液态金属冷却法在高温合金定向凝固中的应用

简述了国内外对单晶涡轮叶片和大尺寸燃气轮机叶片的需求,介绍了国内外液态金属冷却法定向凝固的发展及现状、冷却用液态金属的选择以及凝固参数控制,对液态金属冷却定向凝固中的传热过程进行了分析,论述了液态金属冷却定向凝固在铸件组织控制、性能优化、缺陷消除等方面的优势,展望了液态金属冷却法定向凝固的发展方向。

液态金属冷却定向凝固设备的研制

介绍了一种新型的液态金属冷却定向凝固设备,可以实现高温合金的熔炼、高速凝固(HRS)和液态金属冷却(LMC)定向凝固工艺。并对设备的炉体结构、抽拉系统、加热系统,液态金属冷却系统以及辐射挡板进行了介绍。

液态金属喷淋冷却定向凝固设备的研制

高温度梯度是控制高温合金定向凝固组织的重要参数。为了获得高的温度梯度,基于液态金属喷淋冷却定向凝固技术,设计并建造了一套通过喷淋液态锡使高温合金定向凝固的设备。热流分析发现,液态金属喷淋冷却定向凝固技术的热流密度比传统的高速凝固技术提高了47%。采用DZ22高温合金进行了喷淋液态锡使之定向凝固的试验。结果表明:在液态锡喷淋冷却条件下定向凝固的Φ15 mm DZ22高温合金试样枝晶组织细小,三次枝晶发达,这是液态锡喷淋冷却提高了温度梯度所致。

液态金属冷却定向凝固/单晶炉的现状与展望

首先介绍了液态金属冷却(LMC)定向凝固/单晶炉的主流形式、技术特点及使用现状,然后讨论了以Sn与Al作为介质的LMC定向凝固设备的发展情况,最后对比分析了Sn冷与Al冷定向凝固设备的发展前景。

液态金属冷却工艺对NiAl-Cr(Mo)-Hf(Ho)定向合金组织的影响

用液态金属冷却技术(LMC)和传统的定向凝固技术(HRS)制备了名义成分为Ni-33Al-31Cr-2.9Mo-0.1Hf-0.05Ho (%,原子分数)的定向合金,研究了制备工艺对其组织的影响.结果表明,合金由初生NiAl枝晶、NiAl/Cr(Mo)共晶胞和少量Hf固溶体组成.与HRS工艺相比,LMC工艺能提高固液前沿温度梯度和冷却速度.较高的固液前沿温度梯度扩大了NiAl/Cr(Mo)共晶共生区成分范围,减少初生NiAl枝晶的体积分数.而较高的冷却速度抑制固溶元素扩散,细化定向合金的组织,增加合金中固溶元素总量.另外,LMC工艺能避免HRS工艺中产生的生长缺陷,包括斑点、NiAl一次枝晶的偏转和NiAl一次枝晶的不连续.

铌硅基高温合金定向凝固铸造温度场模拟计算

以铌硅基高温合金定向凝固铸造过程为对象,通过实验测试和反求法确定了铌硅基高温合金和型壳的热物性参数,以及凝固过程各界面换热系数等边界条件;利用ProCAST软件对不同抽拉速率下铌硅基高温合金凝固过程温度场进行了模拟.结果表明,随着抽拉速率由5 mm·min-1增加到10 mm·min-1,固/液界面离液态金属锡表面的距离由12.1 mm下降到8.2 mm;平均糊状区宽度逐渐变窄,由11.5 mm减小到10.4 mm.针对抽拉速率为5 mm·min-1的实验结果表明,数值模拟结果与实际定向凝固实验获得的一次枝晶间距差异在6%以内,从一个方面验证了温度场模拟结果的正确性,相关结果可为铌硅基高温合金叶片定向凝固铸造参数的确定提供参考.

镍基高温合金铸件液态金属冷却定向凝固建模仿真及工艺规律研究

考虑了液态金属冷却定向凝固过程中动态对流边界,建立了高温合金铸件温度场数学模型,采用三维元胞自动机(cellular automaton,CA)方法和KGT生长模型,建立了镍基高温合金凝固过程晶粒形核及生长的数学模型.采用宏观模型与微观模型双向同步耦合,实现了温度场和晶粒组织的数值模拟.进行了浇注实验,用冷却曲线和晶粒形貌验证了数学模型的准确性.对液态金属冷却定向凝固规律的研究表明,抽拉速率不仅对糊状区形状有重要影响,而且对晶粒的平行度以及枝晶组织的细密性也有很大的影响.抽拉速率过小时,糊状区上凸,晶粒组织易发散;抽拉速率过大时,糊状区下凹,晶粒组织汇聚,同时造成枝晶组织的粗化;适当的抽拉速率下能获得平坦的糊状区,提高晶粒的平行度,细化枝晶组织.

