静磁场对定向凝固镍基高温合金组织影响的研究进展

刘承林，苏海军，张 军，刘 林，傅恒志

(西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，西安 710072)

定向凝固镍基高温合金是航空发动机和燃气轮机发展的基石与核心关键材料，其制造水平在某种程度上代表了发动机的技术水平[1]。以大型机匣、叶片为代表的高温合金部件向多元化、大型化、集成化、复杂化发展，熔体质量控制难度大幅增加，易产生欠铸、偏析严重、晶粒粗大不均匀、热裂等多种问题，导致性能恶化，制造难度、成本几何量级地增大，成为制约高温合金铸件冶金质量的瓶颈之一。相比传统熔模铸造技术而言，定向凝固技术虽能够很好地避免上述问题，但是在枝晶组织和凝固缺陷等方面还需要采用其他手段来有效控制[2]。

实现晶粒组织和凝固缺陷控制是制备高性能大型复杂高温合金铸件的关键[3]。大量研究[4]表明，在合金凝固过程中，加入磁场利用金属和物理场的相互作用，改变其凝固特性，能够较好地消除铸件的成分偏析、铸造应力等缺陷，提高铸件的冶金质量，将为进一步提高材料的性能开辟新途径。

本文主要综述了国内外静磁场对定向凝固镍基高温合金组织影响的研究现状，重点分析了施加不同方式、强度的静磁场对定向和单晶高温合金组织、偏析、缺陷及高温力学性能的影响规律，并提出了静磁场在镍基定向高温合金研究中潜在的发展方向。

1 静磁场对定向凝固高温合金一次枝晶间距的影响

镍基高温合金通常含有10多种合金化元素，主要由基体γ相和强化相γ′相组成，此外还有γ/γ′共晶相、碳化物相等。一般情况下，高温合金凝固时首先从液相中析出富Ni的γ固溶体，当温度降低到液相线温度以下约10℃，含C高温合金还会析出初生MC型碳化物(L→MC+γ)。随着温度的进一步降低，Al，Ta，Ti等γ′相形成元素向残余液相中富集，最终以共晶反应L→γ+γ′结束整个凝固过程[5]。

静磁场可分为横向静磁场和纵向静磁场[6]。目前，普遍认同的静磁场对金属合金定向凝固过程的影响机理主要集中在两个方面：一是磁阻尼效应(magnetic damping)；二是热电流引起的热电磁对流效应(thermoelectromagnetic convection,TEMC)。由于定向凝固过程中固/液界面存在温度梯度，同时固液两相具有不同的热电势，在塞贝克效应作用下，凝固界面会产生一个热电流[7]。定向凝固过程中，热电流和静磁场相互作用会产生一个明显的热电磁力，此力会诱发各种现象，比如液体搅拌、固相运动以及固相受力。在较小和适度的磁场下，热电磁力促进液体的流动，在较强的磁场下抑制熔体的流动[8]。

对于液体的流动，在假设流体不可压缩和不考虑浮力影响的条件下，其流动将由Navier-Stokes式决定：

(1)

Ren等[13]在高温合金DZ417G的定向凝固过程中施加纵向静磁场。研究发现，在抽拉速率为5μm/s时,静磁场影响了该合金组织的定向凝固生长特性，影响程度随磁场强度的增大而增加。当抽拉速率达到40μm/s及其以上时，施加强磁场使得单位面积上的枝晶数目增加，枝晶数目随磁场强度的增大而增加,增加的最大幅度可达到1倍。从磁抑制对流和热电磁效应方面分析了上述现象，强静磁场的抑制对流效应和热电磁对流效应具有相反作用，前者能够抑制熔体对流，减少枝晶数目，而后者正好相反。在不同合金体系和工艺参数下某一效应会占优势，从而对一次枝晶间距产生不同的影响[14]。

