镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展

2024-01-26 09:18陈楚玥霍苗简航岳
精密成形工程 2024年1期
关键词:籽晶单晶铸件

陈楚玥,霍苗,简航岳

高温合金成形

镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展

陈楚玥,霍苗*,简航岳

(西安石油大学 材料科学与工程学院,西安 710065)

随着单晶涡轮叶片结构的不断优化和高温合金中难熔元素添加量的增大,镍基高温合金单晶叶片在凝固过程中更易出现杂晶、条纹晶、枝晶碎臂、小角度晶界等缺陷。其中,杂晶是单晶叶片制备过程中最常见的一类凝固缺陷,严重影响单晶叶片的成品率。为了减少该类凝固缺陷的产生,提高叶片的成品率,研究镍基单晶高温合金杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施,对提高单晶叶片的服役性能具有重要意义。因此,关于定向凝固过程中杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施的研究,引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了单晶叶片的制备技术,分析了籽晶法和选晶法制备单晶叶片过程中不同位置杂晶的形成机理,分别讨论了选晶段杂晶、籽晶回熔区杂晶、缘板杂晶的影响因素和控制措施,并对未来的研究方向进行了展望。

镍基单晶高温合金;定向凝固;杂晶缺陷;控制方法

随着交通、生产等行业对飞机性能要求的不断提高,最早的活塞式发动机已不能满足需求,燃气涡轮发动机逐渐走向主流。在一台发动机中,叶片数量可达3 000~4 000片,是航空发动机的核心部件,其制造成本很高,难度极大[1]。随着制备技术的不断进步,涡轮叶片的微观组织由最初的等轴晶逐步发展为柱状晶和单晶,为其性能提高提供了基础,可以更好地满足航空发动机的高温工作环境和苛刻的服役条件[2],因此保证单晶的完整性和控制凝固缺陷就成为叶片制备的基本任务。然而,在单晶叶片的制备过程中,很容易出现杂晶、雀斑、条纹晶、再结晶、小角度晶界、选晶失败等凝固缺陷,各类缺陷会不同程度地损害合金性能并降低单晶叶片的使用寿命,甚至导致其报废,因此,减少和控制单晶叶片中凝固缺陷的产生至关重要[3]。其中,杂晶是单晶叶片铸造过程中最常见的宏观晶粒缺陷,国内外研究者已经就这类缺陷的形成机制、影响因素及相应控制方法开展了一系列研究工作,以期为合格单晶叶片的制备提供技术支持。

1 单晶叶片的制备

目前,涡轮叶片的生产主要采用定向凝固技术(Directional Solidification, DS)[4]。该技术可直接生产具有复杂形状的空心叶片,得到择优方向生长的柱状晶组织,消除叶片中的横向晶界,从而提高材料的抗蠕变性能、持久性能及热疲劳性能[5]。随着叶片制备技术的不断发展,涡轮叶片的凝固组织已从等轴晶优化为单晶,其承温能力因此得到了极大的提升[3],如图1所示。

1.1 定向凝固技术

定向凝固技术促进了凝固学理论的发展,同时也伴随着高温合金的发展。定向凝固是一种强制性的金属凝固过程,通过在金属熔体和未凝固金属之间建立特定方向的温度梯度来实现。这样可以使熔体沿着与热流相反的方向进行凝固,并最终形成具有特定取向的柱状晶或单晶。因此,对凝固速度场、温度场及溶质分布等方面都提出了更高的要求。同时,为了确保柱状晶的纵向生长不受限制,并且在其组织中不夹杂异向晶粒,应避免凝固界面前方出现形核和晶粒游离现象[6]。常见的定向凝固技术包括高速定向凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)、功率降低法(PD)、炉外法(EP)和流态床冷却法(FBQ)等,这些方法均可用于金属材料的定向凝固但各具优缺点,如表1所示[7]。

图1 航空发动机所用叶片材料进程[3]

目前,制备单晶叶片主要采用HRS法和LMC法[8],图2为两种方法的示意图。其中,HRS法具有设备结构设计简单、工艺成熟等优点。该方法利用水冷底座进行对流传热和空冷辐射换热来实现散热,同时炉体热区一直保持加热状态,从而保证了定向凝固具有一定的温度梯度,如图2a所示。但是,由于HRS法主要依靠辐射换热进行冷却,得到的温度梯度及冷却速度非常有限。为了进一步提高温度梯度并改善凝固组织,故在此基础上发展了液态金属冷却法(LMC)。

表1 常见定向凝固法的优缺点[7]

Tab.1 Advantages and disadvantages of the traditional directional solidification processes[7]

图2b为LMC法的示意图。该方法采用液态金属作为冷却介质,以增强模壳的散热能力,因此可以提高铸件的冷却速度,同时可以增大固液界面的温度梯度,能使铸件在相对稳态的环境下完成凝固。相比于HRS法的辐射散热,LMC法的对流散热更为高效。而且铸件一直浸没于液态金属之中,LMC技术具有相对稳定的冷却效果,较大程度地克服了HRS法存在的不足,特别是在处理大尺寸叶片时具有显著的优势。

