劉承林, 蘇海軍, 張軍, 黃太文, 劉林, 傅恒志

西北工業大學凝固技術國家重點實驗室 西安 710072

摘要

關鍵詞： 單晶高溫合金 ; 磁場 ; 流場 ; 熱電磁對流

鎳基單晶高溫合金具有良好的抗氧化性能、抗疲勞性能、優異的抗蠕變以及良好的斷裂性能和組織穩定性,是現代國防建設和國民經濟發展不可替代的關鍵材料[1,2,3]。高推力航空發動機的飛速發展日益對鎳基單晶高溫合金的承溫能力和力學性能提出了更高的要求[4]。在高溫合金制備過程中,如何實現晶粒組織和凝固缺陷的控制是獲得高質量單晶高溫合金鑄件制備的關鍵[5]。研究[6,7]表明,在不改變合金成分的情況下,在合金凝固過程中加入電磁場,利用金屬和物理場的相互作用,通過改變液固兩相區流動及其變化過程,進而改變合金的凝固特性,能夠很好地消除鑄件的成分偏析、晶粒粗大等缺陷,優化合金組織,提高鑄件的冶金質量,從而為進一步發掘和提高材料的性能開辟了新途徑。

Matthiesen等[8]在Ga-Ge合金的定向凝固過程中施加穩恒磁場,發現磁場抑制了凝固過程中的徑向偏析,并且軸向偏析符合凝固擴散理論。Tewari等[9]對Pb-Sn合金在定向凝固過程中施加0.45 T的徑向磁場,發現胞晶排列發生嚴重變形,并且在糊狀區形成了偏析通道。Robertson和O'conner[10]在Si的晶體生長過程中施加橫向磁場來抑制流動,減少宏觀和微觀偏析。Li等[11]在鎳基單晶高溫合金中施加脈沖磁場,結果發現,隨脈沖電壓增加,一次枝晶得到明顯細化。Xuan等[12]在鎳基單晶高溫合金凝固過程中施加強靜磁場,結果表明隨磁場強度的增加,一次枝晶間距減小,析出相γ′以及共晶組織減小、缺陷消失,高溫力學性能得到提高。盡管通過施加電磁場優化合金組織已經取得了較大進展,但是目前關于電磁場對單晶高溫合金凝固組織影響的機理還不清楚。

本工作利用定向凝固技術,通過改變石墨套厚度獲得不同強度的磁場,研究了磁場對DD90單晶高溫合金凝固組織的影響規律,同時結合Ansys有限元分析軟件模擬出合金熔體內磁場、流場的分布,在此基礎上討論了磁場對單晶高溫合金凝固組織影響的機理。

1 實驗方法

實驗用鎳基單晶高溫合金DD90的成分(質量分數,%)為: Co 12.2,Cr 4.9,Mo 1.0,W 5.9,Re 5.2,Al 6.0,Ta 7.7,Hf 0.5,Ni余量。首先分別將直徑7 mm、長15 mm的單晶高溫合金籽晶和直徑7 mm、長60 mm的試棒裝入純度為99.9%的剛玉管內,然后將其置于自制的材料和晶體生長系統感應定向凝固爐內,在Ar氣保護下,進行定向凝固實驗。

實驗裝備為感應熔煉爐,熔煉過程中使用的石墨套具有良好的導熱性和屏蔽磁場的作用,通過導熱性可以使原料熔化。同時由于在通電過程中感應線圈會產生感應磁場,也可以通過改變石墨套的厚度來適當地屏蔽一定的磁場,冷卻介質為液態 Ga-In-Sn合金。用PID溫控儀和B型熱電偶控制加熱爐溫度,溫度梯度為80 K/cm,抽拉速率為50 μm/s。實驗采用籽晶法制備單晶樣品,將<001>方向的單晶放入剛玉管的底部作為籽晶,籽晶上部放入母合金,合金重熔時籽晶被部分熔化。當爐內溫度上升到1500 ℃后保溫30 min,以50 μm /s速率抽拉至一定的長度后,將試樣迅速拉下至Ga-In-Sn液態金屬冷卻池中進行淬火得到DD90鑄態組織。

將制備好的合金樣品橫截面、縱截面進行金相處理,經打磨拋光后的試樣用腐蝕劑(體積比為HNO3∶HF∶C3H8O3=1∶2∶3)化學腐蝕后利用DM4000M型光學顯微鏡(OM)觀察金相組織。通過Sisc IAS V80 圖像分析軟件計算不同石墨套厚度下的一次、二次枝晶間距,以此來表征凝固組織的變化。利用Supra 55掃描電鏡(SEM)觀察強化相γ′以及共晶組織變化,利用附帶的能譜儀(EDS)分析成分偏析。其中,強化相γ′尺寸的統計采用對角線法,分別選取至少3幅強化相γ′的圖像,每幅圖像至少包括50個強化相γ′,用Sisc IAS V80圖像分析軟件進行測量統計,取其平均值。進行共晶含量的定量分析時,至少在每個試樣上選取7個視場,利用Sisc IAS V80圖像分析軟件進行定量分析,取其平均值。

