磁场作用下镍基高温合金定向凝固的研究进展

赵 勇，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)

0 引 言

镍基高温合金具有较高的高温强度，良好的抗氧化、耐腐蚀性能以及优异的组织稳定性，是航空发动机和地面燃气轮机高温热端部件，特别是涡轮叶片主流使用的核心关键材料[1]。定向凝固技术通过控制单向热流，消除了横向晶界，极大提升了高温合金的力学性能，是目前发动机定向柱晶和单晶叶片常用的制备技术。通常，高温合金的力学性能不仅与合金成分、凝固工艺参数有关，还与枝晶间距、析出相等[2](如图1所示)密切相关。为了进一步改善和提高合金的承温能力，研究人员主要通过添加难熔元素[3]或优化凝固工艺[4-6]的方法来提高高温合金的力学性能。

图1 镍基高温合金定向凝固组织示意

随着难熔元素含量的不断增加，单晶高温合金代次不断提高，目前已经发展到了第六代[3]；但大量难熔元素的添加导致合金密度不断增大，组织易产生严重的成分偏析并析出有害相，这使得通过该途径提高合金高温性能受到一定限制。与此同时，定向凝固技术不断取得新进展。传统定向凝固方法由Bridgman发明[7]，其基本原理是用隔热挡板将上部加热区和下部冷却区隔开而形成一维温度梯度，铸件在上部加热区发生熔化，在下部经历强制冷却，通过定向抽拉获得单向排列的凝固组织。在此基础之上发展了快速凝固技术(high rate solidification，HRS)，目前已较为成熟，但其温度梯度和冷却速率较小，因此凝固组织粗大、枝晶偏析严重，影响了合金综合性能的提高[8]。随后，液态金属冷却法(liquid metal cooling，LMC)[4]、区域熔化液态金属冷却法(zone melting liquid metal cooling，ZMLMC)[9]、气冷法(gas cooling casting，GCC)[10]等先进定向凝固技术被相继开发出来。这些技术的温度梯度进一步增大，然而在应用于工业生产时也会产生部分不利影响，如铸造污染、非均匀温度场以及杂晶等[5,11-12]。此外，这些技术的开发理念主要基于提高温度梯度、改变冷却速率，但受实际工艺条件的限制，温度梯度和冷却速率难以进一步提高。因此，发展一种新的技术解决上述问题以制备出高质量的合金铸件，是国内外科研工作者面临的一个主要难题。

磁场作为一种外加物理场，主要以力和能的形式无接触地作用于材料凝固过程，能够在不改变合金成分和凝固工艺的基础上实现组织和性能的优化，因此近几十年来得到了长足的发展，并形成了材料电磁加工这一极具发展前景的新工艺，目前已成功应用于单晶硅材料的工业生产[13-14]。近十年来，国内外研究者开始将磁场引入到高温合金的定向凝固过程中，对磁场作用下高温合金的组织与性能开展了大量研究，并取得了丰硕的研究成果。磁场控制定向凝固是除了改变温度梯度和冷却速率以外的一种极具前景的新思路，有望成为制备高性能高温合金铸件的新途径。因此，作者系统阐述了磁场控制定向凝固的效应和机制，综述了近十年来磁场作用下高温合金定向凝固的研究进展，重点介绍了磁场对高温合金凝固组织、凝固缺陷和蠕变性能的影响规律。在此基础上，展望了高温合金磁场定向凝固技术的发展趋势和研究方向。

1 磁场作用下的典型效应

磁场对合金凝固过程中的传热、传质和对流会产生重要影响，进而影响合金的凝固组织和成分分布。根据磁场强度和方向是否发生变化将磁场分为静磁场和动磁场两类。与导电熔体相互作用时，静磁场的典型效应主要表现为磁阻尼效应和热电磁效应，而动磁场主要表现为电磁搅拌效应。