图2 定向凝固技术

1.2 单晶制备方法

1.2.1 选晶法

制备单晶高温合金的方法有两种,一种是通过籽晶实现,另一种则是通过选晶来实现。该方法是使用最早、最简单的制备单晶体的方法。图3为选晶法制备单晶叶片的示意图[9],由于单晶与多晶材料之间存在较大差异,所以单晶高温合金的生产难度较高。为了制备单晶叶片,需在叶片底部添加一选晶器,对定向凝固过程中的参数进行设置,以实现单晶体的制备。选晶器是由引晶段和具有缩颈或拐角等各种形状的选晶段组成的。晶体的凝固始于引晶段内靠近激冷板侧的等轴晶形核;随着凝固的推进,等轴晶组织逐渐向定向凝固组织转变,最终在引晶段顶部获得按一定晶向生长的柱状晶组织;随后,根据在选晶段内择优生长原则,偏离[001]方向的晶粒进入型腔之前全部淘汰,只产生[001]方向的单晶,通过选晶器的几何约束,确保仅有一个晶粒进入叶片型腔,从而获得单晶铸件。

1.2.2 籽晶法

采用选晶技术制备的镍基单晶高温合金,其单晶体只能在控制单晶[001]方向与叶片的轴向成一定角度的前提下制备,但取向并不能完全满足要求,从而无法充分发挥其承载温度能力。籽晶技术在制备高温合金单晶铸件时表现出卓越的优越性,因为它能够高精度地控制晶体的三维定向,从而替代了传统的选晶技术。采用籽晶法,将取向与母合金相同的单晶体置于铸型底部作为籽晶,经加热使其局部熔化,在籽晶顶端和融化区之间形成回熔区,注入合金液后,通过适当控制固液界面前沿的温度梯度和抽拉速率,使铸件在残存的籽晶上生长并形成单晶体组织,如图4所示[9]。

图3 选晶法[9]

图4 籽晶法[9]

2 杂晶形成位置特征及形成机制

在单晶制备的过程中,杂晶是一种最为普遍的宏观晶粒缺陷[10-11]。杂晶缺陷通常可分为选晶段杂晶、籽晶回熔区杂晶以及缘板杂晶3种,其形成对材料性能有较大影响,如强度下降、塑性降低等,甚至会使铸件报废。为了提高单晶铸件的成功率,避免杂晶缺陷的产生,深入探究不同杂晶的形成位置和相应的形成机制显得至关重要。

2.1 选晶段杂晶及其形成机制

目前选晶技术工艺相对成熟,但在采用选晶法制备单晶时,由于螺旋段直径过大引起的选晶器尺度不合理,或由抽拉速率过大等因素造成的凝固参数控制不当会使选晶效果不佳,进而出现杂晶缺陷。

选晶器是选晶法制备单晶的核心。选晶器由引晶段和选晶段两部分组成。针对镍基单晶高温合金的面心立方结构,选晶器引晶段的作用在于优化晶粒取向,获得取向良好的<001>晶粒。其对晶粒的选择是由晶粒的竞争生长以及模壳阻碍晶粒生长的作用实现的。选晶器选晶段采用的是螺旋选晶器,其对晶体取向没有优化作用,它的作用是选择出单晶,经过螺旋段内狭窄通道的几何限制和热场对晶粒竞争生长的影响,最终使靠近选晶通道内侧的一个晶粒成功淘汰其他晶粒并进入叶片型腔[12]。选晶段杂晶(图5)[13]的产生是由于选晶器的几何尺度不合理以及凝固参数控制不当等因素,从而导致某些区域出现局部热辐射过冷区而产生形核[14],进而影响选晶效果,最终导致杂晶的生成,使所制备的单晶取向偏离轴向过大,一维取向与试样轴向常会不一致,如图6所示[15]。

图5 选晶段杂晶[13]

图6 选晶段局部过冷区形成模拟结果(a)(b)及实验结果(c)[15]

在Zhang等[16]的研究中,发现较小的选晶器角度容易导致选晶段杂晶的形成。选晶器角度越大,选晶效率越低,当选晶器角度大于70°就不能获得单晶组织。当选晶器角度在30°左右时能有效降低单晶取向和<001>的偏差。Esaka等[17]通过建立二维晶粒选择模型,研究了选晶器角度、长度、宽度对铸件产率的影响。发现若选晶器角度增大,铸件成品率会降低。选晶段螺升角、螺旋直径和螺旋线直径等几何参数对选晶效率也有明显的影响。张璞[18]发现随着螺旋直径的增大,螺升角或螺旋线直径的减小,选晶效率得到明显提高。Meng等[19]通过ProCAST模拟研究了螺旋选晶器中的晶粒选择模式。发现晶粒取向由选晶器的几何形状决定。此外,当初始角度足够大时,螺旋部分也可优化单晶的取向。张航等[20]研究了螺旋段在选晶过程中的作用,统计了螺旋直径变化对单晶位置的影响,指出当螺旋直径增加,选晶作用增强。Meng等[21]也研究了选晶器螺旋直径和起始角对选晶行为的影响。当选晶器螺旋段外径为9 mm,起始角为70°时不能生成单晶。马德新等[13]发现造成新晶粒形核长大的其中一个原因是选晶器型壳内壁的缺陷问题;温度场的变化,也会使螺旋选晶段中出现杂晶缺陷[22-23]。

