縱向磁場(chǎng)對(duì)Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta鈷基高溫合金定向凝固組織的影響

張 超 劉 歡 蘭 健 余建波 楊志彬 任忠鳴

(1.江蘇科技大學(xué)張家港校區(qū)，江蘇 張家港 215600；2.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200072)

鈷基高溫合金具有抗高溫腐蝕、抗熱疲勞和高溫力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于在1 100 ℃以下工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片等[1]。傳統(tǒng)鈷基高溫合金主要由面心立方奧氏體基體γ和一種或多種碳化物(主要是MC、M26C6和M6C型)組成，碳化物為主要強(qiáng)化相。與Ni基高溫合金相比，傳統(tǒng)的Co基高溫合金并不具有共格強(qiáng)化機(jī)制的γ/γ′雙相組織，因此高溫力學(xué)性能較差，中溫強(qiáng)度低[2- 3]。

2006年，日本學(xué)者Sato J等[4]在Co- 9Al- 7.5W三元合金中發(fā)現(xiàn)了高溫穩(wěn)定的L12型結(jié)構(gòu)的γ′- Co3(Al,W)相，使合金的耐溫能力提高了100～150 ℃。該合金與Ni基高溫合金的組織非常相似[5- 6]，可以通過(guò)共格強(qiáng)化來(lái)提高其高溫強(qiáng)度，因此受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國(guó)外學(xué)者Suzuki A等[7- 8]發(fā)現(xiàn)，在Co- Al- W基三元合金中添加2%(原子分?jǐn)?shù))Ta，γ′相析出溫度由1 000 ℃提高到了1 079 ℃，從而提高了合金的高溫強(qiáng)度。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鈷基高溫合金的研究主要集中在合金元素對(duì)力學(xué)性能和相穩(wěn)定性的影響方面[7- 9]。上海大學(xué)鐘華等[10]通過(guò)施加強(qiáng)靜磁場(chǎng)，在凝固過(guò)程中無(wú)接觸地將高密度能量輸入合金中，從而控制和改變合金的凝固組織，最終達(dá)到改善性能的目的。本文通過(guò)改變縱向穩(wěn)恒磁場(chǎng)的強(qiáng)度和試樣的抽拉速率對(duì)Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta鈷基高溫合金進(jìn)行了定向凝固試驗(yàn)，研究了磁場(chǎng)對(duì)定向凝固的Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金一次枝晶間距的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用鈷基高溫合金選用純度為99.9%以上的Co、Al、W、Ta金屬原料配制，成分為(原子分?jǐn)?shù)，%)8.8 Al，9.8 W，2 Ta ，Co 余量。在真空感應(yīng)爐中熔煉，澆鑄成φ150 mm×260 mm的棒狀鑄錠，在其上切取尺寸為φ3.9 mm×130 mm的試樣，將表面用砂紙打磨，去除雜質(zhì)和氧化層后，再用丙酮清洗后裝入內(nèi)徑為4 mm的剛玉坩堝中。

磁場(chǎng)中的定向凝固試驗(yàn)裝置主要由超導(dǎo)磁體和Bridgman定向凝固爐組成，其示意圖見(jiàn)圖1。超導(dǎo)強(qiáng)磁體可以產(chǎn)生縱向強(qiáng)靜磁場(chǎng)，磁體中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度在0～6 T之間連續(xù)可調(diào)。試驗(yàn)用加熱爐為自制石墨電阻爐，爐膛溫度最高可達(dá)1 700 ℃。用PID溫控儀和B型雙鉑銠熱電偶控制溫度，控溫精度為±1 ℃。冷卻池分為內(nèi)外兩個(gè)腔體，內(nèi)層冷卻介質(zhì)為液態(tài)Ga- In- Sn合金，外層為循環(huán)水。試樣抽拉速度在0.5～15 000 μm/s之間連續(xù)可調(diào)。合金固- 液界面前沿的溫度梯度為50 K/cm。測(cè)量溫度梯度的方法為，采集固- 液界面前沿溫度的變化曲線，再根據(jù)公式GL=ΔT/ΔS(ΔT為溫度變化，ΔS為距離變化)計(jì)算出溫度梯度。為避免試樣氧化，在加熱爐內(nèi)持續(xù)充入Ar氣，待試樣穩(wěn)定生長(zhǎng)60 mm后，迅速將試樣拉入液態(tài)金屬冷卻池中淬火，以保留固- 液界面生長(zhǎng)形態(tài)。

