馬德新,1,2, 趙運興1,2, 徐維臺1, 王富3

目前世界上一般采用Bridgman式定向凝固設(shè)備生產(chǎn)高溫合金單晶葉片鑄件。在高溫合金鑄件從下向上的定向凝固過程中，W和Re這種密度很大的負偏析元素富集于以枝晶形態(tài)形成的固相(即γ相)內(nèi)，而Al和Ti這種密度很小的正偏析元素則被排斥到枝晶間的殘余液體內(nèi)，從而導(dǎo)致糊狀區(qū)底部的液體密度會明顯低于糊狀區(qū)上部。在地球重力的作用下，形成上重下輕的比重反差，從而引起隧道式的強烈對流，造成枝晶臂的重熔和折斷，最終形成垂直鏈狀分布的雀斑晶粒缺陷[1~4]，直接導(dǎo)致鑄件產(chǎn)品報廢。過去的研究[1~4]認為雀斑的產(chǎn)生主要受該處凝固條件的影響，溫度梯度和凝固速率太低會造成更長的凝固時間及更寬的糊狀區(qū)寬度，從而引起糊狀區(qū)內(nèi)液體的對流和雀斑的產(chǎn)生。而近年的研究[5~8]表明，高溫合金單晶鑄件外表面的幾何形狀也嚴重影響雀斑的產(chǎn)生，稱之為影響雀斑形成的形狀因素，其作用甚至超過凝固條件的影響。高代次單晶高溫合金中難熔元素添加越來越多，加劇了糊狀區(qū)內(nèi)的元素偏析和密度反轉(zhuǎn)。而航空發(fā)動機和燃氣輪機渦輪葉片的形狀越來越復(fù)雜，尺寸越來越大，也使得凝固過程中液體對流和雀斑缺陷越來越嚴重。因此，如何有效減輕甚至消除雀斑缺陷，已成為制造高代次高溫合金單晶葉片的難題。

單晶高溫合金的鑄態(tài)組織主要包括γ相枝晶和γ/γ′共晶，其中γ/γ′共晶是在凝固過程后期從γ相枝晶間殘余液體中生成的。隨著高代次單晶高溫合金的發(fā)展，γ/γ′共晶團在鑄態(tài)組織中的體積分數(shù)也呈上升趨勢，例如在第二代和第三代單晶合金CMSX-4和CMSX-10的鑄態(tài)組織中，γ/γ′共晶團的體積分數(shù)分別超過了12%和25%[9]。過去對共晶組織的研究主要集中在共晶的形貌、尺寸和體積分數(shù)隨凝固條件的變化[9~13]，以及共晶在枝晶間液體中的形核和生長過程[14~19]。本文作者在最近的研究[20,21]中發(fā)現(xiàn)了由于溶質(zhì)對流引起的鑄態(tài)共晶上聚現(xiàn)象。經(jīng)過固溶熱處理后鑄件上表面區(qū)域仍有大量共晶殘留，往往會超過質(zhì)量標準中對于殘余共晶體積分數(shù)的上限要求而導(dǎo)致單晶鑄件報廢。因此，需要對單晶鑄件中的這種共晶上聚現(xiàn)象進行進一步的實驗研究，找出有效的解決辦法。

高溫合金單晶葉片一般通過選晶法或籽晶法來制備。籽晶技術(shù)可精確控制單晶鑄件的三維晶向，但操作過程比較復(fù)雜，而且在澆注前的預(yù)熱過程中，籽晶的表面不可避免地會發(fā)生氧化，引起雜晶等凝固缺陷的形成[22~25]，嚴重影響了單晶鑄件的成品率。為了解決籽晶在高溫時的氧化問題，國外開發(fā)了用抗氧化合金作為異質(zhì)籽晶來制備易氧化合金單晶鑄件的方法[26]，國內(nèi)也開展了相應(yīng)的基礎(chǔ)性研究[23,27]。但本文作者近期工作[28]發(fā)現(xiàn)，低代次的高溫合金雖然抗氧化性能好，但由于密度較小，用作高代次合金的籽晶時，回熔區(qū)域會出現(xiàn)大量雜亂晶粒。其原因是下小上大的密度差造成了強烈的液體對流，嚴重影響了籽晶的正常回熔和單晶的外延生長。

綜上所述，在常規(guī)的高溫合金定向凝固過程中，元素偏析造成枝晶間殘余液體密度減小，在重力作用下引起液體對流，導(dǎo)致雀斑、共晶上聚和籽晶回熔區(qū)雜晶等問題的產(chǎn)生。本工作采用向下抽拉和向上提拉2種定向凝固方法，通過凝固方向的改變，研究重力對凝固組織的影響，為解決高溫合金定向凝固過程中的對流及相關(guān)問題提供了新的思路。