2.2 籽晶回熔区杂晶及其形成机制

籽晶回熔区杂晶容易形成于籽晶引晶的回熔区附近区域[24],该类杂晶形态如图7所示。有研究表明,这类杂晶仅在抽拉起始阶段形核,在凝固达到稳态后不再形核,其主要特征是存在一类晶粒,其取向明显不同于基体单晶晶粒,并且呈现随机分布。

图7 回熔区处的杂晶形态[24]

Dsouza等[25]通过研究发现籽晶回熔区杂晶的形成机理。提出在初始阶段导致杂晶形核的原因主要有两个:1)定向凝固初始抽拉阶段形成的局部溶质富集;2)在凝固初始抽拉阶段,靠近模壳壁一侧回熔区界面有快速变化的曲率,由图7可知,回熔界面等温线呈现出由上凸急剧变为下凹的趋势,这会导致籽晶回熔区域产生过冷形核并形成杂晶。

Zhao等[26]的研究表明,在镍基单晶高温合金定向凝固过程中,非平行于热流方向的籽晶在远离坩埚壁的一侧容易形成杂晶,这一现象与竞争性生长机制密切相关。回熔区杂晶仅在抽拉初始阶段形核并且形成的杂晶取向随机。根据Stanford等[27]的研究,发现杂晶仅在抽拉初期的试样边缘出现,随着抽拉的不断进行,杂晶逐渐消失。Yang等[28-29]模拟了铸件参数对回熔区杂晶形成的影响规律,发现抽拉速率和晶体取向会影响溶质过冷度,但温度梯度不会影响溶质过冷度,因此温度梯度对杂晶晶粒的形成影响较小。还有学者发现籽晶顶端的氧化膜也会导致回熔区杂晶缺陷[30-31]。由于籽晶顶端在加热阶段会形成氧化膜,熔体浇注之后氧化膜会被冲刷进而被卷入熔体内部,缺陷会以此为核心生成。

2.3 缘板杂晶及其形成机制

2.3.1 过冷形核

缘板杂晶的形成主要源于平台内过冷熔体的异质形核,由于截面变化造成的温度差变化也会引起异质形核现象并形成杂晶。过冷熔体区域的阴影侧平台上,异质形核所形成的杂晶呈现出显著的分布特征。平台过冷区域的过冷度又称为结构性过冷度,变截面平台结构性过冷度越大,杂晶越易产生[32]。Meyer等[33]的研究表明,平台杂晶的生成源于平台边角过冷区内异质形核的生成(图9)。单晶叶片的缘板是杂晶容易形成的位置。如图10[34]所示,是CMSX-4合金叶片的缘板部位,因其卓越的散热性能,凸出的边角处会产生过冷现象。当金属液的过冷程度超过临界形核过冷度时,将引发新晶粒的形核和生长,从而导致杂晶缺陷的生成[35]。

2.3.2 枝晶熔断

在枝晶生长过程中的枝晶臂熔断也会形成杂晶。枝晶熔断所形成的杂晶主要分布在阴影侧平台的过冷熔体区域,这是因为过冷熔体固液界面处的热量传递较高,从而导致其糊状区内枝晶熔断的概率也相应增加(图11)。马德新等研究发现,当缘板尺寸比较小时不会形成杂晶。在缘板尺寸较大的情况下,缘板内侧边角处会出现大量细小的杂晶,这些杂晶在微小的范围内形成[36]。在单晶高温合金定向凝固过程中,Pollock等[11]发现,当一次枝晶间距超过一定阈值时,枝晶间会有杂晶生成。随着一次枝晶间距的增加,枝晶间的热溶质对流呈现出逐渐扩大的趋势,从而导致二次枝晶臂被熔断。因此,为了避免发生过冷和抑制二次枝晶臂的熔断,必须控制一次枝晶间距。Yasuda等[37]的研究表明,枝晶臂的断裂会引起杂晶形成。在枝晶尖端生长之前,断裂部分会逐渐扩大并形成杂晶,而随着生长速度的减缓,也会加速枝晶的断裂过程。另外还发现,在一定范围内增加晶粒尺寸可以减小杂晶产生率。

图9 平台温度场变化[33]

图10 缘板杂晶[35]

图11 糊状区枝晶断裂过程[37]

2.3.3 枝晶偏转

除了异质形核和枝晶熔断,枝晶偏转也会形成大角度晶界,进而形成杂晶缺陷。枝晶在生长过程中会发生晶体学取向的改变,即枝晶偏转。有大量研究表明,枝晶在生长过程中会发生枝晶偏转[38-39]。一般认为枝晶偏转这一现象的主要原因是糊状区内枝晶间的应变差异[40]。图12是抽拉速率为9 mm/min时平台底面在固相线附近的变形量情况[41]。可以观察到温度达到1 324~1 340 ℃时,平台内部温度明显高于平台边缘温度(图12a),这种温度变化导致平台边缘的变形量远高于内部(图12b)。凝固平台边缘向内收缩引起糊状区内枝晶间应变差异,最终导致晶体取向发生枝晶偏转[41]。

