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镍基单晶高温合金中显微孔洞的控制
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-10-19
为了减少镍基单晶高温合金中显微孔洞，中国科学院金属研究所采用液态金属冷却新工艺(Liquid Metal Cooling,LMC)，并针对一种自行研发的含Re质量分数为4%的第三代镍基单晶高温合金, 实验对比了LMC工艺与传统的高速凝固法所获材料的显微缺陷情况，证明LMC工艺优于传统的高速凝固法。
镍基单晶高温合金, 是制造先进航空发动机涡轮叶片的关键材料。为了提高单晶高温合金的承温能力，需要增大合金中难熔元素的比例，这容易造成合金在定向凝固过程中产生雀斑、杂晶等缺陷, 尤其是大尺寸铸件的铸造缺陷问题更为明显。传统的高速凝固法由于温度梯度低的问题，容易产生显微孔洞，显微孔洞破坏了基体的连续性, 在变形过程中造成应力集中, 严重危害合金的使用性能。
为了减少镍基单晶高温合金中显微孔洞，中国科学院金属研究所采用液态金属冷却新工艺(Liquid Metal Cooling,LMC)，并针对一种自行研发的含Re质量分数为4%的第三代镍基单晶高温合金, 实验对比了LMC工艺与传统的高速凝固法所获材料的显微缺陷情况，证明LMC工艺优于传统的高速凝固法。
实验表明，用两种工艺制备的合金铸态组织都由灰色的γ相枝晶干和白亮色γ/γ′共晶相组成。与传统工艺相比, LMC工艺制备的合金一次枝晶间距显著降低, 共晶的体积分数也显著增多。统计结果表明, 采用LMC工艺后合金的一次枝晶间距从350 mm降低至210 mm, 而共晶的体积分数从5%增加到10%。与传统工艺相比, 用LMC工艺制备的合金中元素的偏析系数都更加趋近于1, 如Re元素的偏析系数从2.5降到2, Ta元素的偏析从0.7升高至0.9。经统计, 用传统和 LMC工艺制备的合金中铸态孔的体积分数分别为0.08%和 0.01%。在用两种工艺制备的合金中, 铸态孔的数量都随孔径的增加而逐渐减少，但是在用LMC工艺制备的合金中铸态孔的最大孔径显著降低, 从40 mm降低至20 mm, 而且孔的数量也减少。
铸态合金经过1330℃/10 h固溶处理后显微组织的观察表明，固溶处理后合金没有出现初熔, 但小孔的数量增加。用传统工艺制备的合金中显微孔洞的体积分数增加了0.06% (从0.08%增加到0.14%), 而用LMC工艺制备的合金中显微孔洞的体积分数仅增加0.03% (从0.01%增加到0.04%)。
研究表明，铸态孔的形成是由于在定向凝固过程中枝晶间的残余液相被凝固的枝晶干包围, 气体无法排出或液相得不到有效补缩的结果。当张开孔洞的压力大于闭合孔洞的压力时,就会产生孔洞。铸态孔形成的难易程度主要受糊状区压降的影响, 糊状区的压降越小越不容易产生缩孔。在凝固末期, 枝晶间的空隙尺寸和γ/γ′共晶的体积分数成正比, 共晶体积分数越大枝晶间的残余液相越多,压降越小。由于LMC工艺制备的合金中共晶体积分数高于传统工艺制备的合金, 使得枝晶间的空隙尺寸增加, 降低压降, 补缩压力增加, 从而抑制缩孔的产生。由于LMC工艺制备的合金中枝晶的细化与合金元素的枝晶偏析程度显著减轻, 因此,经过固溶处理后, 相对传统工艺，用 LMC 工艺制备的合金中元素间不平衡扩散程度下降, 从而使固溶孔的体积分数显著低于传统工艺制备的合金。
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