靜磁場對定向凝固鎳基高溫合金組織影響的研究進(jìn)展

劉承林，蘇海軍，張 軍，劉 林，傅恒志

(西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國家重點實驗室，西安 710072)

定向凝固鎳基高溫合金是航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的基石與核心關(guān)鍵材料，其制造水平在某種程度上代表了發(fā)動機(jī)的技術(shù)水平[1]。以大型機(jī)匣、葉片為代表的高溫合金部件向多元化、大型化、集成化、復(fù)雜化發(fā)展，熔體質(zhì)量控制難度大幅增加，易產(chǎn)生欠鑄、偏析嚴(yán)重、晶粒粗大不均勻、熱裂等多種問題，導(dǎo)致性能惡化，制造難度、成本幾何量級地增大，成為制約高溫合金鑄件冶金質(zhì)量的瓶頸之一。相比傳統(tǒng)熔模鑄造技術(shù)而言，定向凝固技術(shù)雖能夠很好地避免上述問題，但是在枝晶組織和凝固缺陷等方面還需要采用其他手段來有效控制[2]。

實現(xiàn)晶粒組織和凝固缺陷控制是制備高性能大型復(fù)雜高溫合金鑄件的關(guān)鍵[3]。大量研究[4]表明，在合金凝固過程中，加入磁場利用金屬和物理場的相互作用，改變其凝固特性，能夠較好地消除鑄件的成分偏析、鑄造應(yīng)力等缺陷，提高鑄件的冶金質(zhì)量，將為進(jìn)一步提高材料的性能開辟新途徑。

本文主要綜述了國內(nèi)外靜磁場對定向凝固鎳基高溫合金組織影響的研究現(xiàn)狀，重點分析了施加不同方式、強(qiáng)度的靜磁場對定向和單晶高溫合金組織、偏析、缺陷及高溫力學(xué)性能的影響規(guī)律，并提出了靜磁場在鎳基定向高溫合金研究中潛在的發(fā)展方向。

1 靜磁場對定向凝固高溫合金一次枝晶間距的影響

鎳基高溫合金通常含有10多種合金化元素，主要由基體γ相和強(qiáng)化相γ′相組成，此外還有γ/γ′共晶相、碳化物相等。一般情況下，高溫合金凝固時首先從液相中析出富Ni的γ固溶體，當(dāng)溫度降低到液相線溫度以下約10℃，含C高溫合金還會析出初生MC型碳化物(L→MC+γ)。隨著溫度的進(jìn)一步降低，Al，Ta，Ti等γ′相形成元素向殘余液相中富集，最終以共晶反應(yīng)L→γ+γ′結(jié)束整個凝固過程[5]。

靜磁場可分為橫向靜磁場和縱向靜磁場[6]。目前，普遍認(rèn)同的靜磁場對金屬合金定向凝固過程的影響機(jī)理主要集中在兩個方面：一是磁阻尼效應(yīng)(magnetic damping)；二是熱電流引起的熱電磁對流效應(yīng)(thermoelectromagnetic convection,TEMC)。由于定向凝固過程中固/液界面存在溫度梯度，同時固液兩相具有不同的熱電勢，在塞貝克效應(yīng)作用下，凝固界面會產(chǎn)生一個熱電流[7]。定向凝固過程中，熱電流和靜磁場相互作用會產(chǎn)生一個明顯的熱電磁力，此力會誘發(fā)各種現(xiàn)象，比如液體攪拌、固相運動以及固相受力。在較小和適度的磁場下，熱電磁力促進(jìn)液體的流動，在較強(qiáng)的磁場下抑制熔體的流動[8]。

對于液體的流動，在假設(shè)流體不可壓縮和不考慮浮力影響的條件下，其流動將由Navier-Stokes式?jīng)Q定：

(1)