定向凝固技术的发展

定向凝固技术是制备具有单一取向要求的凝固组织的重要方法。回顾了传统定向凝固技术的发展历程,指出了其存在的弊端,概述了国内新型定向凝固技术的发展。

定向凝固技术的若干进展

定向凝固技术可使材料凝固组织按特定方向排列,获得定向及单晶组织结构,大大改善材料的力学和物理性能。简要地回顾了传统定向凝固技术的发展,指出了其存在温度梯度低的弊端。评述了几种新发展起来的新型定向凝固技术,并对其存在问题及发展趋势进行了讨论。指出电磁约束成形定向凝固技术集金属材料的加热熔化、无接触约束成形及组织定向凝固于一体,特别适合于高熔点、易氧化、高活性的特种合金坯件的无污染制备。

两种典型Al-Cu及Ni-NbC共晶合金的定向凝固组织演化

利用垂直Bridgman法结合液态金属冷却法在恒定的液相温度梯度,凝固速率由2μm/s到490μm/s之间对Al-40%Cu合金进行定向凝固实验,凝固速率由5μm/s到100μm/s之间对Ni-11%NbC合金定向凝固。结果表明:Al-38%Cu合金定向凝固下的组织为耦合的片层共晶和少量的领先相的混合结构,随着凝固速率的逐步提高,共晶界面形态由平界面向胞界面转化,且领先相为非小晶面方式生长。Ni-11%NbC合金定向凝固下的组织为全耦合生长的棒状共晶,当凝固速率有一定幅度的提高时,平界面将会失稳。且初生相为典型的小平面生长方式。采用成分过冷理论计算这两种合金系的临界平界面速度,理论和实验较为符合。

定向凝固Al-40%Cu共晶合金的组织特性

利用垂直Bridgman法结合液态金属冷却法在恒定的液相温度梯度(GL=250 K/cm),凝固速率由2μm/s到490μm/s之间对Al-40%Cu合金进行定向凝固实验。结果表明:Al-40%Cu合金在低速下组织为全耦合的片层共晶结构,但当速率增加时,合金组织中出现一定量的初生Al2Cu相,凝固速率对合金共晶片层间距的影响通过实验结果分析。在实验的定向凝固速率范围内,发现平界面和胞状界面生长的两种共晶界面形态,并且不管是在哪种共晶界面形态下,共晶层片间距和凝固速率的关系都符合函数关系:λ2ν=常数,利用JH模型计算得到常数C的值为12.85μm3/s。

液态金属冷却法制备重型燃机定向结晶空心叶片凝固过程的实验与模拟

利用高温度梯度定向凝固-液态金属冷却(LMC)技术制备了重型燃机定向结晶空心高压涡轮叶片,采用Pro CAST有限元模拟软件计算了LMC定向凝固工艺下,不同抽拉速率时空心定向结晶叶片凝固过程的温度场、晶粒组织以及一次枝晶间距(PDAS),预测了抽拉速率对杂晶、雀斑等缺陷的影响.结果表明,模拟结果与实验结果吻合良好.随着抽拉速率增加,叶片的凝固速率、冷却速率均增加,远高于高速凝固法(HRS)的凝固速率、冷却速率;叶片不同部位达到最大纵向温度梯度时的抽拉速率不同,纵向温度梯度是评价定向工艺的有效方法;LMC工艺制备的燃机叶片消除了雀斑缺陷,PDAS远小于HRS工艺.

液态金属冷却定向凝固数值模拟与试验研究

建立了定向凝固液态金属冷却工艺的温度场和微观组织数学模型,开发了具有自主知识产权的模拟软件。通过测温试验及晶粒组织形貌的对比验证了模型的准确性。基于温度场的模拟结果,预测了铸件的显微缩松缺陷,并和试验进行了对比,发现试验和模拟结果符合良好。对实际铸件进行了晶粒组织的腐蚀,结合模拟结果,分析了铸件容易产生杂晶的部位,提出了相应的防止措施。

一种新型镍基单晶高温合金的制备与性能研究

采用高温度梯度液态金属冷却定向凝固方法,制备了含Sr和Y的新型镍基单晶高温合金,并进行了显微组织、拉伸性能和持久性能的测试与分析。结果表明,该新型合金具有较佳的拉伸性能和持久性能。在300MPa应力条件下,该新型合金的650℃持久性能较商业DZ125高温合金提高28.1%、1100℃持久性能提高202.8%%。

高梯度定向凝固技术及其在高温合金制备中的应用

工业燃机用大型复杂定向或单晶叶片制备的需求,对传统的高速凝固(HRS)定向凝固技术提出了挑战,以液态金属冷却法(LMC)为代表的高梯度定向凝固技术迎来了发展机遇。本文总结分析了高梯度定向凝固技术的工作原理、所制备铸件的组织特点、以及其对凝固缺陷、固溶热处理、力学性能的影响。高梯度定向凝固技术提高了铸件内的温度梯度和冷却速率,因而能够显著减小一次及二次枝晶间距、碳化物、共晶和铸态孔洞尺寸,降低了共晶和铸态孔洞的含量;并降低了热处理过程中固溶孔的含量和元素的残余偏析;该技术还有效抑制雀斑缺陷,提高杂晶形成的临界抽拉速率,减小晶粒取向偏离。高梯度定向凝固技术能够显著提高高温合金的持久性能,但对于单晶合金在高温下提高幅度较小,低周与高周疲劳性能均明显提高,且降低了数据分散度,但在氧化条件下改善幅度减小。

