劉承林, 蘇海軍, 張軍, 黃太文, 劉林, 傅恒志

西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室 西安 710072

摘要

關(guān)鍵詞： 單晶高溫合金 ; 磁場 ; 流場 ; 熱電磁對流

鎳基單晶高溫合金具有良好的抗氧化性能、抗疲勞性能、優(yōu)異的抗蠕變以及良好的斷裂性能和組織穩(wěn)定性,是現(xiàn)代國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可替代的關(guān)鍵材料[1,2,3]。高推力航空發(fā)動機(jī)的飛速發(fā)展日益對鎳基單晶高溫合金的承溫能力和力學(xué)性能提出了更高的要求[4]。在高溫合金制備過程中,如何實現(xiàn)晶粒組織和凝固缺陷的控制是獲得高質(zhì)量單晶高溫合金鑄件制備的關(guān)鍵[5]。研究[6,7]表明,在不改變合金成分的情況下,在合金凝固過程中加入電磁場,利用金屬和物理場的相互作用,通過改變液固兩相區(qū)流動及其變化過程,進(jìn)而改變合金的凝固特性,能夠很好地消除鑄件的成分偏析、晶粒粗大等缺陷,優(yōu)化合金組織,提高鑄件的冶金質(zhì)量,從而為進(jìn)一步發(fā)掘和提高材料的性能開辟了新途徑。

Matthiesen等[8]在Ga-Ge合金的定向凝固過程中施加穩(wěn)恒磁場,發(fā)現(xiàn)磁場抑制了凝固過程中的徑向偏析,并且軸向偏析符合凝固擴(kuò)散理論。Tewari等[9]對Pb-Sn合金在定向凝固過程中施加0.45 T的徑向磁場,發(fā)現(xiàn)胞晶排列發(fā)生嚴(yán)重變形,并且在糊狀區(qū)形成了偏析通道。Robertson和O'conner[10]在Si的晶體生長過程中施加橫向磁場來抑制流動,減少宏觀和微觀偏析。Li等[11]在鎳基單晶高溫合金中施加脈沖磁場,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨脈沖電壓增加,一次枝晶得到明顯細(xì)化。Xuan等[12]在鎳基單晶高溫合金凝固過程中施加強(qiáng)靜磁場,結(jié)果表明隨磁場強(qiáng)度的增加,一次枝晶間距減小,析出相γ′以及共晶組織減小、缺陷消失,高溫力學(xué)性能得到提高。盡管通過施加電磁場優(yōu)化合金組織已經(jīng)取得了較大進(jìn)展,但是目前關(guān)于電磁場對單晶高溫合金凝固組織影響的機(jī)理還不清楚。

本工作利用定向凝固技術(shù),通過改變石墨套厚度獲得不同強(qiáng)度的磁場,研究了磁場對DD90單晶高溫合金凝固組織的影響規(guī)律,同時結(jié)合Ansys有限元分析軟件模擬出合金熔體內(nèi)磁場、流場的分布,在此基礎(chǔ)上討論了磁場對單晶高溫合金凝固組織影響的機(jī)理。

1 實驗方法

實驗用鎳基單晶高溫合金DD90的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為: Co 12.2,Cr 4.9,Mo 1.0,W 5.9,Re 5.2,Al 6.0,Ta 7.7,Hf 0.5,Ni余量。首先分別將直徑7 mm、長15 mm的單晶高溫合金籽晶和直徑7 mm、長60 mm的試棒裝入純度為99.9%的剛玉管內(nèi),然后將其置于自制的材料和晶體生長系統(tǒng)感應(yīng)定向凝固爐內(nèi),在Ar氣保護(hù)下,進(jìn)行定向凝固實驗。

實驗裝備為感應(yīng)熔煉爐,熔煉過程中使用的石墨套具有良好的導(dǎo)熱性和屏蔽磁場的作用,通過導(dǎo)熱性可以使原料熔化。同時由于在通電過程中感應(yīng)線圈會產(chǎn)生感應(yīng)磁場,也可以通過改變石墨套的厚度來適當(dāng)?shù)仄帘我欢ǖ拇艌?冷卻介質(zhì)為液態(tài) Ga-In-Sn合金。用PID溫控儀和B型熱電偶控制加熱爐溫度,溫度梯度為80 K/cm,抽拉速率為50 μm/s。實驗采用籽晶法制備單晶樣品,將<001>方向的單晶放入剛玉管的底部作為籽晶,籽晶上部放入母合金,合金重熔時籽晶被部分熔化。當(dāng)爐內(nèi)溫度上升到1500 ℃后保溫30 min,以50 μm /s速率抽拉至一定的長度后,將試樣迅速拉下至Ga-In-Sn液態(tài)金屬冷卻池中進(jìn)行淬火得到DD90鑄態(tài)組織。