3 杂晶缺陷形成因素的影响规律与控制措施

3.1 杂晶缺陷形成因素的影响规律

3.1.1 合金的成分对杂晶的影响

合金成分显著影响杂晶形成倾向性。张小丽等[42]对镍基单晶高温合金定向凝固过程中的杂晶形成倾向性进行了研究,表2是3种合金所用的化学成分。结果表明,第一代合金SRR99的杂晶形成倾向最弱,第二代DD5次之,第三代DD90最强。这是由于随着难熔元素含量增加(图13),合金的液相线温度升高,由于∆=–,平台边角处的过冷度逐渐减小。焦娟娟[43]发现合金中碳元素的添加降低了合金的液相线温度,有效阻止了糊状区熔体的对流,有助于抑制杂晶的生成。所以不同合金的成分都会涉及多个元素,因此关于难溶元素对杂晶的影响需深入研究。在设计合金成分时,还需要考虑合金的铸造性能、组织稳定性等因素,所以合金中各元素之间的最佳合理配比也是单晶高温合金须考虑的一个重要因素。

图12 温度及变形量分布图[41]

3.1.2 铸件形状对杂晶的影响

在叶片的叶身部分可利用垂直的定向凝固制备单晶体,但由于铸件的几何形状等问题,在叶片的缘板和叶冠部分不能有序进行定向凝固,会出现杂晶缺陷,导致整个叶片单晶性的破坏。马德新等[13]检验了铸件外形变化对杂晶形成的影响,将铸件分为两种不同形状的样品,将样品看作叶片,凸台看作叶片中截面发生突变的缘板或叶冠部位(图14)。经观察,a型样品仅出现了一个凸台存在杂晶,而b型样品则有5个凸台出现杂晶。值得注意的是,随着凸台截面积的增大,杂晶形成的趋势也相应增强。这一发现表明铸件外形变化对于杂晶生成具有显著影响。

表2 所用合金的化学成分

Tab.2 Chemical composition of the alloy used wt.%

图13 合金成分对杂晶形成的影响[42]

图14 两种铸件的形状与杂晶位置[13]

3.2 杂晶缺陷的控制措施

3.2.1 选晶段

由于杂晶会在不同的位置形成,相应的控制措施也会有所差异。选晶段中的杂晶缺陷可通过调整选晶段的几何尺寸或降低凝固速率来消除,提高了单晶制备率。研究发现,使用螺旋选晶器可得到单晶在<001>方向与叶片轴向偏离角低于15°。一般铸件的纵向和<001>方向都可以控制在15°以内,但是不能控制横向及其他方向的取向[44]。因此,在单晶高温合金中进行定向凝固研究是很有必要的。而采用选晶法制备CMSX-4合金高压涡轮叶片时,晶粒取向偏离轴向的程度高达18°[45]。通过比较螺旋选晶器和缩颈选晶器的选晶过程,郑启等[46]得出结论:螺旋选晶器的选晶效果优于缩颈选晶器。Dai等[47]研究了保持螺旋段外径和转数不变,通过改变起始角和螺矩能影响选晶过程。通过降低螺旋段起始角度和螺矩,可以有效提升螺旋段的选晶效率。类似的发现在张航等[20]的研究中也得到证实。徐莽等[48]指出位于螺旋通道内侧前沿的晶粒,在选晶过程中占据优势。单晶的筛选过程可以在螺旋段约三分之一的螺旋高度处实现。随着引晶段高度的增加,一次枝晶间距的扩大导致晶粒密度的显著降低,而位于螺旋通道内侧的晶粒则成为螺旋选晶过程中最容易被筛选出来的对象。同时,适当提高定向凝固过程中的温度梯度可以降低单晶叶片偏离轴向的角度[19],从而避免杂晶产生。

3.2.2 籽晶回熔区

籽晶回熔区杂晶这一问题也是限制单晶成品率的一个至关重要的因素。当杂晶的生长达到一定程度时,籽晶在回熔区内的温度将显著降低,导致整个区域出现明显的过冷现象,过冷度随晶粒尺寸增大而减小。在回熔区的交界处,上下两个区域均会发生杂晶的形成,这些杂晶在形成后将与籽晶展开激烈的竞争,并持续不断地生长。一些学者的研究发现,可结合籽晶法和选晶法各自具有的独特优势来共同制备出单晶,即籽晶选晶法。李亚峰[32]设计了一种籽晶选晶技术,该方法能有效控制晶体取向,其单晶取向与籽晶取向偏差最大为1.86°。李树索等[49]设计了一种籽晶法和螺旋选晶法相结合的方法。该方法利用籽晶法对单晶高温合金进行选择性生长,通过改变工艺参数实现对单晶高温合金晶粒尺寸的控制,可有效避免因晶体生长方向不一致导致的缺陷,以及因温度梯度引起的晶粒尺寸不均而产生的晶界偏析。Xuan等[50]还发现,籽晶回熔区的模壳上增加的热阻材料可以减少侧向散热以及杂晶缺陷。热阻材料使界面由凸形转变为平界面,抑制了杂晶形核。同时外加强静磁场也可抑制回熔区杂晶的形成,但由于各种因素,难度很大[51]。韩雅芳等[52]提出了一种新方法,用于制备镍基单晶高温合金:通过将籽晶预埋到模壳内部以消除可能存在的籽晶与模壳之间的间隙。这一创新方法显著提升了单晶体制备的成功率。