1.1 静磁场下的典型效应

静磁场是指磁场强度和方向保持不变的磁场，主要通过永磁体或直流电流产生。将静磁场作用于合金的凝固过程时，主要存在两种效应，即磁阻尼效应和热电磁效应。

1.1.1 磁阻尼效应

磁阻尼效应是指磁场抑制流体流动的一种效应，又称电磁制动或电磁阀(electromagnetic braking，EMB)效应。在合金凝固过程中，由于温度梯度和浓度梯度的存在，金属液不可避免地会产生自然对流，同时其他外界扰动也会使金属液流动[15]；液态金属流切割磁感线会在金属液内部形成感应电流。作为导电熔体，液态金属与外加磁场相互作用就会产生电磁制动力[16]。电磁力的产生基于两个基本定律：一是流动的液态金属与磁场相互作用产生感应电流，二是载流导体与磁场相互作用产生洛伦兹力(又称电磁制动力)。数学表达式分别为

j=σ(V×B)

(1)

F=j×B=σ(V×B)×B

(2)

式中：j为感应电流；B为磁场强度；V为流体运动速度；σ为电导率；F为电磁制动力。

如图2所示，洛伦兹力方向与金属液流动方向相反，这会使熔体的对流减弱，在足够强的磁场下甚至可以完全抑制对流。UTECH等[17]已从理论和实验证明了EMB效应对熔体自然对流的抑制作用。

图2 运动的载流导体与磁场作用示意

EMB效应的阻尼效率用Hartmann数Ha表征，表达式为

Ha=(σ/η)1/2BL

(3)

式中：η为动力黏度；L为特征长度。

已有研究表明，Ha约为240时能够有效抑制自然对流，但针对不同的合金体系，此数值有所差异[18]。

1.1.2 热电磁效应

图3 Seebeck效应示意

在合金定向凝固过程中，糊状区固相和液相枝晶的热电流可分别表示为

(4)

(5)

式中：σL，σS分别为液相和固相的电导率；fL和fS分别为液相和固相的体积分数；SS和SL分别为固相和液相的热电势。

在定向凝固过程中，产生的热电磁力分别作用于固相枝晶和枝晶间液相。热电磁力驱动枝晶间熔体流动，形成热电磁对流效应(thermoelectric magnetic convection，TEMC)，如图4所示。

图4 枝晶间区域热电磁对流示意

1.2 动磁场的电磁搅拌效应

磁场强度和方向发生变化的磁场统称为动磁场，常见的有交变磁场、脉冲磁场和行波磁场等。在电磁冶金领域，一般通过施加变化的磁场来驱动流体流动，从而达到改善凝固组织和偏析的目的。

在动磁场作用下，金属内电磁现象可用麦克斯韦方程组[20]描述：

(6)

式中：E为感应电场强度；t为时间。

根据电磁场理论，在凝固过程中施加变化的磁场后，熔体中会产生感应电流，感应电流和外加磁场相互作用就会产生电磁力。由磁流体力学理论可知，电磁力作用于金属熔体会使熔体产生对流，作用于固相会使固相受力，从而对凝固组织和偏析产生影响。电磁力驱动熔体流动可用Navier-Stokes(N-S)方程[21]来描述：

(7)

式中：ρ为熔体密度；u为熔体瞬时速度；p为压力；ν为熔体运动学黏度；FV为体积力，包括重力和电磁力等。

2 静磁场下高温合金定向凝固的组织、缺陷与性能

近年来，由于超导磁体和超低温冷却技术的发展，磁场强度大于2 T的强静磁场得到了商用。研究者们开始将静磁场(0～14 T)应用于高温合金的定向凝固过程，并取得了大量研究结果。

2.1 静磁场下高温合金定向凝固的组织特点

2.1.1 一次枝晶间距

一次枝晶间距是高温合金定向凝固过程中的重要结构参数。已有研究一致认为，在相同的热处理条件下，一次枝晶间距越小，合金的力学性能越好，尤其是在拉伸强度和延展性方面[22]。

多项研究[10, 22-25]表明，磁场能够显著影响高温合金的一次枝晶间距。ZHANG等[22]研究发现，在温度梯度180 K·cm-1、抽拉速率40 μm·s-1条件下，施加6 T的纵向强磁场可以使定向凝固DZ417G高温合金的一次枝晶间距减小约22%，细化效果显著，但磁场强度大于6 T时枝晶间距又开始变大。LI等[26]研究了纵向弱磁场(B≤ 0.5 T)对不同直径DZ417G镍基高温合金试样一次枝晶间距的影响，发现随着磁场的增强，一次枝晶间距也呈现出先减后增的变化规律。另外，横向磁场也可以细化一次枝晶间距。LI等[27]和董建文等[28]研究表明，随着横向磁场强度的增大(B≤ 0.5 T)，DZ417G高温合金的一次枝晶间距逐渐减小，但没有呈现先减后增的规律。

