单晶高温合金与定向凝固的文献综诉

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1、绪论＞单晶铸造是定向凝固中的一个特例…由一个柱状晶构成的铸件即单晶！！航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向品界上产生和发展的。因此消除这种横向品界，则可大大捉高叶片抗裂纹生长能力。定向凝固就基基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得叶片轴也的柱状曲粒组织二柱状灵之间“纵呻界而无横向业界，这就是定向凝固的柱晶叶则如果釆取某巻措施，昱允许仁个晶粒成t的柱晶，从面消除了一切晶界,这就是单晶叶片。由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别

2、是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以來，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。1.定向凝固1・1定向凝固原理进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基木条件：(1)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出,使成长品体的凝固界而沿一个方向推进；(2)结晶前沿区域内必须维持氏向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。1.1.1定向凝固过程定向凝固吋合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔

3、液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结品的固体金屈合金有方向性地向冷却板散热，且结品前沿是止向温度梯度，根据立方品系的金属及合金(Ni、Fe、Co等及其高温合金)在结晶过程中晶体〈100＞是择优取向，长大速度最快，从而那些具有〈100＞方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。只要上述定向凝固条件保持不变，取向为〈100＞的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。水冷第夜散热方向、/图4/晶体定向生长示意图1.1.2凝固参数定向凝固的结晶组

4、织与凝固参数即温度梯度G和凝固成长速率R有密切关系。温度梯度G是指该处的温度随距离的变化（&T/aZ）,特别是凝固区附近的温度梯度G值的大小是控制定向凝固的关键性参数。（多年来定向凝肛艺的改进多着眼于此,如最初的功率降低法，G值小于10°C/cm,而现在的液体金屈冷却法则町达到200°C/cm以上。）G值愈大，合金的凝固区愈窄，铸件的补缩愈好，疏松愈少组织愈致密。凝固

5、成长速率M是指柱状晶牛长的速率,R值愈大，则凝固过程愈短，生产效率愈高。比而R是合金凝固区成长形态的特征参数，不同的G/R比值，会获得不同的结晶组织。G/R比值小，通常

6、为树枝状凝固界面，得到柱状晶或等轴晶，目前工业生产屮的铸锭和铸件的结晶组织都属于这一类。G/R比值增大到某临界值以上时，则凝固界面为胞状，得到胞状晶。当G/R比值很大时，凝固界面平滑，得到平面型结晶，凝固界面结晶形式与R、G值的关系如图1-2所示。He图1-2温度梯度G和凝固速率R对凝固界面结晶形式的影响乘积GXR用B表示，其物理意义为单位时间内的温度变化,即冷却速率。式屮和Ts—为液相线和固相线温度;At—局部凝固时间，即铸件某处由液相线温度到固相线温度所经过的时间间隔;1—固液相线温度差所经距离，也即为At局部凝固时间内柱状品成长

7、的距离。—定的合金,冷却速率越大，则局部凝固时间越短，该合金晶体的二次枝晶臂距（Sj越细小，也意味着合金组织均匀致密，强度和抗疲劳性能好。1・2定向凝固工艺定向凝固工艺主要有发热铸型法、功率降低法、高速凝固法和液态金属冷却法。廿前高速定向凝固法是高温合金精铸定向凝固技术中应用最广的二种方法，大量涡轮叶片都是采用这种工艺生产的，液态金属冷却法尚处于试验阶段。1.2.1发热铸型法其凝固过程如图1・3所示。金屈液注入后，由于水冷铜板的激冷导热，底部开始结晶，形成细小等轴晶层，以后晶粒择优取向，＜100＞取向晶粒优先长大，开始柱晶生长。在柱晶

8、长大过程中，铸型周围的发热剂放热补充热流，使柱晶继续长大，直至过热逐渐消失，温度梯度G值减小，开始等轴晶的生长。发热铸型法简单便宜，其主要缺点是随板距增大，G与R值均迅速下降，使柱晶由轴向式屮和Ts—为液相线和固相线温度;At—局部凝固时间，即铸件某处由液相线温度到固相线温度所经过的时间间隔;1—固液相线温度差所经距离，也即为At局部凝固时间内柱状品成长的距离。—定的合金,冷却速率越大，则局部凝固时间越短，该合金晶体的二次枝晶臂距（Sj越细小，也意味着合金组织均匀致密，强度和抗疲劳性能好。1・2定向凝固工艺定向凝固工艺主要有发热铸型法

9、、功率降低法、高速凝固法和液态金属冷却法。廿前高速定向凝固法是高温合金精铸定向凝固技术中应用最广的二种方法，大量涡轮叶片都是采用这种工艺生产的，液态金属冷却法尚处于试验阶段。1.2.1发热铸型法其凝固过程如图1・3所示。