1 實驗方法

本工作選取3種用于單晶葉片生產(chǎn)的鎳基高溫合金CMSX-4、CMSX-6和CM247進行定向凝固實驗，其化學(xué)成分與室溫密度列于表1。

表1   鎳基高溫合金CMSX-4、CMSX-6與CM247的成分及密度

Table 1  Compositions and densities of the selected Ni-based superalloys

新窗口打開| 下載CSV

利用自主研發(fā)的多功能定向凝固爐，首先采用傳統(tǒng)的向下抽拉法(圖1a)制備了高溫合金CMSX-4多種形狀的單晶試棒鑄件，在此過程中合金熔體由下向上凝固(upward solidification，UWS)，又稱為逆重力定向凝固。然后利用新型的向上提拉法(圖1b)制備了同種合金和同種形狀的單晶試棒，實現(xiàn)了合金熔體由上向下的凝固(downward solidification，DWS)，又稱為順重力定向凝固。實驗中所設(shè)爐溫均為1500℃，下抽拉或上提拉的速率都為1.5 mm/min。鑄造過程完成后，對鑄件進行破殼、分割、清理，并進行相應(yīng)宏觀檢查及金相組織觀察。通過觀察宏觀腐蝕后鑄件外表面及相應(yīng)部位的金相樣品，研究雀斑缺陷的分布特點及嚴重程度。

圖1

圖1   利用常規(guī)下抽拉和新型上提拉方法進行不同方向定向凝固的示意圖

Fig.1   Schematics of directional solidification in different directions using pull-down (a) and pull-up (b) methods, resulting in upward solidification (UWS) and downward solidification (DWS), respectively

利用下抽拉和上提拉2種方法進行了CMSX-4某型號單晶渦輪葉片的鑄造實驗，并對大部分葉片鑄件進行了標準固溶熱處理。所采用的熱處理制度為：1280℃、1 h + 1290℃、2 h + 1300℃、2 h + 1308℃、4 h + Ar氣冷淬。采用Image-pro圖像處理軟件對鑄態(tài)和熱處理態(tài)葉片鑄件緣板上、下表面γ/γ′共晶組織的面積分數(shù)進行了測量。

利用下抽拉和上提拉2種凝固方式進行低密度合金籽晶制備高密度合金單晶鑄件的實驗，對比研究2種條件下籽晶回熔與單晶外延生長的穩(wěn)定性。分別使用CMSX-6和CM247合金作為籽晶材料制備CMSX-4合金的單晶試棒，準備了用于常規(guī)下抽拉法和新型上提拉法凝固實驗的2種模殼，模殼中每根試棒型腔底部都預(yù)留籽晶型腔。在2個模殼的籽晶型腔中都裝入切割好的CMSX-6和CM247合金籽晶，然后在真空凝固爐中預(yù)熱，并使用同種合金料CMSX-4進行熔化澆注。然后分別將模殼向下和向上從熱室抽拉至冷室，實現(xiàn)合金的由下向上和由上向下2種方向的定向凝固。凝固完成后，對鑄件籽晶回熔區(qū)附近區(qū)域的金相組織進行觀察研究。對制成的單晶試棒，采用Laue射線測量試棒與籽晶的晶體取向。

利用Stemi 508型體視顯微鏡對鑄件表面進行宏觀觀察。對鑄件的相應(yīng)部位進行了縱截面和橫截面的剖切，經(jīng)過鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕制得金相樣品，利用MM-400光學(xué)顯微鏡(OM)進行微觀組織觀察。通過對鑄件宏觀和微觀組織的觀察，可以檢測出2種完全不同方向的凝固組織的差別，從而確定重力對高溫合金定向凝固過程的影響。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 雀斑缺陷的形成與消除

2.1.1 下抽拉法實驗結(jié)果

采用CMSX-4合金鑄造3種試棒，形狀分別為圓形變截面、方形變截面和十字花形截面，采用多個樣品鑄件圍成圓形的模組，在真空爐腔內(nèi)進行單晶定向凝固實驗。

圖2a1~a3為采用下抽拉法制備的3種形狀CMSX-4合金鑄件樣品的表面宏觀腐蝕照片，觀察面為樣品在模組中朝向中心的側(cè)面(陰面)，出現(xiàn)了嚴重的雀斑缺陷。這是因為高溫合金在環(huán)狀排列的模組中進行定向凝固時，鑄件朝內(nèi)一側(cè)存在一個筒型的陰影區(qū)，難以進行直接的輻射換熱，溫度梯度和凝固速率較低，有利于雀斑和其他晶粒缺陷的形成，稱之為雀斑產(chǎn)生的陰影效應(yīng)[5,29]。另外還可以看出，鑄件上部的雀斑比下部更為嚴重，這是由于在鑄件模組的定向凝固過程中，各種凝固參數(shù)會隨著時空的變化而變化，特別是上部的溫度梯度會明顯變差[29]，表現(xiàn)為枝晶間距增大和雀斑傾向的增加。

