝晶臂之间的夹角约为60°。剪刀状的枝晶按枝晶臂方位的不同可以划分为三种不同的形态,并且勾画出了相互嵌套的正三角形轮廓。在(010)晶面上(图6(b)),两个垂直方向上的枝晶干相互交截,沿晶面形成了二维平面扩展的枝晶干网络,枝晶干上的二次枝晶单侧排列,朝向均靠近凝固方向。(100)晶面上(图6(c))同样呈现出这种平面状的枝晶网络。进一步解剖还发现,(001)晶面上也具有类似的枝晶形态。三个{100}晶面上的平面状枝晶网络相互垂直交截,因此在(111)横截面上形成了正三角形的枝晶轮廓。

2.2 一次枝晶臂距

由5和图6可见,当凝固方向沿[011]和[111]取向时,由于不同取向上枝晶干的存在和它们之间的相互交截,枝晶组织中已经不存在贯穿于凝固方向的一次枝晶干,因此在这两种试样中已经失去了测量一次枝晶臂距的意义。

在沿[001]取向凝固以及凝固方向偏离[001]取向7°,15°和 25°的试样中 ,测得在(001)面上的一次枝晶臂距(PDAS)随偏离角度的变化规律如图7所示。由图7可以看出,当偏离角度在15°以内时,一次枝晶臂距先随着偏离角度的增大而减小,然而当偏离角度增大到25°时,一次枝晶臂距却又再度增加。

图7 凝固方向对一次枝晶臂距的影响Fig.7 Influence of solidification direction on PDAS

3 分析与讨论

当凝固方向沿[001]取向时,由于[001]取向上的枝晶臂与凝固方向重合,其凝固潜热散失快,且枝晶凝固前沿溶质浓度梯度大,因此快速生长成为一次枝晶干,并随着成分过冷的进一步加大,一次枝晶干侧面生长出二次枝晶臂。由于二次枝晶臂与凝固方向垂直,凝固潜热散失缓慢,且受到枝晶间的高溶质浓度的影响,因此生长缓慢。当凝固方向沿[011]取向时,[001]和[010]取向上的枝晶臂与凝固方向的夹角均为45°,具有相同的温度梯度优势,从而均能生长成枝晶干。当两者在凝固过程中相遇时,生长稍快的一方排出的溶质一部分排向了生长稍慢一方的凝固前沿,导致后者生长受阻而被湮没[4],因此枝晶干呈现相互交截的形态。另外,枝晶干上与凝固方向夹角为45°的二次枝晶臂具有与原枝晶干相同的温度梯度优势,当其生长不受相邻枝晶臂的影响时,也能发展成为枝晶干,导致了枝晶干呈现相互衍生的形态。于是在(100)晶面上,两种取向的枝晶干相互交截与衍生,呈二维平面扩展,而与凝固方向垂直的[100]枝晶臂则依然发展成为短小的二次枝晶。当凝固方向沿[111]取向时,三个〈001〉取向上的枝晶臂与凝固方向的夹角相同,从而具有相同的生长优势,因此在三个{100}晶面内,均有两个相互垂直的枝晶干相互交截和衍生,从而都形成了沿晶面发展的枝晶干网络,它们之间的相互穿插,使得沿[111]取向凝固的单晶中形成了六面体形的“笼状”枝晶结构[11]。沿[001],[011]和[111]取向凝固的单晶,其枝晶形态的演变如图8所示。

图8 枝晶形态随凝固方向变化的演变示意图(a)凝固方向为[001];(b)凝固方向为[011];(c)凝固方向为[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]

当凝固方向逐渐偏离[001]且偏向[011]取向时,[001]取向上的枝晶臂受到温度梯度场的作用依然最大,仍快速生长成为一次枝晶干,然而此时[010]取向上的枝晶臂也将受到部分温度梯度的作用,具有一定的生长优势。随偏离角度的增大,[010]二次枝晶臂具有的生长优势加大,从而能延伸更远,三次枝晶的数量也随之增多。偏离角度在15°以内时,二次枝晶臂的延伸不足以干扰相邻一次枝晶干的生长,因此基本保持了沿[001]取向凝固时的枝晶形态。但是当偏离角度为25°时,过长的二次枝晶臂和大量三次枝晶在凝固时排除的溶质阻碍了相邻一次枝晶干的生长,导致一次枝晶干被淹没。

一次枝晶干的湮灭很可能会对单晶高温合金的性能带来不利影响:当凝固进行时,在被阻断的一次枝晶干前端将形成一个由枝晶臂包围的枝晶间区域(如图4(c)中的A区域)。在这个几近封闭的区域内,大量的γ′形成元素将不能有效地扩散至液相而在此浓集,增大了枝晶间的偏析程度,最终在该区域形成粗大且形状不规则的γ′相和数量众多的γ/γ′共晶相,导致随后的固溶处理不能有效地对这一区域进行均匀化,成为单晶高温合金的性能薄弱区。

文献[10]建立了一种包含了非对称因素θ0的一次枝晶臂距模型,并计算得出一次枝晶臂距随θ0的增大而变小。从实验结果来看,凝固方向偏离[001]取向在15°以内的单晶,一次枝晶臂距随偏离角度的增大而变小,与这一计算模型是吻合的。但是当偏离角度增大到25°时,测得的一次枝晶臂距却反而增大。从枝晶形态的分析可知,这是因为单晶沿该方向凝固时,部分一次枝晶干被二次枝晶淹没,所以导致了一次枝晶臂距的增大。因此,对于文献[10]所建立的一次枝晶臂距模型,在应用时需考虑到枝晶形态改变对一次枝晶臂距造成的影响。

4 结论

(1)按[001]取向凝固的单晶中,只存在沿一种方向的枝晶干,枝晶干上的二次分支对称分布,形态短小;按[011]取向凝固生长的单晶中,[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)晶面呈现平面发展的形态;按[111]取向凝固生长的单晶中,三个〈001〉取向上的枝晶干的相互垂直交截和衍生,使得枝晶发展出了六面体形的笼状枝晶结构。

(2)凝固方向偏离[001]取向在15°以内时,一次枝晶臂距随偏离角度的增大而减小;偏离角度为25°时,一次枝晶干受到部分二次枝晶臂生长的阻碍而被淹没,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

张龙飞(1985—),男,工学硕士,研究方向为铸造单晶高温合金,联系地址:北京市海淀区学院南路76号钢铁研究总院高温材料研究所(100081),E-mail:zhanglf101@163.com