镍基单晶高温合金对接平台内的微观组织及缺陷形成

霍苗，赵惠，张可人

精密铸造

镍基单晶高温合金对接平台内的微观组织及缺陷形成

霍苗，赵惠，张可人

（西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065）

针对喷嘴导叶和双联导叶等对接结构单晶铸件内容易产生凝固缺陷的问题，研究定向凝固过程中对接平台内枝晶的生长行为、取向演化和凝固缺陷形成机制。在不同抽拉速率下制备具有对接结构的镍基单晶高温合金铸件，采用实验与ProCAST有限元模拟相结合的方法，研究抽拉速率对镍基单晶高温合金对接平台内微观组织的影响，分析平台内凝固缺陷的形成机理。当抽拉速率较低时，平台内枝晶生长规则，基本无凝固缺陷；随着抽拉速率的增大，平台内枝晶出现严重的侧向生长；当抽拉速率达到150 μm/s时，平台中间区域形成了碎断枝晶缺陷。平台内枝晶生长与局部的温度场分布密切相关，而碎断枝晶的形成可能是由平台内部溶质富集引起的。

单晶高温合金；抽拉速率；微观组织；缺陷形成

镍基单晶高温合金由于具备良好的高温综合性能，常被用于制造航空发动机和燃气轮机的关键热端部件，如涡轮叶片、导向叶片等[1-4]。为了满足日益苛刻的服役条件，这些部件的结构设计更为复杂，多以中空和突变截面为主要结构特征，这导致在定向凝固过程中铸件内部温度场分布复杂，直接影响了局部的枝晶生长形态和生长路径，并导致了凝固缺陷的形成，进而影响了单晶叶片的完整性及其性能，甚至导致叶片报废[5-7]。

目前，学者们的研究对象仍以涡轮叶片为主，他们针对缘板位置的枝晶生长及缺陷形成开展了广泛研究[8-10]。研究表明，叶片缘板位置及铸件突变截面处经常会出现杂晶、小角晶界、条纹晶等凝固缺陷，分析认为，这些缺陷和铸件的几何结构与温度场和应力场变化有关，杂晶缺陷是由过冷形核导致的[8]，而小角晶界和条纹晶的形成与局部枝晶变形有关[9]，各类缺陷的形成机制和主导因素并不相同。在类似的研究中还发现了另一种凝固缺陷——碎臂晶，它主要出现在叶片缘板和叶冠的边角，范围较大而且有可能在热处理过程中粗化和长大[11-12]，引起了研究者们的关注，但关于其形成原因并没有明确解释。

关于涡轮叶片的研究比较充分，但关于导向叶片类对接结构铸件（见图1）的研究却鲜有报道。随着导向叶片单晶化要求的提出及合金承温能力的提高，凝固组织及缺陷对合金性能及铸件的影响不容忽视，因此，对接结构单晶铸件内的枝晶生长及缺陷形成逐渐引起了研究者们的关注[13-14]。文中将采用实验与模拟相结合的方式，对对接结构铸件内的枝晶生长展开研究，并针对抽拉速率这一重要工艺参数对平台内微观组织的影响进行讨论，以期为合格对接结构单晶铸件的制备提供技术支持。

图1 导向叶片

1 实验和模拟方法

1.1 材料及铸件模型

所用材料为第2代镍基单晶高温合金DD6，其名义成分如表1所示。

表1 DD6合金的成分

Tab.1 Compositions of DD6 alloy wt.%

根据喷嘴导叶和多联导叶的对接结构特征，文中设计了一种类似于该类铸件的对接平台模型。铸型主要由起晶段、选晶段、模型铸件、冒口等部分组成，考虑到可能因温度场不对称而引入不确定因素，并且为了减少棱角处的应力集中现象，对接平台采用圆柱形结构，铸型尺寸如图2a所示。为了更加全面地分析平台内枝晶的生长情况，分别对平台（见图2b）进行纵切（见图2c）和横切。为了便于表述，将平台分为3个区域，分别标为区、区和区，如图2c所示。

