定向凝固镍基合金DZ444声学特性的各向异性

罗忠兵，张嘉宁，金士杰，林 莉

(大连理工大学 无损检测研究所，辽宁 大连 116085)

镍基高温合金广泛应用于航空、航天、能源动力等领域，如航空发动机和燃气轮机的燃烧室、涡轮叶片、导向器等热端部件[1-2]。通过定向凝固技术消除横向晶界，以及后续出现的单晶高温合金和热障涂层等技术，显著提高了部件使用温度和服役性能。然而，复杂的制造过程中，高温合金部件不可避免地产生宏微观缺陷，高温、高应力、大范围循环载荷作用下极易产生疲劳、蠕变、腐蚀等损伤[3-4]。因此，为保证关键部件的制造质量和服役安全，必须进行有效的质量检测和性能评价。

基于超声波的无损评价技术通过检测信号的时、频域分析，能够建立超声参量与材料特性的映射关系进而反映缺陷和损伤情况，广泛应用于高性能制造领域[5-9]。然而，实现镍基合金微小缺陷和损伤的有效评价并非易事，原因有二：一是镍基奥氏体弹性各向异性显著，定向凝固柱状晶或单晶组织特殊，导致声传播行为明显区别于大多数多晶金属，后者晶粒尺寸较超声波波长的比值均小于0.1，属瑞利散射范畴，可视为各向同性[10]。二是实际构件几何形状多样，除合金凝固方向外其余方向并不控制，第二晶向在0°至90°之间随机变化[11]，超声检测声波入射角度也是随机的，因此，声传播行为同时受到材料晶体取向和构件几何形状的影响，导致结构噪声、波型转换等现象[6]。研究证实镍基单晶合金在不同晶体取向上声速和声衰减系数差异明显[6,12-13]，但对定向凝固合金报道较少，特别是其声学特性各向异性机制尚不明确，直接影响定量检测与评价结果的可靠性。

本实验以DZ444定向凝固镍基高温合金为对象，结合晶体取向和微观组织分析，对与凝固方向成不同夹角片状试样的时域(纵波声速和声衰减系数)、频域(表面回波及一次底波的主频变化、表观积分反射系数)声学特性进行了研究，为镍基高温合金质量检测和性能评价提供支撑。

1 实验材料及方法

实验采用DZ444定向凝固镍基高温合金的铸态棒状试样(直径为16mm)，其主要化学成分(质量分数/%)为：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。如图1所示，利用线切割技术制备平面法线方向与柱状晶凝固方向夹角φ分别为0°，45°，90°的3种试样，厚度5mm左右。利用SHIMADZU XRD-6000型X射线衍射仪(XRD)、Zeiss Supra 55型场发射扫描电镜(SEM)、Oxford电子背散射衍射仪(EBSD)、Leica MEF-3型光学显微镜等测定试样的晶体取向、微观组织和成分分布。所用的腐蚀剂为4g CuSO4+10mL HCl+20mL H2O。采用超声脉冲回波法对3个方向试样的纵波声速和声衰减系数进行测量。探头晶片直径6mm，标称中心频率为10MHz，沿片状试样平面法向入射。采用Olympus-5800型超声脉冲发射接收仪和DPO-4032数字示波器进行信号的发射与采集。

图1 DZ444合金片状试样切割示意图Fig.1 Schematic diagram of DZ444 superalloy sheet specimens

2 实验结果及讨论

2.1 不同方向试样晶体取向分析

为了确认DZ444定向凝固镍基高温合金铸态试样的生长方向，防止产生较大的角度偏离影响后续测试，分别利用XRD和EBSD对0°方向试样进行测定，并与45°和90°方向试样进行对比分析，如图2和图3所示，0°方向试样XRD谱只有(001)晶面对应的衍射峰，即该试样平面法向对应晶向为[001]，与图3(a)中EBSD反极图显示结果一致。欧拉角测定表明，晶粒间取向差别很小，都分布在[001]周围，最大角度偏差约为6°。利用Y(或X)方向的晶粒取向分布图可以对0°方向试样的晶粒尺寸进行测量，如图3(c)所示，柱状晶粒横截面直径约为300μm，且X方向晶粒取向无择优分布，表现为多晶特征。

图2 DZ444合金不同方向试样XRD谱Fig.2 XRD spectra of DZ444 superalloy specimens in different directions

