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1、定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考第l5卷第2期2o05年6月湖南工程学院JournalofHunanInstituteofEngineeringV01.15.No.2June.2005定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考刘健,李理,曾斌,彭广威(湘潭大学材料研究中心,湖南湘潭411105)摘要:回顾了单晶高温合金的发展历史,结合晶体学知识系统总结与分析了制取高温合金单晶的两种定向凝固技术的原理与晶体竞争生长机制.对两种方法现有工艺的优缺点进行了深入思考与比较,提出了两种制取任何所希望取向理想单晶的新方法,旨在为
2、完善单晶高温合金的制取工艺提供新思路.关键词:定向凝固;单晶高温合金;择优生长;选晶;籽晶中图分类号:TG244.3文献标识码:A文章编号:1671—119x(2o05)O2—0049一O40引言自2O世纪8O年代初第一代单晶高温合金研制成功之后,单晶高温合金的发展甚为迅速.1988年,美国PW公司推出了工作温度比第一代单晶高温合金PWAI480约高30℃的PWA1484.继之又出现性能水平相当的ReneN5,CMSX-_4等单晶高温合金,称为第二代单晶高温合金.时隔不到5年,1993年12月和1994年l1月先后公布
3、了两个标志着单晶高温合金的发展进入新阶段的第三代单晶高温合金ReneN6,CMsX-10….一代又一代单晶高温合金的相继出现和应用,为航空发动机和地面燃气轮机的性能大幅度提高作出了重大贡献.上个世纪90年代,几乎所有先进航空发动机都采用单晶高温合金.如推重比为10的发动机Fl19(美),F120(美),GE90(美),EJ200(英,德,意,西),M882(法),P2000(俄)等J在单晶高温合金的生产和应用蓬勃发展的同时,各国高温合金同行们在单晶高温合金强化机制,凝固理论,环境抗力,合金设计,工艺优化等方面进行了愈加
4、深入的研究,为提高力学性能,工艺性能和环境性能作了巨大的努力.我国从70年代末开始研究单晶高温合金及工艺,北京航空材料研究所,中国科学院金属研究所,冶金部钢铁研究总院,西北工业大学,上海交通大学等单位都对单晶高温合金和工艺进行过卓有成效的研究,研制成功一批单晶高温合金L3J,井获得初步应用,建立了一套单晶工艺及设备.在单晶高温合金凝固理论,强化机制,取向控制以及数值模拟等方面进行过较深入的研究.但是无论是定向合金还是单晶高温合金.性能水平都还落后于国际先进水平.为此,廖世杰教授于1987年首次提出了若干定量评估定向凝固
5、程度的参数L5J,不仅使定向凝固程度有了定量的描述,最重要的是可以更深层次地检验定向凝固是否成功,从而将定向凝固理论向前推进.影响单晶铸件性能的因素主要是合金成分和制取工艺.在合金成分设计方面以日本金属技术研究所提出的新成分设计流程和d电子合金设计法最为成熟【2J2.制取单晶高温合金以正常凝固法中的定向凝固法应用最为广泛和最有效.固一液界面前沿液相中的温度梯度GL和晶体生长速度R是定向凝固技术的重要工艺参数,q.值是控制晶体长大形态的重要判据.因此,如何控制好固一液界面温度场从而获得具有理想晶体形态的单晶是非常重要的.
6、当前很多人对固液界面温度场进行了深入研究,并且建立了大量描述定向凝固固液界面温度变化规律的数学模型.廖世杰等人先后建立了一种能够精确描述一维和二维定向凝固过程中固液界面温度场的理论模型L6-7j,并且由此模型推导出了一系列热参数,包括温度梯度GL,凝固速度R,冷却速度V以及界面特征温度,这对于实时掌握动态的材料凝固过程从而采取相应措施控制它获得最佳凝固组织是非常有用的.尽管如此,但是综观单晶高温合金定向凝固法的发展历史,收稿日期:20o5—01—02作者简介:刘健(1978一),男,硕士研究生,研究方向:定向凝固织构湖
7、南工程学院2005焦不难发现由于工艺问题,单晶高温合金的完整性一直不是很理想.本文的目的就是系统总结与分析前人的研究成果,再结合相关现代晶体学知识,在定向凝固工艺方面为单晶高温合金的发展与完善提出新的见解.1单晶高温合金定向凝固工艺的原理与晶体竞争生长机制分析1.1籽晶法首先将和所要铸造的单晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模壳的最底部,然后将过热的熔融金属液浇注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰当地控制固液界面前沿液体中的温度梯度和晶体的生长速度,金属熔液就会从未被熔化的籽晶部分开始往金属液中生长,并最终形成晶体取向与籽
8、晶相同的单晶,这就是籽晶法.我们知道,在一般的铸造中,如果与金属液直接接触的模壳表面不是很连续或者加工后残留有应力的话,往往会引发再结晶进而发生等轴晶形核或者发生异质形核.由于籽晶法结晶并不是过热金属液碰到籽晶立即进行,而是先使部分籽晶熔化,然后才开始形核,所以就避免了上述现象出现的可能.从晶体学角度来看,晶体的生长实际上是各族晶