文中采用定向凝固技术制备单晶铸件，参照工业实际生产中的工艺参数，文中分别在60、75、100、150 μm/s抽拉速率下进行单晶制备。

1.2 模拟及参数设置

ProCAST模拟是一种比较成熟的、用于模拟铸造过程的有限元分析技术，可以对凝固过程的热场、流场、热场–应力场及热场–流场–应力场进行耦合计算。文中采用该技术对铸件凝固过程中的温度场演化过程进行模拟。ProCAST软件的主要模块包括：MeshCAST模块，用来建立几何体的有限元模型；PreCAST模块，用来设置参数（材料热物性、初始条件及边界条件等）；DataCAST模块，用来将设置条件转化为该软件可读取的文件；ProCAST模块，用来进行求解计算；ViewCAST模块，用来进行最后的结果输出。

图2 对接平台单晶铸件试样(a)、平台(b)及其纵（zx）切割面分区示意图(c)

首先，采用Pro/Engineer三维绘图软件构建模型，定向凝固炉体及铸件均按照1︰1比例绘制；其次，进行网格划分，为了减少计算量，炉体和铸件需要分别进行网格划分，炉体模型采用二维面网格进行剖分；最后，进行参数设置和模拟过程。文中所用的定向凝固炉可以看作封闭的绝热真空空间，炉体的加热系统、隔热挡板区和水冷系统可以处理为封闭的曲面集合，以便于进行辐射换热计算，炉体的网格模型如图3所示。为了更加准确地获得铸件的模拟结果，铸件及模壳模型则需要进行三维体网格剖分，其网格模型如图3b所示。由于炉体与铸件不接触，传热以热辐射为主，铸件及模壳与炉体进行反向运动以实现实际的抽拉动作。模拟过程中的主要参数如表2所示，其中合金与陶瓷模壳、合金与水冷铜板、陶瓷模壳与水冷板之间的传热系数分别为1000、3000、20 W/(m2×K)。

图3 定向凝固系统有限元网格模型（a）及铸件网格模型（b）

表2 凝固过程的模型参数[15]

Tab.2 Model parameters for solidification process [15]

2 结果与分析

2.1 平台不同区域的枝晶组织

由于不同高度平台内枝晶生长具有相似的规律，因此文中以最顶端平台横（面）、纵截面（面）内的微观组织为研究对象进行分析。图4为不同抽拉速率下、不同平台区域（区、区和区）内枝晶组织的金相图。可见，在平台两侧的区和区内，横截面内的枝晶组织呈现典型的十字型花样，而且排列整齐（见图4a、4d、4g、4j），只是随着抽拉速率的增大，枝晶间距有所减小，这符合棒状试样内抽拉速率对枝晶间距的影响规律[16]，此处不再赘述。在平台中间的区内，横截面内的枝晶组织明显不同于/区的，枝晶生长形态发生了显著变化，出现了较发达的二次枝晶，该现象为二次枝晶的侧向生长（见图4b）。随着抽拉速率的增大，二次枝晶已经相当发达，出现了更为严重的侧向生长（见图4e），由此衍生出的三次枝晶也逐渐发达（见图4h）。当抽拉速率进一步增大到150 μm/s时，二次枝晶臂附近出现了尺寸不等的碎断枝晶，如图4k所示。由纵截面的金相图也可以观察到相同的规律，即随着抽拉速率的增大，二次枝晶的侧向生长越发严重（见图4c、4f、4i），直至出现碎断枝晶（见图4l）。

在定向凝固过程中，温度场的分布情况直接影响枝晶形态的演化行为，而温度梯度的大小和方向决定着枝晶的生长驱动力，因此文中采用ProCAST软件对定向凝固过程中的温度场进行了模拟。图5为凝固过程中对接平台内总温度梯度和不同方向（方向、方向和方向）温度梯度的模拟结果。可见，平台两侧（区和区）在方向的温度梯度较大（见图5d），因此该区域的枝晶主要沿着方向生长，没有出现侧向生长现象，从而在横截面的金相图上呈现出十字花结构且整齐排列；而平台内部（区）沿方向（见图5b）和方向（见图5c）的温度梯度更大，即该区域的散热方式以横向散热为主，枝晶在横向上具有更大的生长动力，因此出现了严重的侧向生长现象，而且随着抽拉速率的增大，冷却速率也随之增大，横向散热更为明显，因此侧向生长更为严重。