图3 DZ444试样EBSD分析 (a)0°，45°，90° 3个方向试样反极图；(b)0°试样Z向晶粒取向分布图；(c)0°试样X向晶粒取向分布图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°与90°方向试样的XRD结果相似，但与0°方向试样明显不同：前两者均有两个衍射峰，分别对应(111)和(001)晶面，且衍射峰强度明显低于0°方向(001)晶面衍射峰，即使是(111)晶面衍射峰，其峰强也仅为0°方向(001)晶面衍射峰的1/2。这说明由于与凝固方向偏离一定角度，择优生长已经不再存在。进一步利用EBSD对上述3个方向试样进行分析，测试区域约为1mm2。由图3(a)可以看出，45°方向试样晶粒取向在X/Y方向随机分布，无明显择优取向，但在Z方向存在一定的择优取向，倾向于沿[111]方向，与图2中XRD结果一致。同时也可看出，90°方向试样的晶粒在X方向存在择优取向，沿[001]方向，即定向凝固方向，而在Z/Y方向上择优取向并不明显，与图2的XRD结果有所不同，原因可能主要在于XRD和EBSD的测试范围与位置稍有差别，导致测试结果稍有不同。需要指出的是，两种技术提供的取向分布仅反映了样品表面的信息，厚度方向情况仍需进一步分析。

2.2 微观组织和成分分析

图4为3个方向试样的金相组织图。如图4(a)所示，0°方向试样为十字枝晶组织，一次枝晶干、二次枝晶干区域较亮，枝晶间较暗，部分枝晶相互平行；图4(c)中90°方向试样同样表现出典型的枝晶形态，枝晶干相互平行，与0°方向试样具有很好的对应性。超声波的传播行为尤其是散射衰减严重依赖于散射体与超声波波长的比值，从而对应不同的内在机制[10]，因此，必须对如枝晶、第二相等的几何尺寸进行表征。对枝晶臂间距测量后发现，一次枝晶臂间距约为367μm，二次枝晶臂间距约为33μm。对于45°方向试样(图4(b))，组织为十字枝晶的45°截面，呈菱形规则分布。利用SEM观察枝晶干与枝晶间的微观特征，如图5所示，两者微观组织差异较大。其中，枝晶干微观组织较为均匀，沉淀相γ′平均尺寸约为0.3μm，近似呈正方形均匀分布在基体相γ中(图5(a))，而枝晶间γ′相的尺寸与分布都不太均匀(图5(b))，γ′相最大尺寸接近0.5μm，一部分呈正方形，另一部分呈蝶状。同时，枝晶间也存在少量碳化物、缩松及粗大的花瓣状共晶组织(图5(c),(d))。

图4 DZ444不同方向试样的金相组织 (a)0°；(b)45°；(c)90°Fig.4 Metallography microstructures of DZ444 specimens in different directions (a)0°;(b)45°;(c)90°

图5 DZ444合金微观组织 (a)枝晶干；(b)枝晶间；(c)共晶；(d)缩孔和碳化物Fig.5 Microstructures of DZ444 alloy (a)dendritic arm;(b)interdendritic;(c)eutectic;(d)shrinkage and carbide

合金凝固过程中容易发生枝晶偏析，对0°方向试样枝晶组织的化学成分进行了能谱分析，结果如表1所示。W元素在枝晶干偏聚，含量比枝晶间高出3.81%；Mo,Ti元素则在枝晶间偏聚。研究表明，Mo是有效的固溶强化元素，能够降低合金层错能，从而提高持久性能[14]；Ti是MC类型碳化物形成元素，促进MC析出，起到晶界强化的作用[15]。这些元素含量的差别导致枝晶间和枝晶干耐腐蚀能力不同进而造成衬度的不同，同时，上述组织特征也会在不同程度上影响超声波的传播行为。

表1 DZ444合金一次枝晶干与枝晶间成分(质量分数/%)Table 1 Compositions of dendrite arm and interdendritic in DZ444 alloy (mass fraction/%)

2.3 时域频域声学特性

材料的声学特性是材料超声无损评价的基础。其中，纵波声速v和声衰减系数α可通过时域信号计算得到：

(1)

(2)

式中：d为试样厚度;Δt为两次底面回波的声时差；A1和A2分别为一次底面回波与二次底面回波的幅度，对应计算结果如图6所示。不同方向试样对应的纵波声速差别较大，0°方向试样的声速最小，约为5533m/s，45°方向试样的声速最大，约为6595m/s，较0°方向试样高出约19%，而90°方向试样声速大小居中，约为5634m/s。声衰减系数变化规律却明显不同，随着φ的增大而逐渐增大，0°方向试样的声衰减系数最小，90°方向试样的声衰减系数最大，两者差值约为0.19dB/mm。

图6 DZ444三个方向试样的声速和声衰减系数Fig.6 Wave velocity and attenuation coefficient of DZ444 specimens in three directions