Ren等[13]在高溫合金DZ417G的定向凝固過程中施加縱向靜磁場。研究發(fā)現(xiàn)，在抽拉速率為5μm/s時,靜磁場影響了該合金組織的定向凝固生長特性，影響程度隨磁場強(qiáng)度的增大而增加。當(dāng)抽拉速率達(dá)到40μm/s及其以上時，施加強(qiáng)磁場使得單位面積上的枝晶數(shù)目增加，枝晶數(shù)目隨磁場強(qiáng)度的增大而增加,增加的最大幅度可達(dá)到1倍。從磁抑制對流和熱電磁效應(yīng)方面分析了上述現(xiàn)象，強(qiáng)靜磁場的抑制對流效應(yīng)和熱電磁對流效應(yīng)具有相反作用，前者能夠抑制熔體對流，減少枝晶數(shù)目，而后者正好相反。在不同合金體系和工藝參數(shù)下某一效應(yīng)會占優(yōu)勢，從而對一次枝晶間距產(chǎn)生不同的影響[14]。

李旭等[15]在DZ417G定向凝固過程中施加縱向磁場。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在較低生長速率下，磁場能顯著影響高溫合金柱狀枝晶的生長；弱磁場(<0.1T)能使枝晶生長規(guī)則化，生長方向逐漸統(tǒng)一并平行于磁場方向，一次枝晶臂間距減??；強(qiáng)磁場(>2T)破壞枝晶生長，枝晶發(fā)生斷裂，逐漸出現(xiàn)一些云狀組織。隨著生長速率的增大，磁場的影響逐漸減弱。胡治寧等[16]在單晶高溫合金DD483低凝固速率下(5μm/s)施加縱向靜磁場時發(fā)現(xiàn)凝固鑄態(tài)組織中單晶生長性受到破壞。在弱磁場下，熱電磁效應(yīng)占到了主導(dǎo)地位，而磁阻尼效應(yīng)幾乎無法顯現(xiàn)。這時，枝晶前沿只受到熱電磁力的作用，通過改變固/液界面和枝晶間的流動結(jié)構(gòu)，從而改變固/液界面前沿溶質(zhì)的分布及局部的成分過冷度，使得枝晶細(xì)化。而枝晶的破壞可能是由于熱電磁環(huán)流的存在，枝晶頂端和底部同時受到方向相反的兩個力的作用，頂部受一逆時針方向力的作用而底部受到順時針方向力的作用。當(dāng)兩個力足夠大時，會將枝晶扭斷，破壞枝晶的生長[17]。Xuan等[18]在DZ417G的定向凝固過程中施加橫向靜磁場，對凝固界面處進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明，在抽拉速率為10μm/s時，隨著磁場強(qiáng)度(2,4,6T)的增加，開始發(fā)生柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變(columnar to equiaxed transition,CET)，并且一次枝晶間距減小。與此同時，凝固界面形狀和糊狀區(qū)長度均發(fā)生了改變。研究表明熱電磁力和熱電磁環(huán)流是發(fā)生CET轉(zhuǎn)變的原因，與上述破壞枝晶生長的情況一致。

2 靜磁場對定向凝固高溫合金凝固缺陷的影響

定向凝固高溫合金的凝固缺陷有取向差過大、雜晶和游離晶、成分偏析及縮松等。以往研究者們?yōu)橄倘毕荻@得性能優(yōu)異的鑄件，通常采用調(diào)整合金成分[19]、提高溫度梯度[20]、改變抽拉速率[21]、采用引晶技術(shù)以及籽晶重熔技術(shù)等來解決上述問題，但由于實際條件所限，這些方法的改進(jìn)對凝固組織性能的提高有限。研究過程中還發(fā)現(xiàn)，在解決上述某個缺陷的同時卻導(dǎo)致了另外一個甚至幾個缺陷的形成。通過在合金凝固過程中引入磁場，以力和能的形式對其擴(kuò)散、流動及凝固界面產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響凝固組織和成分分布，這使得它成為改善合金及晶體性能的重要手段之一。利用磁場改善金屬材料組織和性能，能夠制備出常規(guī)方法難以獲得的新材料[22]。