以上结果表明，在高温合金定向凝固过程中施加横向/纵向静磁场时，随着磁场强度的增大，一次枝晶间距均发生显著变化。在一定条件下，对纵向磁场而言，一次枝晶间距随磁场强度的增大呈现先减小后增大的变化规律；横向磁场的施加会显著降低一次枝晶间距。磁场对枝晶间距的影响还取决于温度梯度、生长速率[28]和试样尺寸等因素。当试样尺寸一定时，合理优化温度梯度、抽拉速率和磁场强度，可以获得更加细小的一次枝晶。

2.1.2 柱状枝晶向等轴晶转变

在高温合金定向凝固过程中施加横向/纵向磁场还可诱发柱状枝晶向等轴晶的转变，即CET转变。通常，当温度梯度和抽拉速率一定时，在较低的磁场强度下柱状枝晶生长良好，随着磁场强度的增大，糊状区柱状枝晶所受热电磁力增大，枝晶端部与根部形成扭矩，使得枝晶碎断而发生CET转变，形成等轴晶[10,25-26]。目前，研究者们普遍认为热电磁力作用于固相枝晶是发生CET转变的主要原因。

XUAN等[10]在DZ417G高温合金定向凝固过程中施加纵向静磁场，发现在温度梯度150 K·cm-1、抽拉速率10 μm·s-1条件下，磁场强度为0.6 T时试样边缘开始出现等轴晶粒，且随着磁场的增强，等轴晶数量不断增加，在6 T磁场下等轴晶充满整个试样。YU等[25]在定向凝固过程中施加纵向静磁场，同样引起DZ417G合金枝晶碎断及CET转变的发生，并且随磁场强度的增大和抽拉速率的降低，CET转变增强。

此外，在高温合金定向凝固过程中施加旋转电磁场也会诱发CET转变。与静磁场诱发CET转变不同，旋转电磁场主要使枝晶前沿产生强制对流，破坏枝晶的生长；部分破碎的枝晶发生重熔并成为有效的晶核，生长为等轴晶[29]。

总之，在定向凝固过程中，对于定向或单晶高温合金，CET转变的发生是不利的，应当通过调整工艺参数来避免这种转变；对于等轴晶高温合金，通过外加磁场诱发CET转变，无疑是一种获得等轴晶组织的新方法。

2.1.3 γ′析出相和γ/γ′共晶

在定向凝固过程中，施加磁场可以降低固相转变期间γ′相的形核活化能，从而显著细化枝晶干γ′相[30-32]；磁场作用下产生的热电磁对流可以有效减轻元素的微观偏析，从而显著降低因偏析而产生的γ/γ′共晶的含量[24,30]，这在一定程度上可以缩短后期热处理所需的时间。XUAN等[24]研究发现，在温度梯度120 K·cm-1、抽拉速率50 μm·s-1条件下，施加5 T的纵向磁场可使PWA1483和CMSX-4单晶高温合金中γ′相尺寸分别减小46%和40%，同时枝晶间γ/γ′共晶相的尺寸明显减小，且含量分别减少约49%和44%。REN等[30]研究发现，在温度梯度70 K·cm-1，抽拉速率分别为40，80 μm·s-1条件下，施加8 T的纵向强磁场可将单晶高温合金中γ′相尺寸分别减小约65%和61%，细化效果显著。

2.1.4 碳化物

在凝固过程中施加磁场还可以降低初生碳化物的含量[2,30]。REN等[2]对PWA1483单晶高温合金施加1.5 T的纵向磁场后，其组织中的碳化物体积分数从原先的0.7%降到0.6%左右；碳化物含量的降低是由于磁场的热电磁对流效应提高了成分的均匀性。但是目前，关于磁场对碳化物的作用机理还不是很清楚，有待进一步研究。

2.2 静磁场对高温合金凝固缺陷的影响

在单晶或定向叶片的制备过程中，缺陷控制一直都是研究者关注的重点。新近发现的磁场对缺陷的影响效应为高温合金缺陷控制提供了新的方法。

2.2.1 对缩孔的影响

在定向凝固期间，枝晶间区域残余液相的凝固收缩是导致缩孔的主要原因[33]。XUAN等[24]研究发现，在PWA1483和CMSX-4合金定向凝固期间施加强磁场能够明显降低缩孔的尺寸和含量。