频域声学信息同样可以加深对材料特性的理解。通过傅里叶变换得到的幅度谱(图7)及在此基础上定义的表观积分背散射系数在一些研究中已经被证实行之有效[16]。这里借鉴后者思路，利用一次底面回波和二次底面回波的功率谱在有效频带内的面积差值与有效频带值作比，反映不同频率成分能量衰减的分布情况，获得表观积分反射系数(apparent integral reflection coefficient,AIR)，如图8(a)所示。对10MHz检测频率下表面回波及一次底波的幅度谱进行分析(图7)，发现3个方向试样的一次底波幅值和主频较表面回波有明显变化，定量提取一次底波相对于表面回波的主频偏移量、幅值差值连同AIR一并作于图8(b)，可以看出三者均随φ的增大而增大，其中90°方向主频偏移较0°方向增加了约0.63MHz，达5倍之多。

图7 DZ444三个方向试样的超声表面回波与一次底波幅度谱Fig.7 Amplitude spectra of ultrasonic surface echo and 1st backwall echo

2.4 声学特性各向异性机制讨论

图9 45°方向试样晶体取向分布示意图Fig.9 Schematic diagram of crystal orientation distribution of 45° specimen

超声波在材料中的衰减主要包括散射衰减和吸收衰减[10]。其中，多晶金属的声衰减主要为散射衰减，体现了声传播过程中异质界面对声能的散射消耗。单晶金属衰减与上述又有所不同，原因是晶界(或相界)数量明显减少，主要体现为吸收衰减，反映声波在晶粒内部传播过程中的弛豫。对于镍基高温合金又有所不同，原因在于其中含有大量微小的γ′相。按照经典散射理论，微米级声阻抗界面尺寸远小于毫米级超声波波长，单个粒子的影响可以忽略不计，但大量粒子对散射衰减的贡献仍须考虑[8]。因此，镍基高温合金单晶的声衰减应为吸收衰减和散射衰减之和(为后续方便，这里统称为单晶衰减)。温仲元等[12]发现镍基高温合金单晶中纵波声衰减系数呈各向异性，前期针对粗晶奥氏体不锈钢单个晶粒的研究也同样证实[20]，[111]取向晶粒的声衰减系数最小，[001]最大，[101]居中。这里0°方向试样虽然存在与超声波传播方向平行的纵向晶界，但对声传播行为影响较小，与单晶[001]取向接近，因此时域声衰减系数为0.43dB/mm，频域对应的主频偏移、幅值差值和AIR(图8(b))均体现为单个晶粒的贡献。

90°和45°方向试样则必须考虑晶界的影响。如上所述，90°方向试样单位声程内枝晶数目最多，是多个取向随机分布晶粒的综合行为，在各自单晶衰减的基础上，时域和频域声衰减参量较0°方向均有明显增加，说明90°方向试样在吸收衰减降低的同时晶界散射衰减贡献进一步增强，提高了整体衰减系数。与之相比，45°方向试样的衰减反映了近[101]和[111]方向的单晶衰减和多晶的散射衰减，吸收衰减比例虽有所增加，但由于单位声程内枝晶数目减少，声波相对于晶界的入射角度变为45°，声能损失程度降低，对散射衰减的贡献减小，因此两者之和相对于0°方向增加幅度不大，总体低于90°方向。

进一步对频域衰减特性进行分析，图8(b)中主频偏移量、幅值差值、AIR与上述时域声衰减系数的演变规律一致，但不同频率成分的衰减程度却有所差别，以90°方向试样高频衰减最为严重，表现为主频偏移最大，约0.75MHz。总结可知，不同方向试样声衰减特性变化实质反映了单个晶粒衰减(包括吸收衰减和第二相粒子的散射衰减)和多个晶粒散射衰减控制机制的过渡与转变，归因于柱状晶特殊的晶粒取向分布和晶界结构特征。着眼于镍基合金关键构件的高性能制造和服役安全，必须综合考虑材料组织形态、构件几何形状的差异，根据声传播行为尤其是声学性能之间的差异制定相应的规范标准，才能实现有效的质量检测和性能评价。

3 结论

(1)DZ444定向凝固镍基高温合金0°方向试样的晶粒取向均为[001]，晶粒间取向差角小于6°，柱状晶粒横截面直径约为300μm，垂直凝固方向上晶粒取向无择优分布。

(3)随着φ的增加，DZ444合金的时域声衰减系数和频域主频偏移、幅值差值以及表观积分反射系数均随之增加，原因在于0°方向主要是单晶衰减，包括吸收衰减和第二相粒子的散射衰减，而45°与90°方向合金中晶界散射衰减的贡献逐渐增强。

(4)DZ444合金声学特性的各向异性反映了单晶衰减和多个晶粒散射衰减控制机制的过渡与转变，归因于柱状晶特殊的晶粒取向分布和晶界结构特征，这与单晶合金声学特性各向异性具有本质不同。