2.2 碎断枝晶的形成

为了明确碎断枝晶的取向分布及形成原因，文中采用电子背散射衍射（electron back scattered diffraction，EBSD）技术对碎断枝晶区域进行了局部的取向测定，结果如图6所示。可见，该区域的枝晶主体仍然沿着[001]方向生长（图6中枝晶集中分布区域），而其衍生碎断枝晶的取向也围绕着[001]方向，但是有少量枝晶的取向已经严重偏离（图6中枝晶分布少而分散的区域），而且分布无规律性，可以归为杂晶的范畴。有研究者[15-16]在关于单晶涡轮叶片的研究中也发现了类似缺陷，这些缺陷主要出现在叶片缘板和叶冠的凸出和下垂边角位置。分析认为，这些部位因几何结构的特点产生了较大的液体过冷现象，导致枝晶快速生长形成细长枝晶，这些枝晶在之后的粗化和收缩阶段会发生枝晶熔断或撕裂，并在周围各种力的作用下发生偏转。

分析实验结果（见图4）和模拟结果（见图5）认为，碎断枝晶的形成可以从以下2个方面进行考虑：（1）在定向凝固过程中，枝晶生长及缺陷形成均与温度场分布密切相关[17-19]，而温度场的波动很容易引发枝晶熔断[20]，由于平台具有对接结构特点，平台内枝晶在方向、方向和方向上的生长条件不同（见图4），而且是动态变化的，因此枝晶在平台各区域会发生复杂的形态演化（见图3），抽拉速率增大会加剧这种演化，为碎断枝晶的出现提供基本的热力学条件；（2）随着抽拉速率的增大，平台位置的冷却速率也会相应增大，因此溶质扩散的时间会减少，平台内部的区处于最后凝固区，更容易发生溶质富集，与此同时，二次枝上脆弱的三次枝会因为没有足够的时间进行充分生长而被周围富集的溶质侵蚀，而且首先从枝晶根部脱落，如果脱落的枝晶来不及发生偏转或移动，就会保持与主体枝晶干接近的取向（见图4k、图4l），也有少数枝晶在局部应力条件下发生偏转或移动，其取向也会发生严重偏离。

图4 不同抽拉速率下对接平台内各区域横纵截面内的枝晶组织

图5 对接平台内温度梯度的模拟结果

图6 碎断枝晶区域的EBSD测试结果

3 结论

采用实验与模拟相结合的方法，分析了不同抽拉速率下镍基单晶高温合金对接结构铸件内的微观组织，研究了抽拉速率对平台微观组织的影响，讨论了高速条件下碎断枝晶的形成原因。获得的主要结论如下。

1）对接平台两侧的枝晶排列整齐而有序，抽拉速率只对枝晶间距有所影响，符合一般规律。

2）对接平台中间位置的枝晶生长形态明显不同于两侧，出现了侧向生长现象，这是由平台位置的横向散热引起的，而且随着抽拉速率的增大，二次枝晶的侧向生长更为严重，

3）当抽拉速率达到150 μm/s时，平台内出现了碎断枝晶，其形成原因可能与温度场的波动和局部溶质富集有关，仍需开展更加深入的研究。

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Microstructure and Defect Formation in Rejoined Platforms of Ni-based Single Crystal Superalloy

HUO Miao, ZHAO Hui, ZHANG Ke-ren

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

The work aims to research the growth behavior, orientation evolution and solidification defect formation mechanism of dendrite in the rejoined platforms during directional solidification to solve the problem that it is prone to form solidification defects in single crystal castings with rejoined structure such as nozzle guide vanes and double guide vanes. Ni-based single crystal superalloy castings with rejoined structure were prepared under different withdrawal rates. The effects of withdrawal rates on the microstructure in the rejoined platforms of Ni-based single crystal superalloy was investigated by combining experiments and ProCAST finite element simulation. The formation mechanism of solidification defects in the platforms was analyzed. At low withdrawal rates, the dendrites in the platforms were regular and free from solidification defects. With the increase of withdrawal rates, serious lateral growth of dendrites occurred in the platforms. At the withdrawal rate of 150 μm/s, fragmented grains formed in the middle regions of the platforms. The dendrite growth in the platforms is closely related to the local thermal field distribution. The formation of fragmented grains may be caused by the solute enrichment in the platforms.

single crystal superalloy; withdrawal rates; microstructure; defect formation

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.012

TG132.3

A

1674-6457(2022)09-0086-06

2022–03–07

国家自然科学基金（5210011310）；陕西省自然科学基础研究计划（2021JQ–604，2021JM–403）；陕西省教育厅科研计划（21JC027）；西安市科技计划（2020KJRC0100）

霍苗（1983—），女，博士生，主要研究方向为单晶高温合金的制备及缺陷。

责任编辑：蒋红晨