根据凝固原理，强磁场所引发的热电磁对流能够促使熔体流动并进入枝晶间区域，增加凝固补缩，从而减小缩孔的尺寸。另一方面，如前所述，磁场能够减小一次枝晶间距，由文献[24]中的公式

dpore=φlλ/2

(8)

式中：dpore为缩孔的直径；φl为最终的共晶液相体积分数；λ为一次枝晶间距。

可知缩孔尺寸随一次枝晶间距的减小而减小。因此，可以认为热电磁对流是导致缩孔含量降低的主要原因。

2.2.2 对杂晶的影响

在定向凝固过程中，单晶高温合金中的杂晶仍然是一个尚未解决的缺陷。在合适的工艺参数(温度梯度、抽拉速率)范围内，一定强度磁场的施加不仅不会破坏枝晶组织的生长，其凝固组织仍为单晶组织，还可以有效抑制杂晶的形成[34-36]。在温度梯度50 K·cm-1、抽拉速率100 μm·s-1条件下，施加0.7 T的横向弱静磁场能够明显抑制合金边缘侧杂晶的形成[36]；另外，施加12 T的纵向强磁场也能够显著抑制截面突变处杂晶的产生[34]。可见横向弱磁场和纵向强磁场都能对杂晶的形成起到抑制作用。

在横向弱磁场作用下，溶质会沿着TEMC的方向运动，降低边缘侧溶质的含量以及过冷度，抑制非均匀形核并促进二次等高次枝晶的生长，从而抑制边缘侧杂晶的形成[36]。而在纵向强磁场作用下，固液界面能增加，增大了形核的临界过冷度，使得非均匀形核变得困难[34]。

2.2.3 对雀斑的影响

雀斑是单晶铸件中的一种典型凝固缺陷。在一定工艺参数下，在高温合金定向凝固过程中施加一定强度的磁场也会引起雀斑的产生[10,18,25,27]。XUAN等[10]在温度梯度150 K·cm-1、抽拉速率10 μm·s-1条件下，在DZ417G合金定向凝固过程中施加纵向磁场发现，磁场强度为0.6 T时合金糊状区边缘处开始出现雀斑。YU等[25]也发现，在纵向强磁场下，DZ417G合金边缘易出现雀斑。

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减轻元素偏析、缩短糊状区长度以及抑制枝晶间对流可以降低雀斑出现的概率[1]。NIU等[37]研究发现，在较强磁场作用下，糊状区会随着磁场强度的增大而变长。磁场较弱时，TEMF驱动枝晶间溶质向熔体边缘迁移，从而形成雀斑；磁场较强时，一方面糊状区变长，另一方面发生了CET转变，TEMF驱动糊状区域内等轴晶粒旋转，引起固液界面失稳和宏观偏析，从而形成雀斑。

磁场下定向凝固镍基高温合金雀斑缺陷的产生也与抽拉速率有关，目前只在低抽拉速率下发现雀斑，关于较高抽拉速率下雀斑的形成倾向还需进一步研究。

2.3 静磁场对高温合金蠕变性能的影响

航空发动机和地面燃气轮机涡轮叶片都对高温合金的蠕变性能提出了严格的要求，因此提高合金蠕变性能一直都是研究的重点。

在合适的工艺参数范围内，磁场能够显著改变高温合金的凝固组织，控制凝固缺陷，从而改善高温合金的蠕变性能。REN等[2]研究发现：将静磁场应用于定向凝固过程可以改善单晶高温合金的蠕变性能。利用磁场效应，在合适的凝固参数下可以获得比未施加磁场时高近5倍的蠕变寿命；磁场辅助凝固还增加了合金的断后伸长率，在磁场强度0.5 T、抽拉速率25 μm·s-1下，断后伸长率增加了70%。磁场下高温合金性能的改善与磁场的施加提高了多尺度溶质分布的均匀程度、降低了γ′相尺寸、减少了碳化物及共晶相的含量有关。目前关于磁场对高温合金性能的影响研究还不够充分，其作用机制尚不明确，有待进一步研究。