李旭等[15]在DZ417G定向凝固过程中施加纵向磁场。研究结果发现，在较低生长速率下，磁场能显著影响高温合金柱状枝晶的生长；弱磁场(<0.1T)能使枝晶生长规则化，生长方向逐渐统一并平行于磁场方向，一次枝晶臂间距减小；强磁场(>2T)破坏枝晶生长，枝晶发生断裂，逐渐出现一些云状组织。随着生长速率的增大，磁场的影响逐渐减弱。胡治宁等[16]在单晶高温合金DD483低凝固速率下(5μm/s)施加纵向静磁场时发现凝固铸态组织中单晶生长性受到破坏。在弱磁场下，热电磁效应占到了主导地位，而磁阻尼效应几乎无法显现。这时，枝晶前沿只受到热电磁力的作用，通过改变固/液界面和枝晶间的流动结构，从而改变固/液界面前沿溶质的分布及局部的成分过冷度，使得枝晶细化。而枝晶的破坏可能是由于热电磁环流的存在，枝晶顶端和底部同时受到方向相反的两个力的作用，顶部受一逆时针方向力的作用而底部受到顺时针方向力的作用。当两个力足够大时，会将枝晶扭断，破坏枝晶的生长[17]。Xuan等[18]在DZ417G的定向凝固过程中施加横向静磁场，对凝固界面处进行了深入分析。结果表明，在抽拉速率为10μm/s时，随着磁场强度(2,4,6T)的增加，开始发生柱状晶向等轴晶的转变(columnar to equiaxed transition,CET)，并且一次枝晶间距减小。与此同时，凝固界面形状和糊状区长度均发生了改变。研究表明热电磁力和热电磁环流是发生CET转变的原因，与上述破坏枝晶生长的情况一致。

2 静磁场对定向凝固高温合金凝固缺陷的影响

定向凝固高温合金的凝固缺陷有取向差过大、杂晶和游离晶、成分偏析及缩松等。以往研究者们为消除凝固缺陷而获得性能优异的铸件，通常采用调整合金成分[19]、提高温度梯度[20]、改变抽拉速率[21]、采用引晶技术以及籽晶重熔技术等来解决上述问题，但由于实际条件所限，这些方法的改进对凝固组织性能的提高有限。研究过程中还发现，在解决上述某个缺陷的同时却导致了另外一个甚至几个缺陷的形成。通过在合金凝固过程中引入磁场，以力和能的形式对其扩散、流动及凝固界面产生影响，进而影响凝固组织和成分分布，这使得它成为改善合金及晶体性能的重要手段之一。利用磁场改善金属材料组织和性能，能够制备出常规方法难以获得的新材料[22]。

2.1 杂晶的形成及控制

单晶高温合金铸件中极易出现杂晶缺陷，杂晶常在铸件的特殊位置处产生，如铸件的突变截面处[23-25]以及籽晶回熔区[26-27]附近，而当基体晶粒取向偏离过大时，叶身靠近型壳的位置也可能产生杂晶。

Zhao等[28]和Stanford等[29]研究了籽晶法制备单晶高温合金中杂晶的形成机制。研究发现，杂晶仅出现在凝固最初阶段的试样边缘，并随着凝固的进行杂晶逐渐消失。此外，研究还发现对于非平行于热流方向的籽晶，在远离坩埚壁的一侧易于形成杂晶。Yang等[30]和D′Souza等[31]在模拟过程中也发现定向凝固过程的初始阶段有杂晶形成，且杂晶形成难易程度与初始晶粒的晶体取向有关。Dong等[32]模拟研究了熔模铸造过程中微观尺度下杂晶的形成，发现提高抽拉速率和增加等温线弯曲角可引起叶片平台处过冷度的增加，促进杂晶的形成。上述研究充分表明，试样变截面区域导致凝固条件的突然变化是造成杂晶形成的一个重要原因。

在理解杂晶形成机制的基础上，能够有效地抑制杂晶的出现。Xuan等[18]在镍基单晶高温合金凝固过程中施加横向强静磁场，通过对未施加强静磁场与施加8T强静磁场籽晶与铸件结合处的微观结构形貌变化进行了对比。发现在没有磁场下熔体回流界面是凸起的，施加8T磁场时，形成了平界面并且融化区域消失。可以看出，磁场能够显著地改变回熔界面形状以及回熔区域长度，并且能够有效地抑制杂晶的出现[33]，其原因可归结为强静磁场产生的热电磁流效应增大了固/液界面能，引起形核温度的降低(临界形核过冷度变大)，从而抑制了杂晶的形成。同时，在高温合金DZ417G定向凝固变截面处发现施加12T静磁场时杂晶消失(图1)，未施加磁场的试样有杂晶出现。从冷却曲线可以看出(图2)，未施加磁场时过冷度为8.5K，施加12T磁场时过冷度达到了10.5K。相比之下，施加12T磁场时凝固界面的临界形核过冷度提高了2K。临界形核过冷度增大，导致异质形核困难，从而能够抑制杂晶的出现[34]。

