单晶铸造高温合金

材料科学与工程术语

单晶叶片铸件的理想组织是叶根、叶身和叶冠，都由毫无缺陷的多相单晶体组成。晶体取向应是〈100〉方向，并与叶片主应力轴方向之间的偏离不应大于10度。单晶铸件可以用与定向凝固相同的设备和工艺制备，与定向凝固铸件的区别只在于在水冷底盘的上部加入选晶器或仔晶，以便控制单一晶体进入铸件。单晶铸造高温合金(single crystal superalloy)是指整个铸件由一个晶粒组成的铸造高温合金。这是继定向凝固铸造高温合金之后，进一步提高合金强度和使用温度的一条途径。单晶铸造高温合金作为新型航空发动机叶片材料得到广泛应用。

简史

初期的单晶铸造高温合金采用普通铸造高温合金成分，在此情况下，单晶铸造高温合金与定向凝固铸造高温合金相比，除了改善横向强度和塑性外，其他性能并无明显改善。20世纪70年代末，出现了去掉晶界强化(见高温合金晶界强化)元素的单晶铸造高温合金，如美国的PwAl480、NASAIRl00。碳、硼、锆、铪等晶界强化元素去除后，提高了合金的初熔温度，从而允许提高固溶处理温度，获得更细小、弥散的Y’相(见高温合金材料的金属间化合物相)，使合金的潜力得到更充分发挥。

经过20多年的发展，出现了20多种单晶铸造高温合金。这些合金可以分为三代：第一代以PwAl480为代表，其承温能力比最好的定向凝固铸造高温合金PwAl422有25℃的优势；第二代以PwAl484为代表，比第一代又提高了25℃；正在研制的是第三代单晶合金。

特点介绍

(1)尽量降低晶界强化元素的含量，合金不含碳化物、硼化物，只是单纯γ-γ’两相系，使得初熔温度尽量提高；(2)借助高温均匀化处理，使初生γ’、γ-γ’共晶消失，在适当时效处理后调整组合γ’相的粒度；

(3)在γ-γ’两相系合金中，在较宽的成分范围内调整，以获得尽可能多的γ’相，使其体积百分数达到65%～75%，同时获得γ和γ’相的固溶强化；

(4)保持合金足够的抗热腐蚀性和良好的工艺性。

另外，单晶铸造高温合金是各向异性的，<100>方向是合金结晶生长的择优方向，其蠕变强度较高和弹性模量低。蠕变强度最高的取向是<111>方向。疲劳性能最高的取向是<001>方向。

工艺

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晶相同的单晶。

选晶法

选晶法是单晶高温合金叶片制备中最基本的工艺方法. Higginbotham把常用的单晶选晶器结构归纳为四种类型:螺旋型、倾斜型、转折型、尺度限制型(缩颈型)随着单晶高温合金研究的发展,螺旋型选晶器逐渐淘汰掉其他三种选晶器,成为应用最广泛也是最成功的选晶器类型。

选晶法的原理就是利用选晶器的这种狭窄界面,只允许一个晶粒长出它的顶部,然后这个晶粒长满整个型腔,从而得到单晶体. 其晶体竞争生长机制是:螺旋结构总的攀升走向正好与散热方向相反,致使螺旋体内散热均匀,因此在整个螺旋形生长过程中,位向最适合生长的那个晶粒将其他众多的初生晶粒一一淘汰,不断长出枝晶并最终进入试样本体成为单晶铸件.

至于镍基单晶合金，在镍的Gamma固溶态中，有大量分散结晶构造稍为不同的Gamma基本态，只要将这种结晶单晶化，在定向凝固合金中，增加Gamma基本态，提高高温强度。镍基单晶合金基本上消除定向凝固高温合金的限制。F119的涡轮叶片是用第三代单晶作的，DD3可能是第一代。

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