圖2

圖2   采用下抽拉法制備的CMSX-4合金3種樣品表面宏觀腐蝕照片及相應(yīng)橫截面組織的OM像

Fig.2   Etched surface photos (a1-a3) and corresponding cross-section OM images (b1-b3) of three CMSX-4 alloy samples with circular (a1, b1), square (a2, b2), and cross shaped (a3, b3) cross-sections prepared by the pull-down method (Ellipse zones in Figs.1b1-b3 show the freckles)

圖2b1~b3為3種形狀鑄件樣品橫截面組織的OM像，朝下的一側(cè)為試棒的陰面，可見所有的雀斑缺陷(橢圓圈所示)都出現(xiàn)在此面。另外還可以看出，雀斑更傾向于出現(xiàn)在試棒外凸的棱角處，而不是內(nèi)凹的溝槽內(nèi)。這完全符合作者在先前研究工作[5,7]中揭示的雀斑出現(xiàn)的棱角效應(yīng)和曲率效應(yīng)。

2.1.2 上提拉法實驗結(jié)果

圖3a1~a3分別為采用上提拉法制備的3種形狀CMSX-4合金樣品朝向鑄件模組中心側(cè)面的表面宏觀腐蝕照片(陰面)，可見并無雀斑缺陷出現(xiàn)。從圖3b1~b3所示3種形狀樣品橫截面組織的OM像可見，各個側(cè)面均未發(fā)現(xiàn)雀斑缺陷。在所有易于產(chǎn)生雀斑的位置，如試樣的內(nèi)側(cè)面(陰面)、試樣的上部和外凸的棱角處，都沒有出現(xiàn)雀斑。

圖3

圖3   采用上提拉法制備的CMSX-4合金3種樣品表面宏觀腐蝕照片及相應(yīng)橫截面組織的OM像

Fig.3   Etched surface photos (a1-a3) and corresponding cross-section OM images (b1-b3) of three CMSX-4 alloy samples with circular (a1, b1), square (a2, b2), and cross shaped (a3, b3) cross-sections prepared by the pull-up method

對比圖2和3可以看出，在其他條件相同的情況下，僅僅將凝固方向從向上(逆重力)改為向下(順重力)，就使得原來嚴重的雀斑缺陷得到徹底消除。

2.1.3 分析與討論

高溫合金在采用傳統(tǒng)的向下抽拉定向凝固時，如圖4a所示，凝固過程由下向上進行，枝晶逆著重力方向生長。較輕的Al、Ti等正偏析元素會富集在枝晶間的殘余液體處，而較重的難熔元素如W和Re等則離開液體進入固相枝晶。因而在枝晶根部液體密度會明顯降低，不僅小于糊狀區(qū)上部，更小于凝固界面前沿的合金液。在地球重力的作用下，形成上重下輕的比重反差，成為驅(qū)動液體向上流動的動力，使得糊狀區(qū)內(nèi)液體不再保持穩(wěn)定。但由于鑄件內(nèi)部糊狀區(qū)內(nèi)枝晶臂交錯，形成很大的流動阻力，而鑄件外表面是光滑的模殼內(nèi)壁，流動的阻力遠小于內(nèi)部，因此糊狀區(qū)液體流動極易沿著模殼內(nèi)壁進行，稱之為液體流動的附壁效應(yīng)[7]。附壁效應(yīng)的影響可達一定深度，形成一個流通性非常好的邊界層。在鑄件外凸的邊角和曲面，相鄰的流通邊界層會互相疊加，使對流條件變得更好，從而更易引起隧道式的強烈對流，造成枝晶臂被沖斷，最終形成垂直鏈狀分布的細碎晶粒組成的雀斑缺陷(圖2)。

圖4

圖4   由下向上凝固(UWS)和由上向下凝固(DWS)示意圖

Fig.4   Schematics of UWS (a) and DWS (b)