3.2.3 缘板处杂晶

目前,缘板处杂晶在控制方面已取得一些成果:

1)优化凝固条件。对工艺参数及铸型结构进行调整,例如提高炉温、减薄壁厚、调整抽拉速度、增加温度梯度,可减小横向温度梯度,使凝固界面更趋近于平直,达到减少杂晶缺陷的目的。Meyer等[33]通过减小抽拉速率成功实现了对平台杂晶的控制。

2)外加磁场。Xuan等[53]在变截面高温合金定向凝固实验过程中,进行了强磁场控制杂晶实验。他们发现杂晶会在强磁场作用下减少生成倾向,原因是强磁场会导致形核过冷度增加,达到抑制缘板处杂晶的目的。

3)合理选择合金。合金的形核过冷度会影响杂晶缺陷,形核过冷度大的合金比形核过冷度较小的合金更容易生成杂晶。

4)温度场的改变。缘板杂晶的形成受温度场影响,因此,可通过改变局部温场分布达到控制杂晶的目的[54]。

5)辅助引晶技术。辅助引晶技术的原理是,孤立过冷区经辅助杆引导,在达到临界形核过冷度之前被单晶组织填满,从而有效限制了杂晶的生成。该技术主要针对大尺度叶片,但该技术易产生小角度晶界,小角度晶界也会对铸件力学性能产生影响,导致铸件报废。

3 展望

综上所述,考虑到杂晶的产生具有很强的复杂性以及不确定性,因此要从根本上解决这一问题是一项极具挑战的任务,这极大地阻碍了单晶叶片的进一步发展。随着人们对晶体生长机制认识的深入和研究手段的进步,可以认为杂晶已经成为影响单晶铸造工艺稳定性的关键因素之一。学者们仍需大量的实验以探究在不同形状试样中形成杂晶的条件,以及在形成过程中杂晶产生部位的温度变化。此外,随着对晶体微观结构研究的深入,人们已经意识到晶体生长速率与材料内部微裂纹之间存在着密切的关系,从而可以通过调节晶体生长速率来改善单晶铸件的质量。研究者们采用了引晶+籽晶技术、通过改变抽拉速度、提高温度梯度等方法来消除杂晶,已经取得了一定的进展,这些进展为获得性能优异的单晶铸件提供了技术支持。然而,研究者们在探索控制杂晶措施的过程中也发现,在解决杂晶缺陷的同时,也会导致其他缺陷的形成,因此,关于如何得到性能更好的单晶铸件这一问题还需深入探究。随着计算机技术及数值模拟技术的不断发展,利用有限元软件对复杂结构模型进行分析,这为研究各种材料及其组织形态下形成的晶体缺陷提供了新的途径。借助成熟的模拟技术进行凝固过程的模拟,并辅助进行凝固缺陷的预测和预防,也将是定向凝固制备单晶叶片工艺优化的有效途径。

[1] 李其汉. 航空发动机结构完整性研究进展[J]. 航空发动机, 2014, 40(5): 1-6.

LI Q H. Investigation Progress on Aeroengine Structural Integrity[J]. Aeroengine, 2014, 40(5): 1-6.

[2] 胡壮麒, 刘丽荣, 金涛, 等. 镍基单晶高温合金的发展[J]. 航空发动机, 2005, 31(3): 1-7.

HU Z Q, LIU L R, JIN T, et al. Development of the Ni- Base Single Crystal Superalloys[J]. Aeroengine, 2005, 31(3): 1-7.

[3] 李金国, 孟祥斌, 刘纪德, 等. 单晶高温合金涡轮叶片的常见凝固缺陷及控制方法[J]. 特种铸造及有色合金, 2021, 41(11): 1321-1327.

LI J G, MENG X B, LIU J D, et al. Common Solidification Defects and Inhibition Methods in Single Crystal Superalloy Turbine Blades[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2021, 41(11): 1321-1327.

[4] WRIGHT D C, SMITH D J. Forging of Blades for Gas Turbines[J]. Materials Science and Technology, 1986, 2(7): 742-747.

[5] VERSNYDER F I, SHANK M E. The Development of Columnar Grain and Single Crystal High Temperature Materials through Directional Solidification[J]. Materials Science and Engineering, 1970, 6(4): 213-247.

[6] 胡汉起. 金属凝固原理[M]. 2版. 北京: 机械工业出版社, 2000.

HU H Q. Principle of Metal Solidification[M]. 2nd ed. Beijing: China Machine Press, 2000.

[7] 问亚岗, 崔春娟, 田露露, 等. 定向凝固技术的研究进展与应用[J]. 材料导报, 2016, 30(3): 116-120.

WEN Y G, CUI C J, TIAN L L, et al. Research Progress and Application of the Directional Solidification Technology[J]. Materials Review, 2016, 30(3): 116-120.