將制備好的合金樣品橫截面、縱截面進(jìn)行金相處理,經(jīng)打磨拋光后的試樣用腐蝕劑(體積比為HNO3∶HF∶C3H8O3=1∶2∶3)化學(xué)腐蝕后利用DM4000M型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察金相組織。通過Sisc IAS V80 圖像分析軟件計算不同石墨套厚度下的一次、二次枝晶間距,以此來表征凝固組織的變化。利用Supra 55掃描電鏡(SEM)觀察強(qiáng)化相γ′以及共晶組織變化,利用附帶的能譜儀(EDS)分析成分偏析。其中,強(qiáng)化相γ′尺寸的統(tǒng)計采用對角線法,分別選取至少3幅強(qiáng)化相γ′的圖像,每幅圖像至少包括50個強(qiáng)化相γ′,用Sisc IAS V80圖像分析軟件進(jìn)行測量統(tǒng)計,取其平均值。進(jìn)行共晶含量的定量分析時,至少在每個試樣上選取7個視場,利用Sisc IAS V80圖像分析軟件進(jìn)行定量分析,取其平均值。

采用Ansys有限元分析軟件,模擬了感應(yīng)線圈作用下單晶高溫合金熔體內(nèi)的磁場和流場的分布,研究探討了不同石墨套厚度下磁場及流場的分布變化規(guī)律以及磁場對凝固組織的影響機(jī)理。

Maxwell方程組定量地描述了電磁的相互作用和運動規(guī)律,是研究一切宏觀電磁問題的基礎(chǔ),也是進(jìn)行電磁場有限元分析的理論依據(jù)和出發(fā)點。其中,Maxwell微分形式的方程組如下[13,14]:

$\nabla \times ?=?+\partial ?/\partial ?$(1)

$\nabla \times ?=-\partial ?/\partial ?$(2)

$\nabla \cdot ?=?$(3)

$\nabla \cdot ?=0$(4)

式中,B為磁通密度,T;H為磁場強(qiáng)度,A/m;E為電場強(qiáng)度,V/m;J為傳導(dǎo)電流密度,A/m2;D為電位移,C/m2;ρ為電荷體密度,C/m3;t為時間,s。導(dǎo)體單位體積所受的磁力(F)可表示為：

$?=??+?\times ?$(5)

模擬所需要的參數(shù)如表1所示,有限元模型如圖1所示。

圖1   有限元模型

Fig.1   FEM model used in the simulation

2 實驗及模擬結(jié)果

2.1 電磁場對凝固組織及偏析的影響

圖2為單晶高溫合金DD90定向凝固后穩(wěn)定生長區(qū)附近縱截面和橫截面OM像。由圖可以看出,一次枝晶生長分布均勻。一次枝晶間距的統(tǒng)計分析表明,當(dāng)石墨套厚度D從10 mm增加到30 mm時,對應(yīng)的一次枝晶間距分布在152~180 μm之間(圖3a)。同樣,二次枝晶間距隨石墨套厚度的增加而減小,但減小的幅度很小(圖3b)。

圖2   不同石墨套厚度(D)下DD90合金的橫截面和縱截面OM像

Fig.2   Transverse (a, c, e, g, i) and longitudinal (b, d, f, h, j) microstructures of DD90 superalloy with graphite sleeve thicknesses D=10 mm (a, b), 15 mm (c, d), 20 mm (e, f), 25 mm (g, h) and 30 mm (i, j)

圖3   一次枝晶間距和二次枝晶間距與石墨套厚度的關(guān)系

Fig.3   The relationships between the primary (a) and secondary (b) dendrite arm spacing with the thickness of graphite