若改變抽拉方向為向上提拉，使得枝晶進行向下定向凝固生長(圖4b)，枝晶間較輕的殘余合金液處于上部，形成上輕下重的穩(wěn)定狀態(tài)，就不會有合金液對流的產(chǎn)生。即使在某處某時產(chǎn)生瞬時的微對流擾動，但由于缺乏繼續(xù)發(fā)展的動力，也會在上輕下重的總體狀態(tài)下趨于消失，達到最后的穩(wěn)定狀態(tài)，因而可以從根本上杜絕雀斑缺陷的產(chǎn)生(圖3)。

雀斑是高溫合金定向凝固過程中出現(xiàn)的嚴重組織缺陷，但它的產(chǎn)生機理和影響因素至今仍未得到合理的解釋和表征。由于雀斑的產(chǎn)生起源于枝晶間的液體流動，人們通過建立流體動力學(xué)模型來研究雀斑的產(chǎn)生，通常用各種版本的Rayleigh準數(shù)(Ra)來表征糊狀區(qū)內(nèi)枝晶間液體的非穩(wěn)定性，其中比較著名的為Beckermann模型[30]：

式中，ρ0為初始密度，Δρ為密度變化，h為糊狀區(qū)寬度，α為熱擴散率，ν為運動黏度，g為重力加速度，K為流動滲透率。Ra實際上表達了糊狀區(qū)內(nèi)液體向上流動的驅(qū)動力與阻力之間的比值。鑄件定向凝固過程中Ra越大，則產(chǎn)生溶質(zhì)對流和雀斑缺陷的可能性越大。Ra在一定程度上考慮了合金成分和凝固條件的影響，利用此模型能夠合理解釋雀斑形成的一些規(guī)律。例如在鑄件上部和朝內(nèi)的陰面，溫度梯度較低，h較大，導(dǎo)致Ra增大，因而雀斑嚴重，如圖2所示。另外，在鑄件的外表面，由于光滑的模殼內(nèi)壁的K遠高于鑄件內(nèi)部，因而雀斑成為鑄件的表面缺陷而不是內(nèi)部缺陷。特別是在鑄件側(cè)面外凸棱角處，由于表面效應(yīng)的疊加，使得K進一步增大，因而成為雀斑缺陷的聚集部位，如圖2a3和b3所示。

值得注意的是， 式(1)中描述了Ra與g的密切關(guān)系。在常規(guī)的下抽拉定向凝固過程中，重力方向與鑄件抽拉方向一致即與凝固方向相反，這種情況下g值為正，導(dǎo)致Ra也為正，即對流的驅(qū)動力為正，說明重力是引起對流的必要條件。g值越小，Ra越小。在微重力條件下，g值和Ra值接近0，發(fā)生對流的可能性趨近于0。而在上提拉定向凝固過程中，鑄件的凝固方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)，變得與重力方向完全一致。在這種條件下，g值和Ra值成為負值，即對流的驅(qū)動力為負值，這相較于微重力時更不易產(chǎn)生對流，因為上輕下重的液體較上下同重的狀態(tài)更為穩(wěn)定。總之，將常規(guī)的下抽拉法改為上提拉法，可使重力由失穩(wěn)因素變?yōu)榫S持穩(wěn)定的因素，不論凝固速率、溫度梯度、鑄件形狀及尺寸如何，都能徹底消除因密度反轉(zhuǎn)造成的對流，從而從根源上防止了雀斑缺陷的產(chǎn)生。

需要指出的是，高溫合金凝固方向的不同不會改變合金元素的偏析行為(正偏析或負偏析)，但會造成枝晶間殘余液體的比重變輕。但向上凝固(UWS)會造成液體上重下輕的失穩(wěn)狀態(tài)，為產(chǎn)生對流提供了前提條件。而向下凝固(DWS)則會導(dǎo)致液體形成上輕下重的絕對穩(wěn)定狀態(tài)，排除了產(chǎn)生對流的可能性。

2.2 共晶組織的偏聚現(xiàn)象

2.2.1 下抽拉法實驗結(jié)果

圖5a為采用下抽拉法制備的CMSX-4葉片局部宏觀照片，圖5b1和b2分別為緣板鑄態(tài)和熱處理態(tài)縱截面組織的OM像。從圖5b1可以看出，從緣板下表面到上表面，存在著共晶組織逐漸增多和增大的現(xiàn)象。經(jīng)過固溶熱處理，緣板底部區(qū)域的共晶被完全消除，中部區(qū)域僅有少量細小的殘余共晶，而上表面還存在一定數(shù)量的殘余共晶組織(圖5b2)。可見，采用下拉法制備的CMSX-4葉片鑄件緣板部位γ/γ′共晶組織的分布存在明顯的不均勻。雖然緣板厚度僅有3 mm，但是共晶組織在緣板的上表面和下表面區(qū)域存在較大差別。