2.2 静磁场对成分偏析及析出相的影响

合金元素在液/固相间的溶质分配使得凝固过程中不可避免地出现元素偏析，溶质分配系数是衡量元素偏析的重要指标。大量研究[35-36]表明：在镍基高温合金中，Al，Ti，Ta，Hf等均为正偏析元素，其偏析系数小于1。Cr，Co，W，Mo，Re等通常为负偏析元素，其偏析系数大于1，偏析的减轻均会使得二者的偏析系数趋近于1。施加不同方式和强度的静磁场对各元素的偏析程度不同，主要是磁场在高温合金熔体凝固过程中作用的效果存在明显的差异。

图1 高温合金DZ417G在静磁场作用下纵截面变截面附近处的组织及其对应的EBSD图像[34](a)0T；(b)12TFig.1 Microstructures near cross-section change regions of superalloy DZ417G under a static magnetic field and the corresponding EBSD orientation image maps[34] (a)0T；(b)12T

图2 静磁场作用下高温合金DZ417G凝固过程中变截面处的冷却曲线[34](a)0T；(b)12TFig.2 Cooling curves at edge in the cross-section change region of superalloy DZ417G during solidification under a static magnetic field[34] (a)0T；(b)12T

Xuan等[34]分别对PWA1483和CMSX-4施加5T横向静磁场。其结果与未施加磁场时铸件的元素偏析进行对比可得，磁场能够减轻正、负元素的偏析程度，且偏析系数逐渐趋于1。磁场的施加显著降低了单晶高温合金元素的偏析，由于热电磁对流效应，促进了熔体的流动以及在枝晶周围起到搅拌作用。

Ren等[13]在镍基高温合金定向凝固过程中对抽拉速率20μm/s和40μm/s时分别施加0,0.2,1,4,8T横向静磁场时发现元素偏析减轻并且偏析系数逐渐趋近于1。磁场强度的增加能够减小γ′相的尺寸并且其含量也逐渐增多，这是由于磁场使得偏析降低所致。偏析的降低意味着成分均匀化增强，析出相尺寸会减小，同时枝晶的共晶组织含量也会降低。任维丽等[37]研究了横向强静磁场下时效热处理对定向凝固高温合金DZ417G组织的影响。结果表明，较常规不同时间的时效处理，强磁场能够促进相变的发生，使析出相细小而弥散分布。与无磁场相比，经16h的时效处理后，6T的强磁场使枝晶干处强化相γ′细化，尺寸减小12%左右，显微硬度提高约8.4%。枝晶间处强化相γ′没有发生粗化，共晶组织周围的强化相γ′较无磁场下分布均匀。

同时，房双等[38]在不同强度的横向强静磁场下对定向凝固高温合金DZ417G试样进行固溶处理和时效处理。结果显示，12T强磁场下固溶处理后，枝晶干和枝晶间区域析出相γ′体积分数分别增加5.3%和5.6%。12T强磁场下时效处理后，枝晶干和枝晶间区域析出相γ′体积分数分别增加3.9% 和4.2%。合理强度的静磁场的引入能够减小元素偏析及析出相尺寸。Yuan等[39]研究了在变形前后静磁场对析出相的影响(图3)，经过静磁场的处理，析出相γ′尺寸减小，形状由立方体变成圆形。在变形区域静磁场使得析出相在短距离区域内聚集，并且在高温拉伸界面处显示为粗化结构。Li等[40]在高温合金DZ483凝固过程中施加了横向静磁场(图4)。研究发现，随着磁场强度的增加，析出相尺寸减小，并且偏析减轻。这主要是因为电磁制动的作用比热电磁环流的强，使得液体流动性减小，从而减小了元素偏析。综上所述，施加静磁场可以有效减轻元素偏析，减小析出相的尺寸，但影响的程度也取决于凝固速率。