[8] 刘林, 张军, 沈军, 等. 高温合金定向凝固技术研究进展[J]. 中国材料进展, 2010, 29(7): 1-9, 41.

LIU L, ZHANG J, SHEN J, et al. Advances in Directional Solidification Techniques of Superalloys[J]. Materials China, 2010, 29(7): 1-9, 41.

[9] PAUL U, SAHM P R, GOLDSCHMIDT D. Inhomogeneities in Single-Crystal Components[J]. Materials Science and Engineering: A, 1993, 173(1/2): 49-54.

[10] 高斯峰,镍基单晶高温合金选晶行为及凝固组织研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2013.

GAO S F, Study on Crystallization Behavior and Solidification Microstructure of Nickel-Based Single Crystal Superalloy[D]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University, 2013.

[11] POLLOCK T M, MURPHY W H. The Breakdown of Single-Crystal Solidification in High Refractory Nickel- Base Alloys[J]. Metallurgical and Materials Transac­tions A, 1996, 27(4): 1081-1094.

[12] 高斯峰, 刘林, 王柠, 等. 镍基单晶高温合金DD3制备过程中晶粒演化和选晶行为的EBsD研究[J]. 金属学报, 2011, 47(10): 1251-1256.

GAO S F, LIU L, WANG N, et al. Ebsd Studies of Grain Evolution and Grain Selection Behavior during the Preparation of Ni-Based Single Crystal Superalloy DD3[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2011, 47(10): 1251- 1256.

[13] 马德新, 王富, 孙洪元, 等. 高温合金单晶铸件中杂晶缺陷的试验研究[J]. 铸造, 2019, 68(6): 558-566.

MA D X, WANG F, SUN H Y, et al. Experimental In­vestigations on Stray Grain Defects in Single Crystal Castings of Superalloys[J]. Foundry, 2019, 68(6): 558- 566.

[14] WANG N, LIU L, GAO S F, et al. Simulation of Grain Selection during Single Crystal Casting of a Ni-Base Superalloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 586: 220-229.

[15] J D MILLER. Heat Extraction and Dendritic Growth during Directional Solidification of Single-Crystal Nickel- Based Superalloys[D].Ann Anbor: the University of Michigan, 2011: 126.

[16] ZHANG R L, CHEN L N, LI C H, et al. Influence of Spiral Crystal Selector on Crystal Orientation of Single Crystal Superalloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(5): 1092-1095.

[17] ESAKA H, SHINOZUKA K, TAMURA M. Analysis of Single Crystal Casting Process Taking into Account the Shape of Pigtail[J]. Materials Science and Engineering: A, 2005, 413/414: 151-155.

[18] 张璞. CAFE模型模拟研究螺旋选晶器几何参数对选晶的影响[D]. 太原: 中北大学, 2016.

ZHANG P. Influence of Geometrical Parameters of Spiral Selector on Grain Selection by CAFE Method[D]. Taiyuan: North University of China, 2016.

[19] MENG X B, LU Q, LI J G, et al. Modes of Grain Selection in Spiral Selector during Directional Solidification of Nickel-Base Superalloys[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2012, 28(3): 214-220.

[20] 张航, 许庆彦, 孙长波, 等. 单晶高温合金螺旋选晶过程的数值模拟与实验研究 Ⅱ.螺旋段[J]. 金属学报, 2013, 49(12): 1521-1531.

ZHANG H, XU Q Y, SUN C B, et al. Simulation and Experimental Studies on Grain Selection Behavior of SINGLE CRYSTAL SUPER­ALLOY Ⅱ. Spiral Part[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2013, 49(12): 1521-1531.

[21] MENG X B, LI J G, JIN T, et al. Evolution of Grain Selection in Spiral Selector during Directional Solidification of Nickel-Base Superalloys[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2011, 27(2): 118-126.

[22] 宗学文, 张斌, 张凌峰, 等. 螺旋选晶器温度场对选晶过程的影响[J]. 真空科学与技术学报, 2018, 38(9): 801-804.

ZONG X W, ZHANG B, ZHANG L F, et al. Impact of Temperature Gradient on Crystal Selection in Spiral Separator: A Simulation Study[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2018, 38(9): 801-804.

[23] 贾志宏, 马奥林, 赵玉涛, 等. 单晶高温合金螺旋选晶器选晶行为的模拟和试验研究[J]. 特种铸造及有色合金, 2019, 39(3): 242-246.

JIA Z H, MA A L, ZHAO Y T, et al. Simulation and Experimental Analysis on Crystal Selection Behavior of Spiral Grain Selector for Single Crystal Superalloy[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2019, 39(3): 242- 246.

[24] LI Y F, LIU L, HUANG T W, et al. The Process Analysis of Seeding-Grain Selection and Its Effect on Stray Grain and Orientation Control[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 657: 341-347.

[25] DSOUZA N, JENNINGS P A, YANG X L, et al. Seeding of Single-Crystal Superalloys—Role of Constitutional Undercooling and Primary Dendrite Orientation on Stray-Grain Nucleation and Growth[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2005, 36(5): 657-666.