圖5

圖5   采用下抽拉法制備的CMSX-4葉片局部宏觀照片、緣板鑄態(tài)和熱處理態(tài)縱截面組織的OM像

Fig.5   Partial photo of a CMSX-4 blade casting prepared by pull-down method (a), and longitudinal section OM images of platform in as-cast (b1) and heat treated (b2) states

圖6為鑄態(tài)和熱處理態(tài)CMSX-4葉片緣板上、下表面橫截面的OM像。圖6a1為緣板上表面鑄態(tài)組織的OM像。可以看出，枝晶間區(qū)域存在大量亮白色的γ/γ'共晶團，經(jīng)過測量，鑄態(tài)γ/γ'共晶組織的面積分數(shù)約為13.1%。

圖6

圖6   采用下抽拉法制備的CMSX-4葉片緣板鑄態(tài)和熱處理態(tài)上、下表面橫截面組織的OM像

Fig.6   Cross-section OM images near the top (a1, b1) and bottom (a2, b2) surfaces of the platform in as-cast (a1, a2) and heat treated (b1, b2) states for CMSX-4 blade prepared by pull-down method

圖6a2為葉片緣板下表面鑄態(tài)組織的OM像。與上表面相比，下表面枝晶組織非常細密，γ/γ'共晶組織明顯稀少。經(jīng)過測量，鑄態(tài)共晶的面積分數(shù)約為3.9%，僅為上表面的30%。這說明在緣板的上、下表面之間，鑄態(tài)γ/γ'共晶組織的分布存在嚴重的不均勻性，呈現(xiàn)明顯的共晶上聚現(xiàn)象。

圖6b1為固溶熱處理后緣板上表面組織的OM像。與鑄態(tài)組織(圖6a1)相比，絕大部分的γ/γ'共晶組織已被回溶，但仍有不少殘余共晶。經(jīng)過測量，圖6b1所示的緣板上表面的殘余共晶的面積分數(shù)約為2.1%，已經(jīng)超出了技術(shù)標準規(guī)定的1.5%的上限。

圖6b2為固溶熱處理后緣板下表面組織的OM像。與鑄態(tài)組織(圖6a2)相比，原有的γ/γ'共晶組織已全部回溶，沒有發(fā)現(xiàn)殘余共晶。這一方面是因為緣板底面的鑄態(tài)γ/γ'共晶很少，另一方面是因為枝晶組織細密，鑄態(tài)γ/γ'共晶彌散分布，因此在熱處理過程中易于實現(xiàn)合金元素的均勻化擴散，從而消除由于成分偏析而形成的γ/γ'共晶組織。

總之，采用常規(guī)下拉法制備的單晶葉片緣板中，鑄態(tài)γ/γ'共晶的分布存在嚴重的不均勻性。緣板上表面處的共晶含量比下表面高出數(shù)倍，即使通過固溶熱處理，也仍然存在超過技術(shù)標準允許數(shù)量的殘余共晶。

2.2.2 上提拉法實驗結(jié)果

圖7a為上提拉法制備CMSX-4單晶葉片緣板鑄態(tài)縱截面組織的OM像。可見，枝晶由上向下生長，沒有出現(xiàn)明顯的共晶偏聚現(xiàn)象。圖7b為固溶熱處理后的緣板縱截面組織的OM像，沒有發(fā)現(xiàn)殘余共晶。

圖7

圖7   采用上提拉法制備的CMSX-4葉片緣板鑄態(tài)和熱處理態(tài)縱截面組織的OM像

Fig.7   Longitudinal section OM images of platform in as-cast (a) and heat treated (b) states for CMSX-4 blade prepared by pull-up method

圖8為采用上提拉法制備的CMSX-4葉片緣板鑄態(tài)和熱處理態(tài)上、下表面橫截面組織的OM像。其中圖8a1和a2分別為上、下表面的鑄態(tài)組織，經(jīng)測量，上、下表面γ/γ'共晶的面積分數(shù)分別為1.6%和1.7%，2者之間并無明顯區(qū)別。圖8b1和b2分別為上、下表面熱處理后的組織，沒有發(fā)現(xiàn)殘余共晶的存在，測量結(jié)果也表明上、下表面γ/γ'共晶的面積分數(shù)均為0。

圖8

圖8   采用上拉法制備的CMSX-4葉片緣板鑄態(tài)和熱處理態(tài)上、下表面橫截面組織的OM像

Fig.8   Cross-section OM images near the top (a1, b1) and bottom (a2, b2) surfaces of the platform in as-cast (a1, a2) and heat treated (b1, b2) states for CMSX-4 blade prepared by pull-up method