圖4為不同石墨套厚度下單晶高溫合金DD90凝固組織中枝晶干上γ′析出相的SEM像。發(fā)現(xiàn)隨石墨套厚度的增加,γ′相尺寸逐漸增大。當(dāng)石墨套厚度為10 mm時,γ′相尺寸約為132 nm;石墨套厚度為15~30 mm時,對應(yīng)的γ′相尺寸分別為148、154、165和178 nm。

圖4   不同石墨套厚度下DD90合金枝晶干析出相γ′的SEM像

Fig.4   SEM images of γ′ phase in the dendrite core of DD90 superalloy with D=10 mm (a), 15 mm (b), 20 mm (c), 25 mm (d) and 30 mm (e)

圖5為在不同石墨套厚度下單晶高溫合金DD90鑄態(tài)共晶組織的SEM像。從圖可以看出,隨石墨套厚度的增加,共晶組織尺寸逐漸變大,但共晶組織形貌幾乎沒有發(fā)生變化。在此基礎(chǔ)上,對共晶含量做了統(tǒng)計(其中γ /γ′共晶含量是通過計算共晶所占面積得出),當(dāng)石墨套厚度D從10 mm增加到30 mm時,共晶含量由1.6%增加到3.8%。

圖5   不同石墨套厚度下DD90合金共晶組織的SEM像

Fig.5   SEM images of eutectic structure in DD90 superalloy with D=10 mm (a), 15 mm (b), 20 mm (c), 25 mm (d) and 30 mm (e)

圖6為不同石墨套厚度下合金元素偏析系數(shù)的變化。結(jié)果表明,當(dāng)石墨套厚度較小時,熔體內(nèi)的磁場較強(qiáng),元素偏析程度降低。隨石墨套厚度的增加,W、Mo的偏析系數(shù)先增大后略有減小,Al、Ta、Hf偏析程度隨石墨套厚度的增加而顯著增加。研究[15,16]表明,鎳基單晶高溫合金中,Al、Ta、Hf等均為正偏析元素,其偏析系數(shù)小于1;Cr、Co、W、Mo、Re等通常為負(fù)偏析元素,其偏析系數(shù)大于1,偏析的減輕均會使得二者的偏析系數(shù)趨近于1。

圖6   不同石墨套厚度下DD90合金中元素的偏析系數(shù)

Fig.6   Microsegregation coefficients of DD90 superalloy with different graphite sleeve thicknesses

2.2 DD90合金熔體內(nèi)磁場及流場分布的模擬結(jié)果

圖7給出了不同石墨套厚度下DD90單晶高溫合金熔體內(nèi)磁場的分布。隨石墨套厚度的增加,磁場逐漸減弱,當(dāng)厚度達(dá)到30 mm時,熔體內(nèi)部的磁場基本趨于0,并且磁場的最大值分布于熔體的中間部位。圖8是不同石墨套厚度下流場的分布云圖。隨石墨套厚度的增加,流速逐漸減弱。在一定磁場強(qiáng)度范圍內(nèi),能夠促進(jìn)熔體對流。

圖7   不同石墨套厚度下DD90合金熔體內(nèi)磁場的分布

Fig.7   The magnetic field (B) distributions in the melt of DD90 superalloy with D=10 mm (a), 15 mm (b), 20 mm (c), 25 mm (d) and 30 mm (e)

圖8   不同石墨套厚度下DD90合金熔體內(nèi)流場的分布

Fig.8   Flow field (v) distributions in the melt of DD90 superalloy with D=10 mm (a), 15 mm (b), 20 mm (c), 25 mm (d) and 30 mm (e)

3 分析討論

3.1 磁場對枝晶組織形貌的影響

研究[17]表明,磁場對熔體有2個作用效應(yīng)：磁阻尼效應(yīng)和熱電磁對流效應(yīng)。磁阻尼效應(yīng)在定向凝固過程中對導(dǎo)電流體具有制動作用,可減少界面處的擾動。熱電磁對流能夠使熔體流動加劇,促進(jìn)溶質(zhì)的傳輸,2個效應(yīng)表現(xiàn)出競爭作用關(guān)系。當(dāng)施加的磁場強(qiáng)度較低時(B<1 T),熱電磁效應(yīng)占到了主導(dǎo)地位,而磁阻尼效應(yīng)幾乎無法顯現(xiàn)[18],從對熔體內(nèi)磁場的分布情況(圖7)來看,感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度較弱,所以在定向凝固過程中只表現(xiàn)出熱電磁對流效應(yīng)。其中,熱電磁對流主要是由Seebeck效應(yīng)引起的[19]。如圖9a所示,由于熔體和晶體的熱電因子不同,且二者間存在溫度梯度,從而產(chǎn)生熱電流JT。熱電流與磁場相互作用產(chǎn)生一個熱電磁力JT×B,這個力將驅(qū)動凝固界面附近的熔體在一定區(qū)域內(nèi)流動,從而產(chǎn)生熱電磁對流[20]。