[26] ZHAO X B, LIU L, ZHANG W G, et al. Analysis of Competitive Growth Mechanism of Stray Grains of Single Crystal Superalloys during Directional Solidification Process[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2011, 40(1): 9-13.

[27] STANFORD N, DJAKOVIC A, SHOLLOCK B, et al. Defect Grains in the Melt-back Region of CMSX-4 Single Crystal Seeds[C]//Superalloys 2004 (Tenth International Symposium). TMS, 2004, 50: 159-163.

[28] YANG X L, NESS D, LEE P D, et al. Simulation of Stray Grain Formation during Single Crystal Seed Melt-back and Initial Withdrawal in the Ni-Base Superalloy CMSX4[J]. Materials Science and Engineering: A, 2005, 413/414: 571-577.

[29] YANG X L, LEE P D, D’SOUZA N. Stray Grain Formation in the Seed Region of Single-Crystal Turbine Blades[J]. JOM, 2005, 57(5): 40-44.

[30] CAMPBELL J. The Origin of Griffith Cracks[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2011, 42(6): 1091-1097.

[31] CAMPBELL J, TIRYAKIOĞLU M. Bifilm Defects in Ni-Based Alloy Castings[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2012, 43(4): 902-914.

[32] 李亚峰. 镍基单晶高温合金涡轮叶片平台杂晶缺陷研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2018.

LI Y F. Study on Stray Grain Formation in the Platform of Ni-Based Single Crystal Superalloys Turbine Blade [D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2018.

[33] VEHN M M, DEDECKE D, PAUL U, et al. Undercooling Related Casting Defects in Single Crystal Turbine Blades[C]//Superalloys 1996 (Eighth International Symposium). TMS, 1996: 471-479.

[34] 马德新, 张琼元, 王海洋, 等. 高温合金DD483熔体的过冷能力研究[J]. 铸造, 2017, 66(6): 593-597.

MA D X, ZHANG Q Y, WANG H Y, et al. Measurement of Undercoolability of Superalloy DD483[J]. Foundry, 2017, 66(6): 593-597.

[35] 马德新, 张琼元, 王海洋, 等. 几种镍基高温合金的过冷能力和单晶可铸性的研究与比较[J]. 铸造, 2019, 68(6): 542-549.

MA D X, ZHANG Q Y, WANG H Y, et al. Investigation on Undercoolability and Single Crystal Castability of some Ni-Based Superalloys[J]. Foundry, 2019, 68(6): 542-549.

[36] 马德新. 高温合金单晶叶片铸件中的晶粒缺陷[C]// 2017中国铸造活动周论文集. 苏州, 2017: 43-52.

MA D X. Grain Defects in High-temperature Alloy Single Crystal Blade Castings[C]//2017 China Foundry Activity Week Essay Collection. Suzhou, 2017: 43-52.

[37] YASUDA H, OHNAKA I, KAWASAKI K, et al. Direct Observation of Stray Crystal Formation in Unidirectional Solidification of Sn–Bi Alloy by X-Ray Imaging[J]. Journal of Crystal Growth, 2004, 262(1/2/3/4): 645-652.

[38] SUN D J, LIU L, HUANG T W, et al. Insight of the Dendrite Deformation in Ni-Based Superalloys for Increased Misorientation along Convergent Boundaries[J]. Progress in Natural Science: Materials International, 2018, 28(4): 489-495.

[39] BOGDANOWICZ W, ALBRECHT R, SIENIAWSKI J, et al. The Subgrain Structure in Turbine Blade Roots of CMSX-4 Superalloy[J]. Journal of Crystal Growth, 2014, 401: 418-422.

[40] 孙德建. 镍基单晶高温合金叶片平台区域取向缺陷研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2019.

SUN D J. Study on Misorientation Defects in the Platform Region of Ni-Based Single Crystal Superalloys Turbine Blade[D].Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2019.

[41] 孙德建, 刘林, 黄太文, 等. 镍基单晶高温合金叶片模拟件平台处的枝晶生长和取向演化[J]. 金属学报, 2019, 55(5): 619-626.

SUN D J, LIU L, HUANG T W, et al. Dendrite Growth and Orientation Evolution in the Platform of Simplified Turbine Blade for Nickel-Based Single Crystal Superalloys[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2019, 55(5): 619- 626.

[42] 张小丽, 周亦胄, 金涛, 等. 镍基单晶高温合金杂晶形成倾向性的研究[J]. 金属学报, 2012, 48(10): 1229- 1236.

ZHANG X L, ZHOU Y Z, JIN T, et al. Study on the Tendency of Stray Grain Formation of Ni-Based Single Crystal Superalloys[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2012, 48(10): 1229-1236.

[43] 焦娟娟.单晶高温合金晶体取向及合金成分对凝固缺陷影响研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2015.

JIAO J J. The Effects of Dendritic Orientation and Alloy Composition on Solidification Defects of Single Crystal Superalloys[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical Uni­versity, 2015.

[44] 刘金来. 一种镍基单晶高温合金的拉伸、持久性能及组织演变[D]. 沈阳: 中国科学院金属所, 2002.

LIU J L. Tensile, Durable Properties and Microstructure Evolution of a Ni-based Single Crystal Superalloy[D]. Shenyang: Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, 2002.