采用Ansys有限元分析軟件,模擬了感應線圈作用下單晶高溫合金熔體內的磁場和流場的分布,研究探討了不同石墨套厚度下磁場及流場的分布變化規律以及磁場對凝固組織的影響機理。

Maxwell方程組定量地描述了電磁的相互作用和運動規律,是研究一切宏觀電磁問題的基礎,也是進行電磁場有限元分析的理論依據和出發點。其中,Maxwell微分形式的方程組如下[13,14]:

$\nabla \times ?=?+\partial ?/\partial ?$(1)

$\nabla \times ?=-\partial ?/\partial ?$(2)

$\nabla \cdot ?=?$(3)

$\nabla \cdot ?=0$(4)

式中,B為磁通密度,T;H為磁場強度,A/m;E為電場強度,V/m;J為傳導電流密度,A/m2;D為電位移,C/m2;ρ為電荷體密度,C/m3;t為時間,s。導體單位體積所受的磁力(F)可表示為：

$?=??+?\times ?$(5)

模擬所需要的參數如表1所示,有限元模型如圖1所示。

圖1   有限元模型

Fig.1   FEM model used in the simulation

2 實驗及模擬結果

2.1 電磁場對凝固組織及偏析的影響

圖2為單晶高溫合金DD90定向凝固后穩定生長區附近縱截面和橫截面OM像。由圖可以看出,一次枝晶生長分布均勻。一次枝晶間距的統計分析表明,當石墨套厚度D從10 mm增加到30 mm時,對應的一次枝晶間距分布在152~180 μm之間(圖3a)。同樣,二次枝晶間距隨石墨套厚度的增加而減小,但減小的幅度很小(圖3b)。

圖2   不同石墨套厚度(D)下DD90合金的橫截面和縱截面OM像

Fig.2   Transverse (a, c, e, g, i) and longitudinal (b, d, f, h, j) microstructures of DD90 superalloy with graphite sleeve thicknesses D=10 mm (a, b), 15 mm (c, d), 20 mm (e, f), 25 mm (g, h) and 30 mm (i, j)

圖3   一次枝晶間距和二次枝晶間距與石墨套厚度的關系

Fig.3   The relationships between the primary (a) and secondary (b) dendrite arm spacing with the thickness of graphite

圖4為不同石墨套厚度下單晶高溫合金DD90凝固組織中枝晶干上γ′析出相的SEM像。發現隨石墨套厚度的增加,γ′相尺寸逐漸增大。當石墨套厚度為10 mm時,γ′相尺寸約為132 nm;石墨套厚度為15~30 mm時,對應的γ′相尺寸分別為148、154、165和178 nm。

圖4   不同石墨套厚度下DD90合金枝晶干析出相γ′的SEM像

Fig.4   SEM images of γ′ phase in the dendrite core of DD90 superalloy with D=10 mm (a), 15 mm (b), 20 mm (c), 25 mm (d) and 30 mm (e)

圖5為在不同石墨套厚度下單晶高溫合金DD90鑄態共晶組織的SEM像。從圖可以看出,隨石墨套厚度的增加,共晶組織尺寸逐漸變大,但共晶組織形貌幾乎沒有發生變化。在此基礎上,對共晶含量做了統計(其中γ /γ′共晶含量是通過計算共晶所占面積得出),當石墨套厚度D從10 mm增加到30 mm時,共晶含量由1.6%增加到3.8%。

圖5   不同石墨套厚度下DD90合金共晶組織的SEM像

Fig.5   SEM images of eutectic structure in DD90 superalloy with D=10 mm (a), 15 mm (b), 20 mm (c), 25 mm (d) and 30 mm (e)

圖6為不同石墨套厚度下合金元素偏析系數的變化。結果表明,當石墨套厚度較小時,熔體內的磁場較強,元素偏析程度降低。隨石墨套厚度的增加,W、Mo的偏析系數先增大后略有減小,Al、Ta、Hf偏析程度隨石墨套厚度的增加而顯著增加。研究[15,16]表明,鎳基單晶高溫合金中,Al、Ta、Hf等均為正偏析元素,其偏析系數小于1;Cr、Co、W、Mo、Re等通常為負偏析元素,其偏析系數大于1,偏析的減輕均會使得二者的偏析系數趨近于1。

圖6   不同石墨套厚度下DD90合金中元素的偏析系數

Fig.6   Microsegregation coefficients of DD90 superalloy with different graphite sleeve thicknesses

2.2 DD90合金熔體內磁場及流場分布的模擬結果

圖7給出了不同石墨套厚度下DD90單晶高溫合金熔體內磁場的分布。隨石墨套厚度的增加,磁場逐漸減弱,當厚度達到30 mm時,熔體內部的磁場基本趨于0,并且磁場的最大值分布于熔體的中間部位。圖8是不同石墨套厚度下流場的分布云圖。隨石墨套厚度的增加,流速逐漸減弱。在一定磁場強度范圍內,能夠促進熔體對流。