將定向凝固試樣分別沿平行和垂直磁場(chǎng)方向剖開(kāi)得到縱截面和距離固- 液界面4 mm處的橫截面，經(jīng)打磨拋光，并用FeCl3(8 g)+HCl(14 ml)+H2O(21 ml)組成的腐蝕試劑進(jìn)行腐蝕，采用Leica DM 6000型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察凝固組織和固/液界面形貌。

圖1 縱向磁場(chǎng)中的定向凝固裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of directional solidifying device in longitudinal magnetic field

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2為試樣抽拉速率為10 μm/s時(shí)，不同強(qiáng)度磁場(chǎng)中試樣穩(wěn)恒生長(zhǎng)區(qū)域的組織形貌。不施加磁場(chǎng)時(shí)，枝晶生長(zhǎng)為典型的柱狀晶組織，二次枝晶臂較小。施加磁場(chǎng)后，二次枝晶臂逐漸粗大，從圖2(b)～2(e)中可以看出，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 T時(shí)，二次枝晶臂最發(fā)達(dá)，一次枝晶間距顯著增大。

圖3為抽拉速率100 μm/s時(shí)，不同強(qiáng)度磁場(chǎng)中試樣定向凝固穩(wěn)恒生長(zhǎng)區(qū)域縱截面的顯微組織。由圖3(a)可以看出，不施加磁場(chǎng)時(shí)，以100 μm/s的拉速形成的的定向凝固組織為規(guī)則柱狀晶，且二次枝晶細(xì)密發(fā)達(dá)。施加0.5 T磁場(chǎng)后，磁場(chǎng)對(duì)糊狀區(qū)組織形貌無(wú)明顯影響。當(dāng)磁場(chǎng)增大到1 T時(shí)，一次枝晶明顯粗化，二次枝晶臂也異常粗大。磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大，一次枝晶得到細(xì)化，主干尺寸減小而二次枝晶臂發(fā)達(dá)。與前面較低拉速相比，當(dāng)拉速 為100 μm/s時(shí)，磁場(chǎng)仍然顯著影響合金枝晶的生長(zhǎng)，但與拉速更低時(shí)相比，磁場(chǎng)的影響已經(jīng)明顯減弱。

圖4為抽拉速率為20 μm/s時(shí)，Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金在不同強(qiáng)度磁場(chǎng)中定向凝固穩(wěn)恒生長(zhǎng)區(qū)域橫截面處的顯微組織。從圖4可以看出，未施加磁場(chǎng)時(shí)，合金二次枝晶對(duì)稱(chēng)生長(zhǎng)。施加磁場(chǎng)后，枝晶明顯粗大，并伴隨有邊緣三次枝晶的生長(zhǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增大時(shí)，合金二次枝晶生長(zhǎng)不對(duì)稱(chēng)，如圖4(c)和4(d)所示。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到4 T時(shí)，枝晶又變得規(guī)則，且數(shù)量增加。

圖2 抽拉速率為10 μm/s時(shí)在不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)中定向凝固的Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金縱截面固- 液界面附近的微觀組織Fig.2 Longitudinal microstructures near the solid- liquid interface in the Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta alloy directionally solidified in magnetic fields of different intensities at a withdrawal velocity of 10 μm/s

圖3 抽拉速率為100μm/s時(shí)在不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)中定向凝固的Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金縱截面固- 液界面附近的微觀組織Fig.3 Longitudinal microstructures near the solid- liquid interface in the Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta alloy directionally solidified in magnetic fields of different intensities at a withdrawal velocity of 100 μm/s

圖5為在不同強(qiáng)度磁場(chǎng)中，抽拉速率分別為5、10、20、50和100 μm/s時(shí)合金一次枝晶間距的變化?？梢钥闯觯S著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金一次枝晶間距先增大再減小，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 T時(shí)，一次枝晶間距達(dá)到最大值。繼續(xù)增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，合金一次枝晶間距減小。圖5中缺少部分抽拉速率為5和10 μm/s時(shí)的一次枝晶間距數(shù)據(jù)。這是因?yàn)樵诖藯l件下合金定向凝固組織發(fā)生了CET轉(zhuǎn)變，枝晶雜亂無(wú)章，不能反映出合金一次枝晶間距的變化規(guī)律，因此未統(tǒng)計(jì)一次枝晶間距。

圖4 抽拉速率為20 μm/s時(shí)在不同強(qiáng)度磁場(chǎng)中定向凝固的Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金的橫截面微觀組織Fig.4 Cross microstructures near the solid- liquid interface in the Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta alloy directionally solidified in magnetic fields of different intensities at a withdrawal velocity of 20 μm/s

圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)定向凝固Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金固- 液界面處一次枝晶間距的影響Fig.5 Primary dendrite spacings near the solid- liquid interface in the directionally solidified Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta alloy as a function of magnetic field intensity

3 分析與討論

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金在定向凝固過(guò)程中，一次枝晶間距隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加先增大后減小。一次枝晶間距與合金成分C0、溶質(zhì)原子擴(kuò)散系數(shù)D、液相線斜率m、合金的固- 液界面能等體系的內(nèi)在特性有關(guān)，也受凝固速率V、溫度梯度G等外部條件的影響。Hunt[11]考慮了枝晶陣列內(nèi)溶質(zhì)原子的分布，給出了如式(1)所示的一次枝晶間距模型：

定向凝固過(guò)程中，一次枝晶尖端排出溶質(zhì)原子的速率大于高次分枝[15]。枝晶前沿和枝晶間溶質(zhì)原子的濃度主要取決于枝晶尖端排出的溶質(zhì)原子在各個(gè)方向的傳輸。對(duì)Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金而言，當(dāng)枝晶陣列向上定向凝固時(shí)(生長(zhǎng)方向與重力方向相反)，枝晶間富含Al溶質(zhì)的液體將形成由下而上的自然對(duì)流。無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，自然對(duì)流所形成的環(huán)流在平行于枝晶主干的平面內(nèi)流動(dòng)。在定向凝固過(guò)程中施加靜磁場(chǎng)將在枝晶周?chē)l(fā)熱電磁對(duì)流，并且是在垂直于枝晶主干的平面內(nèi)流動(dòng)。靜磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)電流體的運(yùn)動(dòng)有抑制作用，其抑制效果與流動(dòng)的形式有關(guān)。

靜磁場(chǎng)能有效抑制自然對(duì)流，而對(duì)熱電磁對(duì)流的抑制作用較弱。磁場(chǎng)對(duì)渦流的抑制如圖6所示。當(dāng)流動(dòng)被促進(jìn)時(shí)，從枝晶間排出的溶質(zhì)Al原子形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)，枝晶間溶質(zhì)原子含量及濃度梯度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而減小，由式(1)可知，一次枝晶間距將增大。另一方面，熱電磁對(duì)流為平行于磁場(chǎng)方向的渦流，不易受到靜磁場(chǎng)的抑制。當(dāng)渦流角動(dòng)量與坩堝軸向平行時(shí)，還會(huì)引發(fā)二次流，將影響軸向溶質(zhì)原子的傳輸。熱電磁對(duì)流引起的二次流可使枝晶間的溶質(zhì)原子向外排出，使枝晶間溶質(zhì)原子含量減少，導(dǎo)致一次枝晶間距增大。此外，高次枝晶的生長(zhǎng)受熱電磁對(duì)流的強(qiáng)烈影響。二次枝晶臂前端存在流動(dòng)，可加速二次枝晶的橫向生長(zhǎng)，能使其在枝晶間距調(diào)整過(guò)程中更快地鎖閉落后枝晶。此外，三次分枝的形貌隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高而變化，這種改變可能使三次枝晶不能向上發(fā)展為一次枝晶。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的繼續(xù)增大，磁場(chǎng)阻礙流動(dòng)，枝晶間溶質(zhì)原子濃度增大，由式(1)可知，一次枝晶間距將減小?？傊艌?chǎng)中高次分枝形貌的變化也可導(dǎo)致Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金一次枝晶間距增大。

圖6 施加靜磁場(chǎng)后熔體內(nèi)渦流的演化[16]Fig.6 Evolution of eddy current in melt after application of static magnetic field[16]

4 結(jié)論

Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta鈷基高溫合金在外加縱向靜磁場(chǎng)中定向凝固時(shí)，在相同抽拉速率和相同的溫度梯度下，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，熱電磁對(duì)流逐漸增強(qiáng)，從而提高了Al溶質(zhì)在枝晶尖端的濃度或減小其在枝晶間的濃度，導(dǎo)致Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金的一次枝晶間距增大，并且在磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 T時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)的三次枝晶也最為發(fā)達(dá)；當(dāng)磁場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)，自然對(duì)流被磁場(chǎng)抑制，枝晶尖端Al溶質(zhì)的濃度降低，從而導(dǎo)致Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金的一次枝晶間距減小。因此，在磁場(chǎng)中定向凝固的Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金一次枝晶間距隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加先增大后減小。

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