圖9   Seebeck效應(yīng)和枝晶間的熱電磁對流

Fig.9   Seebeck effect (a) and the thermal electromagnetic convection (b) in the interdendritic region (ΔT—temperature gradient; ΔV—potential gradient; FT—thermal electromagnetic force; JT—thermal electromagnetic flow; B—magnetic field )

在熔體內(nèi)部,磁場、流場均會隨石墨套厚度的增加而明顯降低。對于一次枝晶而言,其間距隨磁場強(qiáng)度的增加而減小。熔體的流動直接影響枝晶的生長,Lehmann等[21]提出了一次枝晶間距λ與流動速度U的關(guān)系：λ=λ0 / $\sqrt[]{1+?/?}$(式中,λ0為無對流時的一次枝晶間距,R為生長速率)。從上式可以看出,對流可以減小一次枝晶間距,U越大,λ越小。因此,可以認(rèn)為施加磁場后一次枝晶間距的減小是熱電磁流引起的。

與此同時,二次枝晶間距隨石墨套的厚度增加而減小,但減小幅度很小。通常,二次枝晶間距除了與抽拉速率有關(guān)之外,也會受溫度梯度的影響[22],并且隨溫度梯度的增加而逐漸減小。熔體內(nèi)的電磁攪拌會導(dǎo)致熔體內(nèi)產(chǎn)生對流,促使熔體內(nèi)溫度場分布均勻,降低凝固前沿的溫度梯度。當(dāng)石墨套厚度增加時,磁場強(qiáng)度會隨之降低,從而使得二次枝晶間距隨石墨套厚度的增加逐漸遞減。

3.2 電磁場對元素偏析的影響

研究結(jié)果表明,磁場能夠顯著降低DD90合金元素的偏析(圖6)。這主要是由于合金元素的偏析程度取決于有效偏析系數(shù)[23],其中有效偏析系數(shù)與熔體的流動有關(guān)[24]。由于熱電磁對流效應(yīng),促進(jìn)了熔體的流動以及在枝晶周圍起到攪拌作用,進(jìn)而使得元素偏析程度降低。

3.3 電磁場對析出相γ′及共晶組織的影響

析出相γ′的尺寸隨磁場強(qiáng)度的增加而減小,同時共晶組織含量減小。這主要因為熱電磁對流能夠使熔體的冷卻速率增加,冷卻速率與固/液界面處的過冷度成正比關(guān)系,過冷度的增大能夠促進(jìn)γ′相析出。γ′相生長時間取決于一次枝晶間距,增大磁場強(qiáng)度使得一次枝晶間距減小,所以γ′相生長時間縮短,使得γ′相尺寸也相應(yīng)減小。由于形成共晶組織的元素主要為Al和Ta[25],所以這2種元素的偏析程度降低,導(dǎo)致了共晶組織的含量減小。

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)石墨套厚度為10~30 mm時,單晶高溫合金DD90單晶生長保持完好。結(jié)合模擬結(jié)果可知,熔體內(nèi)存在較弱的磁場,并未能破壞枝晶定向生長形態(tài)。隨石墨套厚度的增大,熔體內(nèi)磁場強(qiáng)度減弱,導(dǎo)致一次枝晶間距增大。

(2) 隨石墨套厚度的增加,磁場強(qiáng)度降低,合金的元素偏析程度增大。

(3) 磁場強(qiáng)度的增加,減小了鑄態(tài)組織析出相γ′的尺寸。共晶組織含量明顯得到降低,主要是元素偏析程度降低所致。

(4) Ansys有限元模擬表明,隨石墨套厚度增加,磁場強(qiáng)度減弱、熔體流速降低。

來源--金屬學(xué)報