橫向靜磁場(chǎng)作用下單晶高溫合金CMSX-6定向凝固組織生長(zhǎng)行為的研究.pdf

1、鎳基單晶高溫合金擁有優(yōu)異的高溫性能，突出的抗氧化、抗腐蝕能力，廣泛應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件制造，成為現(xiàn)代航空工業(yè)中熱端部件無(wú)可替代的關(guān)鍵材料。采用定向凝固技術(shù)制備的鎳基單晶高溫合金葉片，使用溫度可以達(dá)到其合金熔點(diǎn)的90％。傳統(tǒng)的定向凝固工藝（液態(tài)金屬冷卻法）生長(zhǎng)高溫合金單晶葉片時(shí)，易在單晶組織中出現(xiàn)雜晶和游離晶、生長(zhǎng)方向偏離葉片主軸、成分偏析、粗大枝晶和強(qiáng)化相、凝固界面的傾斜不平整等問(wèn)題，嚴(yán)重導(dǎo)致葉片性能惡化。尋找新手段控制定向凝固

2、過(guò)程，從而獲得優(yōu)質(zhì)葉片至關(guān)重要，本文將研究磁場(chǎng)對(duì)單晶高溫合金定向凝固組織生長(zhǎng)行為的影響規(guī)律。
　　本論文對(duì)高溫合金單晶葉片的制備工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)調(diào)整溫度梯度和抽拉速率，優(yōu)化了單晶葉片的主要制備工藝。當(dāng)溫度梯度為30℃/cm、抽拉速率為3mm/min時(shí)，制備的單晶葉片的晶體取向偏離角度在3°左右，穩(wěn)定有效的控制了單晶生長(zhǎng)方向，但一次枝晶間距較大。
　　為了減少一次枝晶間距，研究了橫向靜磁場(chǎng)對(duì)高溫合金CMSX-6定向凝固行為

3、和凝固組織影響。在不同的溫度梯度、抽拉速率的定向凝固條件下，分別施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0T、0.5T橫向靜磁場(chǎng)，分析了磁場(chǎng)對(duì)高溫合金的凝固組織形貌、一次枝晶間距、枝晶取向、析出相以及偏析的影響，同時(shí)對(duì)磁場(chǎng)作用下定向凝固組織和濃度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和模擬，得到以下主要結(jié)果：
　　施加0.5T橫向磁場(chǎng)，高溫合金CMSX-6一次枝晶間距最大可減少50%?？s短糊狀區(qū)的長(zhǎng)度，晶體取向更加趨向于<001>方向，但在糊狀區(qū)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生“帶狀”雀斑。分析結(jié)果表

4、明，由磁場(chǎng)引發(fā)的熱電磁對(duì)流帶動(dòng)了枝晶間溶質(zhì)的移動(dòng)，這使得枝晶間溶液的密度發(fā)生變化。枝晶間的溶液密度變小，使得溶液上浮，同時(shí)固液界面上方密度較大的金屬液體下沉至枝晶之間，由于這些金屬液體具有較高的溫度，可以融化糊狀區(qū)的枝晶，這樣就出現(xiàn)了“帶狀”雀斑，同時(shí)由于大量高溫金屬液體進(jìn)入糊狀區(qū)，使得糊狀區(qū)的溫度梯度增大，從而縮短了糊狀區(qū)的長(zhǎng)度。磁場(chǎng)的施加增大了糊狀區(qū)的溫度梯度，直接影響了晶粒的生長(zhǎng)取向，使得晶粒更加趨向于<001>方向。磁場(chǎng)的施加減

5、小了枝晶的臨界形核半徑，增加了枝晶形核率，同時(shí)隨著磁場(chǎng)的加入溫度梯度增大，從而減小了一次枝晶間距。
　　橫向磁場(chǎng)可以改變固液界面形貌，使枝晶生長(zhǎng)界面發(fā)生傾斜。當(dāng)溫度梯度為80k/cm，抽拉速率為20μm/s，試樣直徑為12mm時(shí)，0.5T橫向磁場(chǎng)作用下枝晶生長(zhǎng)界面傾斜角達(dá)到45o。磁場(chǎng)的施加在固液界面處產(chǎn)生一個(gè)新的對(duì)流-熱電磁對(duì)流，對(duì)流垂直于凝固方向由試樣一側(cè)向另一側(cè)固定流動(dòng)，這樣會(huì)使溶質(zhì)大量富集于試樣一側(cè)，使這一側(cè)出現(xiàn)成分過(guò)冷，

6、從而這一側(cè)的枝晶生長(zhǎng)速度小于同一水平面上其他位置的枝晶，導(dǎo)致固液界面出現(xiàn)傾斜。
　　施加0.5T橫向磁場(chǎng)后定向凝固制備的單晶高溫合金中Al、Ti、Cr、Co、Mo等合金元素的偏析比Ci/Cc均趨近于1；單晶中γ-相的尺寸較未施加磁場(chǎng)時(shí)最大可減小40%；單晶中共晶組織的體積分?jǐn)?shù)減小70%。分析結(jié)果表明，磁場(chǎng)作用下，減小了熔體中溶質(zhì)的擴(kuò)散，提高了溶質(zhì)有效分配系數(shù)，增大了凝固速度，從而減輕了元素的偏析。磁場(chǎng)作用下γ-相形核率增大，從而γ

7、-相析出的數(shù)量增加，尺寸減小；由于磁場(chǎng)減輕了Al、Ti等元素的偏析，使得枝晶間與枝晶軸上的Al、Ti元素含量分布趨于均勻，所以枝晶間與枝晶軸上γ-相尺寸差距變小。磁場(chǎng)作用減少了溶質(zhì)元素的偏析，導(dǎo)致共晶析出減少，而且共晶的尺寸變小。
　　基于LBM(Lattice Boltzmann Method)的流場(chǎng)和濃度場(chǎng)耦合的模型，通過(guò)引入磁致對(duì)流關(guān)系使之適用于模擬磁場(chǎng)作用下二元合金枝晶生長(zhǎng)過(guò)程。模擬了相同溫度梯度，不同抽拉速率、不同磁感應(yīng)