抽拉速率对定向凝固叶片状DZ125高温合金微观组织的影响

应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)定向凝固技术,对DZ125高温合金叶片状铸件在不同抽拉速率下的组织演变规律进行了研究,并对比研究了LMC和HRS法所得铸件的微观组织.结果表明,同一定向凝固方法下,随抽拉速率的提高,铸件枝晶组织及γ′析出相得到细化;应用LMC技术所制备铸件的枝晶组织和γ′析出相较相同抽拉速率HRS方法时更为细小;相同工艺参数下LMC和HRS方法所制备铸件一次枝晶间距的差异随铸件壁厚及抽拉速率的增大而更显著.通过对固/液界面前沿温度梯度进行估算发现,LMC方法可获得更高的温度梯度,且其温度梯度受抽拉速率变化影响较HRS更小.除70μm/s抽拉速率外,LMC法所得γ+γ′共晶组织的含量均显著少于HRS方法;70μm/s抽拉速率时,LMC法产生的偏析较严重,而其余凝固条件下偏析程度较相同工艺参数下HRS轻.110μm/s抽拉速率时,HRS方法较LMC方法制备铸件中MC型碳化物尺寸更大.

空心叶片LMC定向凝固温度场和微观组织模拟

基于自主开发的Teccast软件建立了LMC动态综合边界条件和微观组织演变模型,对不同工艺的叶片凝固过程进行了数值模拟。结果表明,与传统方法相比,LMC可得到更窄的糊状区,尤其在厚大部位防止了糊状区的宽化。同时,由于LMC具有更高的温度梯度,并且减小了糊状区下凹的趋势,从而能在更高的拉速下避免杂晶。对于空心单晶叶片,可以在热应力允许的范围内使用更高的拉速来提高生产率。

定向凝固方法对叶片类DZ125高温合金铸件显微组织及晶体取向的影响(英文)

对应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)方法制备的叶片状高温合金铸件的铸态组织进行了研究,以比较2种定向凝固方法的优缺点。分别对沿铸件凝固方向不同截面位置处的晶粒取向、一次枝晶间距和γ′相尺寸进行了分析。结果表明,对于HRS铸件的中部截面,枝晶的<001>方向偏离铸件轴向的最大角度在抽拉速率由40μm/s提高至110μm/s的过程中不断减小。在70μm/s的抽拉速度下,LMC铸件中部截面处的中心区域内晶粒的最大偏离角度要大于HRS铸件的相应位置处的偏离角,但是晶粒的整体取向却呈现较HRS铸件更集中的趋势。铸件顶部截面处的枝晶组织比中部截面处要粗大,这种现象在HRS铸件中更严重。γ′相尺寸在铸件由叶身位置凝固至平台位置的过程中不断粗化。但当抽拉速率高于70μm/s时,叶身位置和平台位置之间γ′相尺寸之间的差异在LMC铸件中更小。

Ni-Fe-Ga-Co磁性形状记忆合金定向凝固稳定生长区的组织及择优取向

采用区域熔炼液态金属冷却定向凝固法制备具有择优取向的Ni_(52)Fe_(17)Ga_(27)Co_4磁性形状记忆合金,借助OM,SEM和EBSD研究了稳定生长区的组织特征和择优取向.结果表明,在低温度梯度和高凝固速率下,晶体沿〈100〉方向生长,但生长不稳定,存在初生γ相;当提高温度梯度和降低凝固速率后,晶体沿〈110〉方向生长,柱状晶大小均匀,无γ相,室温时为沿(222)面取向的马氏体单相组织.马氏体孪晶孪生面为(110)和(110),内部无微孪晶;在马氏体组织中,观察到了条状分布的磁畴.理论分析结果表明,晶体稳定生长的条件为高的温度梯度和低的凝固速率.在该条件下获得了大体积稳定马氏体单变体区.

HRS和LMC工艺制备的两种镍基单晶高温合金铸态及固溶微孔的形成

通过对传统定向凝固(HRS)及液态金属冷却(LMC)2种工艺制备的镍基单晶高温合金铸态微孔和固溶微孔尺寸与分布的定量表征,分析了制备工艺以及合金成分对单晶合金铸态及固溶微孔形成的影响.结果表明:合金成分的差异导致本研究中HRS合金铸态微孔体积分数低于LMC合金.2种合金经固溶热处理后,在靠近表面的贫Al层及附近均形成大量的圆形固溶微孔,该类微孔的数量随着与表面的远离而减少.高温空气环境下Al向表面扩散形成贫Al层,进而由于Kirkendall效应形成近表面固溶微孔.高温下枝晶干和枝晶间的元素在扩散过程中产生的Kirkendall效应是合金内部固溶微孔的主要成因.LMC合金较小的一次枝晶臂间距和较低的元素凝固偏析程度使得其内部产生的固溶微孔数量远小于HRS合金.