型壳加热温度对单晶高温合金显微组织及“雀斑”形成的影响

利用所设计的阶梯试样进行定向凝固试验和模拟,研究定向凝固过程型壳加热温度对单晶高温合金铸件显微组织和“雀斑”形成的影响。分析糊状区的温度场及形貌。结果表明,升高型壳加热温度,一次和二次枝晶间距减小,糊状区液相的渗透率和对流通道的宽度降低,“雀斑”形成倾向性降低,“雀斑”宽度减小,“雀斑”区域枝晶碎片减少。此外,随着型壳加热温度的升高,糊状区液相冷却速率增加,糊状区熔体的冷却时间减少,液体流动对枝晶的破碎程度得到削弱,这进一步降低单晶高温合金铸件“雀斑”形成的倾向性。

单晶高温合金定向凝固雀斑形成倾向液相密度差判据

提出并采用合金熔体与枝晶间液体在液相线温度的密度差值用于预测单晶雀斑形成倾向。采用高速凝固工艺(HRS)及籽晶法制备一次枝晶取向为[001]的单晶高温合金试棒,统计了不同合金的雀斑平均总长度及一次枝晶间距,测量了不同合金的凝固温度区间及枝晶间区域成分,利用JMatPro软件计算母合金成分与枝晶间区域成分随温度变化的密度值。结果表明:不同成分单晶高温合金一次枝晶间距及合金凝固区间差别较大,一次枝晶间距与凝固温度范围与雀斑形成倾向不呈现线性关系;合金熔体(成分与母合金成分相同)与枝晶间液体(成分与枝晶间区域成分相同)在液相线温度的密度差与雀斑形成倾向呈较好的线性关系,采用该液相密度差值可以预判雀斑形成倾向大小。

一种基于镍基高温合金成分的雀斑预测模型

针对当前雀斑判据在合金成分上存在的不足,构建一个基于高温合金成分的雀斑预测模型并对其进行了验证。通过对合金各元素的密度溶质膨胀系数β和密度温度膨胀系数βT的计算,定量分析其在凝固过程中对糊状区液相密度的影响。通过定义一个雀斑形成倾向因子P,量化各个元素对雀斑形成的影响大小。并在此基础上,构建一个虑及合金成分的雀斑预测模型,该模型可以预测不同组分的合金和雀斑形成之间影响规律。3种不同来源的k值(如实验值、二元合金相图和Thermo-Calc计算的平衡分配系数)被代入该模型计算,验证哪种k值能更好地预测雀斑形成。结果表明:基于二元合金相图的k值,预测结果与实验结果拟合较差,其线性拟合优度R2最大时仅为0.4;而采用实验和Thermo-Calc的k值,拟合较好,v2最大值分别达到0.87和0.95。最后,计算SX系列合金的P值,结果显示:单位含量的Hf元素对雀斑有最强的抑制作用,Ta元素的抑制作用次之;Al、Re元素对雀斑有较强的促进作用,W元素的促进作用次之。

Macrosegregation and thermosolutal convection-related freckle formation in directionally solidified Sn−Ni peritectic alloy in crucibles with different diameters

Different from other alloys,the observation in this work on the dendritic mushy zone shows that the freckles are formed in two different regions before and after peritectic reaction in directional solidification of Sn−Ni peritectic alloys.In addition,the experimental results demonstrate that the dendritic morphology is influenced by the temperature gradient zone melting and Gibbs−Thomson effects.A new Rayleigh number(Ra_(P))is proposed in consideration of both effects and peritectic reaction.The prediction of Ra_(P) confirms the freckle formation in two regions during peritectic solidification.Besides,heavier thermosolutal convection in samples with larger diameter is also demonstrated.