[45] D’SOUZA N, ARDAKANI M G, MCLEAN M, et al. Directional and Single-Crystal Solidification of Ni-Base Superalloys: Part I. the Role of Curved Isotherms on Grain Selection[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2000, 31(11): 2877-2886.

[46] 郑启, 侯桂臣, 田为民, 等. 单晶高温合金的选晶行为[J]. 中国有色金属学报, 2001, 11(2): 176-178.

ZHENG Q, HOU G C, TIAN W M, et al. Grain Selection Behavior of Single Crystal Superalloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2001, 11(2): 176- 178.

[47] DAI H J, GEBELIN J C, NEWELL M, et al. Grain Selection during Solidification in Spiral Grain Selector[C]//Superalloys 2008 (Eleventh International Symposium). TMS, 2008: 367-374.

[48] 徐莽, 张相龙, 耿小奇, 等. 定向凝固镍基单晶高温合金螺旋选晶过程显微组织与晶体的生长[J]. 特种铸造及有色合金, 2021, 41(7): 831-836.

XU M, ZHANG X L, GENG X Q, et al. Microstructure Characterization and Competitive Crystal Growth of Directional Solidified Nickel-Based Single Crystal Superalloy during Spiral Grain Selector[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2021, 41(7): 831-836.

[49] 李树索, 蒋立武, 韩雅芳, 等. 采用籽晶法与螺旋选晶法组合制备Ni基单晶高温合金的方法: CN100557092C[P]. 2009-11-04.

LI S S, JIANG L W, HAN Y F, et al. Method for Preparing Ni Based Single-Crystal Refractory Alloy by Employing Combination of Seed Crystal Method and Screw Selecting Method: CN100557092C[P]. 2009- 11-04.

[50] XUAN W D, LAN J, LIU H, et al. A Method of Stray Grain Suppression for Single-Crystal Superalloy during Seed Melt-back[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2016, 47(12): 5691-5697.

[51] XUAN W D, LIU H, LI C J, et al. Effect of a High Magnetic Field on Microstructures of Ni-Based Single Crystal Superalloy during Seed Melt-back[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2016, 47(2): 828-833.

[52] 韩雅芳, 李树索, 蒋立武. 一种Ni基单晶高温合金采用将晶制备的方法. 中国: 200710179683.1[P]. 2012- 12-7.

HAN Y F, LI S S, JIANG L W. A kind of Ni-Based Single Crystal Superalloy Adopts the Method of Preparing Crystal. China: 200710179683.1[P]. 2012-12-7.

[53] XUAN W D, REN Z M, LI C J. Experimental Evidence of the Effect of a High Magnetic Field on the Stray Grains Formation in Cross-Section Change Region for Ni-Based Superalloy during Directional Solidification [J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2015, 46(4): 1461-1466.

[54] MA D X, BÜHRIG-POLACZEK A. Application of a Heat Conductor Technique in the Production of Single-Crystal Turbine Blades[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2009, 40(5): 738-748.

Research Progress on Stray Grain Defects in Ni-based Single Crystal Superalloy

CHEN Chuyue, HUO Miao*, JIAN Hangyue

(School of Materials Science and Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China)

With the complexity of turbine blade structure and the increase of refractory elements in alloy, solidification defects such as stray grain, freckles, dendrites fragment and low angle grain boundaries are more likely to occur during the preparation of nickel-based single crystal superalloy blades. Among them, the occurrence of stray grain is a prevalent defect during the solidification process in the production of single crystal blades, which seriously affects the delivery rate of single crystal blades. In order to reduce the occurrence of such solidification defects and improve the yield of blades, the work aims to study the formation mechanism, affecting factors and strategies for mitigating stray grain defects in nickel-based single crystal superalloy, which is of significant importance for enhancing the service performance of single crystal blades. Therefore, the investigation into the formation mechanism, affecting factors, and strategies for mitigating stray grain defects in directional solidification process has attracted extensive attention from researchers in China and abroad. The preparation technology of single crystal blade was reviewed, the formation mechanism of stray grain at different positions in the preparation process of single crystal blade by seed crystal method and crystal selection method was analyzed, the affecting factors and measures used to control stray grain in the crystal selection section, seed crystal remelting zone and edge plate stray grain were discussed, and the future research direction was prospected.

Ni-based single crystal superalloy; directional solidification; stray grain defect; control methods

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.015

TG132.3

A

1674-6457(2024)01-0129-11

2023-08-19

2023-08-19

国家自然科学基金(5210011310);陕西省自然科学基础研究计划(2021JM-403);陕西省教育厅科研计划(21JC027);西安市科技计划(2020KJRC0100)

National Natural Science Foundation of China(521001130); Natural Science Basic Research Program of Shaanxi Province(2021JM-403);Scientific Research Program of Shaanxi Provincial Education Department (21JC027);Xi'an Science and Technology Plan(2020KJRC0100)

陈楚玥, 霍苗, 简航岳. 镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 129-139.

CHEN Chuyue, HUO Miao, JIAN Hangyue. Research Progress on Stray Grain Defects in Ni-based Single Crystal Superalloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 129-139.

(Corresponding author)

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