2.2.3 分析與討論

圖9為常規(guī)下抽拉法定向凝固過程中枝晶與γ/γ'共晶生長過程的示意圖。在凝固的起始階段(圖9a)，先是領(lǐng)先相γ以柱狀枝晶的形態(tài)在底面生成并向上生長。在γ枝晶的生長過程中，正偏析元素Al + Ti + Ta不斷被排入到枝晶間的液體中。作為γ'相的形成元素，Al + Ti + Ta的溶質(zhì)富集到一定程度后，殘余液體中逐漸生成γ/γ'共晶團(圖9a)，并伴隨著γ枝晶向上生長(圖9b)。所以在鑄件緣板的底層，產(chǎn)生的γ/γ'共晶組織很少。在γ相的柱狀枝晶向上生長的過程中，富集在殘余液體中的Al + Ti + Ta元素越來越多，其中一部分形成枝晶間的γ/γ'共晶，另一部分則隨著由于密度反轉(zhuǎn)引起的向上對流而向上遷移(圖9b)。直到緣板頂部區(qū)域，溶質(zhì)的擴散和對流受到鑄件上表面的阻擋，此處液體中的正偏析元素特別是Al和Ti的富集非常嚴重，因此在最后凝固階段會生成大量的γ/γ'共晶組織(圖9c)。這就是高溫合金鑄件定向凝固過程中，共晶在上表面聚集的機制。另外，由于缺少來自上部的液體補縮，上表面最后凝固時會伴隨出現(xiàn)一定程度的疏松。

圖9

圖9   下抽拉法凝固時枝晶及γ/γ'共晶的向上生長示意圖

Fig.9   Schematics of dendrite and γ/γ' eutectic growth in platform during UWS

(a) starting stage (b) stable growth stage (c) end stage

在上提拉法定向凝固過程中(圖10)，合金液進行自上而下的順重力定向凝固，由于元素偏析使得枝晶間合金液密度越來越小，特別是處于上端的枝晶根部的殘余液體密度最小，形成上輕下重的穩(wěn)定狀態(tài)。在這種條件下，液體不會沿凝固方向發(fā)生宏觀流動，即使發(fā)生瞬時的擾動性微弱對流，也會逐漸趨于穩(wěn)定。作為γ'相形成元素的Al + Ti + Ta元素也不會發(fā)生宏觀遷移，而是保持在原地，增加了此處枝晶間γ/γ'共晶的數(shù)量。結(jié)果是顯著減輕了共晶組織在鑄件中的偏聚，大幅減小了上、下表面鑄態(tài)共晶含量的差別。從圖7和8可以看出，上提拉凝固的鑄件經(jīng)過固溶熱處理后，上、下表面共晶組織完全回溶，均無殘余共晶。這充分證明，采用上提拉法定向凝固技術(shù)能夠有效消除傳統(tǒng)工藝中出現(xiàn)的嚴重的共晶偏聚現(xiàn)象，顯著改善高溫合金單晶組織的均勻性。

圖10

圖10   上提法凝固時枝晶及γ/γ'共晶向下生長示意圖

Fig.10   Schematics of dendrite and γ/γ' eutectic growth in platform during DWS

(a) starting stage (b) stable growth stage (c) end stage

2.3 籽晶回熔與單晶外延生長

2.3.1 合金CMSX-6為籽晶材料

圖11a為采用常規(guī)下抽拉法以CMSX-6為籽晶制備CMSX-4單晶試棒的籽晶回熔區(qū)附近縱截面組織的OM像，下端為CMSX-6合金籽晶的未熔化部分，保持了籽晶原有的單晶組織，而回熔區(qū)及上部區(qū)域顯示為雜亂的多晶組織。特別是在籽晶回熔區(qū)底部形成了一層等軸晶粒，再向上生長成以各種角度傾斜的柱狀晶組織。回熔區(qū)域所有晶粒襯度與籽晶存在顯著的差異，枝晶生長方向與籽晶亦無繼承關(guān)系，表明CMSX-6籽晶無法通過外延生長制備合格的CMSX-4合金的單晶鑄件。引起上述現(xiàn)象的主要原因是合金密度的差別，CMSX-6合金為典型的第一代單晶高溫合金，不含W、Re這2種難熔的重元素，而Al、Ti這2種輕元素的含量達到了9.6% (質(zhì)量分數(shù)，下同)，因此密度較小，僅為8.0 g/cm3。而CMSX-4為典型的第二代單晶高溫合金，W、Re含量達到了9.5%，密度為8.7 g/cm3，比籽晶材料CMSX-6的密度高出8.8%。在模殼預(yù)熱階段，隨著型腔內(nèi)溫度的升高，CMSX-6籽晶從頂部向下熔化一段距離，并形成固/液混合的糊狀區(qū)。澆注時密度較大的CMSX-4合金液從上部通過型腔流入籽晶腔，與籽晶上部已熔的CMSX-6合金液混合，帶入的熱量使得籽晶進一步熔化。由于2種合金的密度差別出現(xiàn)上重下輕的非穩(wěn)狀態(tài)，使得回熔區(qū)內(nèi)的金屬液在重力作用下形成了強烈的對流。下部新熔化的籽晶CMSX-6金屬液不斷上浮，同時上部籽晶腔和鑄件型腔內(nèi)的CMSX-4合金液連續(xù)向下流動，劇烈沖刷回熔區(qū)的枝晶組織，使之?dāng)嗔逊蛛x，形成成團的雜晶晶粒。在籽晶回熔區(qū)底部即糊狀區(qū)底部，枝晶臂發(fā)生不同程度的熔化，但枝晶干還存在，未被對流破壞，鑄態(tài)組織仍然可辨。但枝晶間已經(jīng)滲入了高密度合金液，形成了枝晶間細碎的雜晶晶粒。