3 动磁场对高温合金定向凝固组织与缺陷的影响

除了静磁场，将动磁场(交变磁场、脉冲磁场、行波磁场)应用于高温合金的定向凝固过程也陆续受到研究者的关注。通过动磁场与合金熔体的电磁作用来调控熔体的流动状态和行为，可以达到控制或改善凝固组织与偏析的目的。

3.1 交变磁场的影响

现有的定向凝固设备通常有感应加热和电阻加热两种方式。在感应加热定向凝固过程中，交流电通过感应线圈产生的交变磁场也会对合金的凝固组织产生影响。作者课题组[38]通过改变石墨套厚度获得了不同强度的交变磁场，并研究了该交变磁场下DD90单晶高温合金的凝固组织以及熔体内磁场和流场的分布，发现随着石墨套厚度的增加(即磁场强度的减小)，熔体内的磁场强度、熔体流动均逐渐减弱，这导致凝固后一次枝晶间距变大、共晶组织含量增加；此外，随着磁场强度的减小，各元素的偏析逐渐加重，γ′析出相的尺寸逐渐增大。这主要是因为石墨套厚度越小，熔体流动越强，使得冷却速率和过冷度增大，从而促进了γ′相的析出。以上结果表明，在感应加热定向凝固过程中，选择合适的石墨套厚度，有利于控制单晶高温合金的凝固组织和微观偏析。

3.2 脉冲磁场的影响

ZHANG等[40-41]研究了低压脉冲磁场对K4169高温合金定向凝固组织的影响，发现低压脉冲磁场的施加会破坏柱状晶的生长，使柱状晶向等轴晶转变；模拟结果表明，CET转变的发生归因于低压脉冲磁场引起的磁振动和熔体对流的耦合效应。利用低压脉冲磁场控制定向凝固来诱发CET转变，有望成为一种新的细晶工艺。

3.3 行波磁场的影响

行波磁场是通过向线圈施加频率为50 Hz的三相交流电感应产生的，其强度由电流控制，并且可以通过调节线圈的相序来改变磁场的方向。行波磁场主要通过施加三相电流实现空间变化磁场来改变金属液流动，从而对合金的凝固组织产生影响。

LI等[42]将行波磁场引入到CMSX-4高温合金的定向凝固过程，发现在凝固过程中施加一定强度的行波磁场可以显著减少雀斑缺陷的产生。雀斑缺陷的形成主要是由糊状区液相发生密度反转引发的热溶质对流造成的。在施加行波磁场后，洛伦兹力作用在糊状区液相上，改变了糊状区液相的流动行为，从而降低了雀斑缺陷的形成概率。

4 结束语

磁场控制高温合金定向凝固能够显著影响合金的显微组织、典型缺陷和力学性能。在静磁场下，通过合理控制磁场强度、温度梯度和抽拉速率等参数，可以显著细化一次枝晶间距和γ′相尺寸，降低碳化物和共晶相的含量，提高溶质分布的均匀性，从而显著改善高温合金的蠕变性能,提高蠕变寿命。静磁场还可以抑制杂晶缺陷的产生，降低缩孔的含量和尺寸，但在低抽拉速率下也可能会诱发雀斑缺陷。对动磁场而言，交变磁场对高温合金的铸态组织影响显著，脉冲磁场控制定向凝固会显著影响元素的微观偏析，行波磁场的施加可以降低雀斑缺陷的形成概率。

磁场控制定向凝固为制备高质量合金铸件提供了新的方法和途径，具有良好的应用前景。尽管目前关于磁场对高温合金定向凝固过程的影响研究已经取得较大进展，但面向国家重大战略需求，未来仍有大量工作需要进一步开展。

(1)发展大尺寸、复杂形状高温合金件的磁场定向凝固技术，探明不同磁场类型和施加方式对复杂变截面高温合金凝固组织的作用机理。

(2)系统开展磁场作用下单晶高温合金叶片等复杂结构件的凝固缺陷形成规律和高温力学性能研究，揭示磁场对复杂结构高温合金件中典型缺陷的抑制作用机理以及高温断裂影响机制。

(3)发展更为精确的计算机模拟方法，深入开展磁场、温度场、溶质场、应力场等多场耦合作用下熔体流动、溶质传输规律及多尺度凝固组织演变规律的模拟研究。

(4)发展磁场控制高温合金定向凝固过程的同步辐射技术，实现对磁场作用下凝固组织演变和缺陷形成规律的实时观测。