圖7   不同石墨套厚度下DD90合金熔體內磁場的分布

Fig.7   The magnetic field (B) distributions in the melt of DD90 superalloy with D=10 mm (a), 15 mm (b), 20 mm (c), 25 mm (d) and 30 mm (e)

圖8   不同石墨套厚度下DD90合金熔體內流場的分布

Fig.8   Flow field (v) distributions in the melt of DD90 superalloy with D=10 mm (a), 15 mm (b), 20 mm (c), 25 mm (d) and 30 mm (e)

3 分析討論

3.1 磁場對枝晶組織形貌的影響

研究[17]表明,磁場對熔體有2個作用效應：磁阻尼效應和熱電磁對流效應。磁阻尼效應在定向凝固過程中對導電流體具有制動作用,可減少界面處的擾動。熱電磁對流能夠使熔體流動加劇,促進溶質的傳輸,2個效應表現出競爭作用關系。當施加的磁場強度較低時(B<1 T),熱電磁效應占到了主導地位,而磁阻尼效應幾乎無法顯現[18],從對熔體內磁場的分布情況(圖7)來看,感應線圈產生的磁場強度較弱,所以在定向凝固過程中只表現出熱電磁對流效應。其中,熱電磁對流主要是由Seebeck效應引起的[19]。如圖9a所示,由于熔體和晶體的熱電因子不同,且二者間存在溫度梯度,從而產生熱電流JT。熱電流與磁場相互作用產生一個熱電磁力JT×B,這個力將驅動凝固界面附近的熔體在一定區域內流動,從而產生熱電磁對流[20]。

圖9   Seebeck效應和枝晶間的熱電磁對流

Fig.9   Seebeck effect (a) and the thermal electromagnetic convection (b) in the interdendritic region (ΔT—temperature gradient; ΔV—potential gradient; FT—thermal electromagnetic force; JT—thermal electromagnetic flow; B—magnetic field )

在熔體內部,磁場、流場均會隨石墨套厚度的增加而明顯降低。對于一次枝晶而言,其間距隨磁場強度的增加而減小。熔體的流動直接影響枝晶的生長,Lehmann等[21]提出了一次枝晶間距λ與流動速度U的關系：λ=λ0 / $\sqrt[]{1+?/?}$(式中,λ0為無對流時的一次枝晶間距,R為生長速率)。從上式可以看出,對流可以減小一次枝晶間距,U越大,λ越小。因此,可以認為施加磁場后一次枝晶間距的減小是熱電磁流引起的。

與此同時,二次枝晶間距隨石墨套的厚度增加而減小,但減小幅度很小。通常,二次枝晶間距除了與抽拉速率有關之外,也會受溫度梯度的影響[22],并且隨溫度梯度的增加而逐漸減小。熔體內的電磁攪拌會導致熔體內產生對流,促使熔體內溫度場分布均勻,降低凝固前沿的溫度梯度。當石墨套厚度增加時,磁場強度會隨之降低,從而使得二次枝晶間距隨石墨套厚度的增加逐漸遞減。

3.2 電磁場對元素偏析的影響

研究結果表明,磁場能夠顯著降低DD90合金元素的偏析(圖6)。這主要是由于合金元素的偏析程度取決于有效偏析系數[23],其中有效偏析系數與熔體的流動有關[24]。由于熱電磁對流效應,促進了熔體的流動以及在枝晶周圍起到攪拌作用,進而使得元素偏析程度降低。

3.3 電磁場對析出相γ′及共晶組織的影響

析出相γ′的尺寸隨磁場強度的增加而減小,同時共晶組織含量減小。這主要因為熱電磁對流能夠使熔體的冷卻速率增加,冷卻速率與固/液界面處的過冷度成正比關系,過冷度的增大能夠促進γ′相析出。γ′相生長時間取決于一次枝晶間距,增大磁場強度使得一次枝晶間距減小,所以γ′相生長時間縮短,使得γ′相尺寸也相應減小。由于形成共晶組織的元素主要為Al和Ta[25],所以這2種元素的偏析程度降低,導致了共晶組織的含量減小。

4 結論

(1) 當石墨套厚度為10~30 mm時,單晶高溫合金DD90單晶生長保持完好。結合模擬結果可知,熔體內存在較弱的磁場,并未能破壞枝晶定向生長形態。隨石墨套厚度的增大,熔體內磁場強度減弱,導致一次枝晶間距增大。

(2) 隨石墨套厚度的增加,磁場強度降低,合金的元素偏析程度增大。

(3) 磁場強度的增加,減小了鑄態組織析出相γ′的尺寸。共晶組織含量明顯得到降低,主要是元素偏析程度降低所致。

(4) Ansys有限元模擬表明,隨石墨套厚度增加,磁場強度減弱、熔體流速降低。

來源--金屬學報