圖11

圖11   采用下抽拉法和上提拉法以CMSX-6為籽晶制備CMSX-4單晶試棒的回熔區(qū)附近縱截面組織的OM像

Fig.11   Longitudinal section OM images near the remelting zone showing the structure transition from CMSX-6 seed to CMSX-4 prepared by pull-down (a) and pull-up (b) methods

圖11b為上提拉順重力定向凝固條件下籽晶回熔區(qū)附近縱截面組織的OM像，上端是CMSX-6籽晶的未熔化部分。密度大的澆注合金CMSX-4以底注的方式從下方的型腔上升進入籽晶腔，到達CMSX-6籽晶的熔化界面。此時2種合金的密度差在重力作用下形成了上輕下重的穩(wěn)定狀態(tài)，不會引起液體中的強烈對流。因此，在澆注和靜置過程中籽晶能夠穩(wěn)定地繼續(xù)熔化，在向上提拉時能夠穩(wěn)定地外延生長直至整個鑄件。回熔區(qū)下面新生長的CMSX-4合金枝晶發(fā)育良好，枝晶方向與原始籽晶一致，無雜晶晶粒生成。經(jīng)過Laue射線測量，圖11b中的CMSX-6籽晶與CMSX-4鑄件的晶體取向相差僅1.2°。

需要指出的是，圖11所示的實驗結(jié)果并非偶然。在同組實驗的其他采用CMSX-6籽晶制備CMSX-4單晶部件的樣品中，得到了完全相同的結(jié)果。這表明，在上提拉、下抽拉2種定向凝固過程中，所采用的合金材料、預(yù)熱溫度、澆注溫度以及抽拉速率等凝固參數(shù)完全一致的條件下，僅僅是籽晶位置與凝固方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，使得重力起到了相反的作用，就造成了凝固組織的巨大差別，也決定了利用籽晶法制備單晶部件的成敗。

2.3.2 合金CM247為籽晶材料

為了進一步確認重力和凝固方向?qū)ψ丫Щ厝奂巴庋由L的影響，使用CM247合金為籽晶在2種凝固條件下制備了CMSX-4單晶鑄件。圖12a為常規(guī)下抽拉法條件下回熔區(qū)附近縱截面組織的OM像。可以看出，回熔區(qū)內(nèi)生成了許多等軸晶粒，糊狀區(qū)內(nèi)未熔化枝晶之間也出現(xiàn)了細碎的等軸晶。而回熔區(qū)上部的等軸晶則在向上的凝固過程中長成各種偏斜的柱狀晶粒。這與使用CMSX-6作為籽晶材料的下抽拉法實驗結(jié)果(圖11a)基本相同。

圖12

圖12   采用下抽拉法和上提拉法以CM247為籽晶制備CMSX-4單晶試棒的回熔區(qū)附近縱截面組織的OM像

Fig.12   Longitudinal section OM images near the remelting zone showing the structure transition from CM247 seed to CMSX-4 prepared by pull-down (a) and pull-up (b) methods

圖12b為使用CM247籽晶在新型上提拉法條件下回熔區(qū)附近縱截面組織的OM像，熔化區(qū)域沒有出現(xiàn)雜亂晶粒，上部未熔化的籽晶與下部新長出的枝晶組織具有完全一致的取向。這說明回熔區(qū)沒有發(fā)生熔液對流，保證了籽晶的回熔與外延生長都是在穩(wěn)定狀態(tài)下進行。這也與使用CMSX-6作為籽晶材料進行上提拉法實驗結(jié)果(圖11b)相同。