3 静磁场对高温力学性能的影响

高温合金的高温力学性能对组织缺陷非常敏感，高温持久过程中脆硬的共晶组织和亚晶界不易与周围组织协调变形,从而引起局部应力集中。在应力作用下容易形成裂纹源,给合金性能带来不利影响[41]。在磁场作用下生长的晶体中共晶和亚晶界较少，因而在相同的应力作用下不易断裂,合金的高温塑性得到改善。

Ren等[42]在单晶高温合金凝固过程中施加了横向静磁场，研究了在980℃/250MPa条件下磁场对位错特征的影响(图5)。当磁场增大时，位错线集聚在γ′通道及γ/γ′共晶相中，当发生变形时位错切割析出相γ′，蠕变性能得到提高。

Li等[40]在高温合金DZ483凝固过程中施加了横向静磁场。研究发现，柱状枝晶完好，并且随着磁场强度的增加，高温力学性能提高。从断口形貌以及裂纹表面可以发现断裂机制主要以Orowan机制为主(图6)，合金由脆性断裂转变为韧性断裂，抗拉强度和硬度均得到较大的提高。

图3 静磁场下断裂样品变形区和未变形区γ′的形貌[39](a)无变形区0T；(b)变形区0T；(c)无变形区12T；(d)变形区12TFig.3 Morphologies of γ′ precipitates of fractured samples under a static magnetic field[39] (a)deformation-free region 0T;(b)deformation region 0T;(c)deformation-free region 12T;(d)deformation region 12T

图4 纵向静磁场对合金元素偏析系数的影响[40]Fig.4 Effect of transverse static magnetic field on segregation coefficient of alloying elements[40]

胡治宁等[16]研究了磁场对单晶高温合金DD483蠕变性能的影响。由于单晶性被破坏，磁场能够使该合金蠕变性能降低，持久寿命减小。通过观察断口形貌和断面组织可以得出无磁场条件下高温蠕变断口表现为韧性断裂，断口部位出现韧窝。施加磁场后，样品蠕变断口表现为脆性断裂，裂纹产生后迅速断裂。磁场条件下的蠕变样品断裂裂纹起源于枝晶间，施加磁场后裂纹起始于晶粒间。

磁场能否提高高温力学性能主要取决于枝晶的完整性。如果生长方向单一性比较好，随着磁场强度的增加力学性能会得到提高，因此合理的磁场强度与抽拉速率的契合，能够有效地提高定向凝固高温合金的高温力学性能，从而制备出优良的铸件。目前关于静磁场对高温合金力学性能的影响研究较少，还有待进行进一步的实验研究，让磁场的应用更加合理有效。

4 结束语

目前，已有的研究结果表明，静磁场对定向高温合金的效应具有多重性，为制备优良的定向凝固铸件提供了有效的思路和手段，具有广阔的应用前景。但是磁场的多重效应使得研究者们对其了解得不够全面，还存在很多问题及争议有待进一步解决。

(1)静磁场对单晶高温合金缺陷的影响机理还存在争议，尤其是在杂晶控制这方面，还需要更深入地研究其影响机理。

(2)静磁场对晶体取向的影响规律及机理的研究较少，还需进一步探究静磁场诱导晶体取向的规律。

图5 980℃/250MPa下试样的位错特征[42] (a)γ通道的位错滑移；(b)γ′相的位错切割；(c)γ，γ′相的规则位错网格;(d)γ，γ′相的不规则位错网格；(e),(f),(g),(h)分别为0.5,1,1.5,2T静磁场下γ,γ′的位错切割机制Fig.5 Dislocation characteristics in the samples crept at 980℃/250MPa[42](a)dislocation gliding in the γ channel;(b)dislocation cutting in the γ′ phase;(c)regular dislocation network at the γ,γ′;(d)irregular dislocation network at the γ,γ′; (e),(f),(g),(h)the dislocation cutting at the γ,γ′ under various static magnetic fields of 0.5,1,1.5,2T

图6 静磁场对样品裂纹表面的影响[40] (a),(b)0T；(c),(d)12TFig.6 Effect of static magnetic field on the crack surface of samples[40](a),(b)0T；(c),(d)12T

(3)静磁场对单晶高温合金凝固特性(凝固路径、凝固特征温度、平衡分凝系数等)、晶体生长界面动力学及高温力学性能的影响机制还需深入研究。

(4)模拟软件以及计算模型需要进一步完善，已经建立的数学模型应在计算精度和应用范围上进一步扩展，使其能真正应用于实际生产。