值得注意的是，籽晶材料CMSX-6的密度為8.0 g/cm3，與鑄造合金CMSX-4的密度(8.7 g/cm3)相差較大；而籽晶材料CM247的密度為8.5 g/cm3，非常接近鑄造合金CMSX-4的密度。這說明，即使微小的密度差，也會導(dǎo)致下抽拉法的失敗(圖12a)，而采用上提拉法則能成功利用籽晶法進行這類高溫合金單晶鑄件的制備(圖12b)。

2.3.3 分析討論

采用密度較低的CMSX-6和CM247合金作為籽晶材料制備密度較大的CMSX-4合金的單晶鑄件，在通常的下抽拉實驗條件下，都存在由于合金密度差引起的液相對流。這導(dǎo)致籽晶回熔區(qū)內(nèi)形成成團的雜晶晶粒，阻擋籽晶的外延生長，因此無法復(fù)制籽晶的晶體取向形成單晶鑄件。而將抽拉方向反轉(zhuǎn)，采用向上提拉方式進行順重力定向凝固時，籽晶回熔區(qū)內(nèi)和前沿的金屬液則會呈現(xiàn)出上輕下重的分布，因此重力成為抑制回熔區(qū)液體對流的因素。這從根本上保證了籽晶的回熔和單晶外延生長的穩(wěn)定進行，為制備出三維晶體取向都得到精確控制的單晶鑄件提供了先決條件。

在過去異質(zhì)籽晶的研究工作中，主要把抗氧化性能作為選取籽晶材料的條件。本工作結(jié)果表明，籽晶材料與鑄造合金之間的密度差對于籽晶的穩(wěn)定重熔和單晶的順利外延生長更為重要。傳統(tǒng)的向下抽拉定向凝固在采用異質(zhì)籽晶法制備高溫合金單晶鑄件時，不能選用密度小于鑄造合金的籽晶材料。但是在一般情況下，密度較大的籽晶合金中添加了更多的W和Re等難熔元素，而減少了Cr等抗氧化元素的含量，這使得籽晶材料的抗氧化性能下降，在加熱過程中會形成較厚的氧化膜，阻礙籽晶晶向的外延生長。而采用新型的向上提拉法進行高溫合金的定向凝固時，則不存在上述問題，可選取抗氧化性能更好的低密度合金(如低代次單晶合金)作為籽晶材料，并能保證籽晶回熔和外延生長的成功。

綜上所述，順重力凝固技術(shù)從根本上消除了重力對高溫合金定向凝固的不良影響，能夠徹底消除單晶高溫合金鑄件中的雀斑缺陷，顯著減輕共晶上聚現(xiàn)象，也保證了低密度籽晶穩(wěn)定的回熔和外延生長，有希望發(fā)展成為新一代的先進單晶葉片成型技術(shù)。但這種新技術(shù)也存在工藝比較復(fù)雜，對鑄件凝固的補縮壓頭不高等問題，還需要進行改進和優(yōu)化。

3 結(jié)論

(1) 在常規(guī)的模殼下抽拉法定向凝固過程中，高溫合金單晶鑄件出現(xiàn)了嚴重的雀斑缺陷和γ/γ'共晶上聚現(xiàn)象。其原因在于枝晶生長的方向與重力方向相反，元素偏析導(dǎo)致糊狀區(qū)內(nèi)合金液體密度減小，在重力的作用下形成上重下輕的失穩(wěn)狀態(tài)。這會引起液體對流并導(dǎo)致枝晶被沖斷形成雀斑，而富集了γ'形成元素的殘余液體上浮造成共晶上聚。另外，低密度合金無法用作籽晶材料制備高密度合金的單晶部件，因為回熔區(qū)內(nèi)的對流會嚴重擾亂籽晶的正常回熔及外延生長。

(2) 在采用新型的上提拉法進行高溫合金定向凝固時，雀斑缺陷被完全消除，共晶上聚現(xiàn)象也從根本上得到減輕。這是因為在順重力凝固過程中，密度減小的液體處于糊狀區(qū)上端，形成上輕下重的穩(wěn)定狀態(tài)，重力作用由失穩(wěn)因素轉(zhuǎn)化為維持穩(wěn)定的因素，抑制了液體對流的產(chǎn)生與發(fā)展。另外，新型上提拉法工藝也使得低密度合金能夠用作籽晶材料來制備高密度合金的單晶部件，這是因為無液體對流的理想狀態(tài)保證了籽晶回熔及外延生長過程的穩(wěn)定進行。