2.1 雜晶的形成及控制

單晶高溫合金鑄件中極易出現(xiàn)雜晶缺陷，雜晶常在鑄件的特殊位置處產(chǎn)生，如鑄件的突變截面處[23-25]以及籽晶回熔區(qū)[26-27]附近，而當(dāng)基體晶粒取向偏離過大時，葉身靠近型殼的位置也可能產(chǎn)生雜晶。

Zhao等[28]和Stanford等[29]研究了籽晶法制備單晶高溫合金中雜晶的形成機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，雜晶僅出現(xiàn)在凝固最初階段的試樣邊緣，并隨著凝固的進(jìn)行雜晶逐漸消失。此外，研究還發(fā)現(xiàn)對于非平行于熱流方向的籽晶，在遠(yuǎn)離坩堝壁的一側(cè)易于形成雜晶。Yang等[30]和D′Souza等[31]在模擬過程中也發(fā)現(xiàn)定向凝固過程的初始階段有雜晶形成，且雜晶形成難易程度與初始晶粒的晶體取向有關(guān)。Dong等[32]模擬研究了熔模鑄造過程中微觀尺度下雜晶的形成，發(fā)現(xiàn)提高抽拉速率和增加等溫線彎曲角可引起葉片平臺處過冷度的增加，促進(jìn)雜晶的形成。上述研究充分表明，試樣變截面區(qū)域?qū)е履虠l件的突然變化是造成雜晶形成的一個重要原因。

在理解雜晶形成機(jī)制的基礎(chǔ)上，能夠有效地抑制雜晶的出現(xiàn)。Xuan等[18]在鎳基單晶高溫合金凝固過程中施加橫向強(qiáng)靜磁場，通過對未施加強(qiáng)靜磁場與施加8T強(qiáng)靜磁場籽晶與鑄件結(jié)合處的微觀結(jié)構(gòu)形貌變化進(jìn)行了對比。發(fā)現(xiàn)在沒有磁場下熔體回流界面是凸起的，施加8T磁場時，形成了平界面并且融化區(qū)域消失?？梢钥闯?，磁場能夠顯著地改變回熔界面形狀以及回熔區(qū)域長度，并且能夠有效地抑制雜晶的出現(xiàn)[33]，其原因可歸結(jié)為強(qiáng)靜磁場產(chǎn)生的熱電磁流效應(yīng)增大了固/液界面能，引起形核溫度的降低(臨界形核過冷度變大)，從而抑制了雜晶的形成。同時，在高溫合金DZ417G定向凝固變截面處發(fā)現(xiàn)施加12T靜磁場時雜晶消失(圖1)，未施加磁場的試樣有雜晶出現(xiàn)。從冷卻曲線可以看出(圖2)，未施加磁場時過冷度為8.5K，施加12T磁場時過冷度達(dá)到了10.5K。相比之下，施加12T磁場時凝固界面的臨界形核過冷度提高了2K。臨界形核過冷度增大，導(dǎo)致異質(zhì)形核困難，從而能夠抑制雜晶的出現(xiàn)[34]。

2.2 靜磁場對成分偏析及析出相的影響

合金元素在液/固相間的溶質(zhì)分配使得凝固過程中不可避免地出現(xiàn)元素偏析，溶質(zhì)分配系數(shù)是衡量元素偏析的重要指標(biāo)。大量研究[35-36]表明：在鎳基高溫合金中，Al，Ti，Ta，Hf等均為正偏析元素，其偏析系數(shù)小于1。Cr，Co，W，Mo，Re等通常為負(fù)偏析元素，其偏析系數(shù)大于1，偏析的減輕均會使得二者的偏析系數(shù)趨近于1。施加不同方式和強(qiáng)度的靜磁場對各元素的偏析程度不同，主要是磁場在高溫合金熔體凝固過程中作用的效果存在明顯的差異。

圖1 高溫合金DZ417G在靜磁場作用下縱截面變截面附近處的組織及其對應(yīng)的EBSD圖像[34](a)0T；(b)12TFig.1 Microstructures near cross-section change regions of superalloy DZ417G under a static magnetic field and the corresponding EBSD orientation image maps[34] (a)0T；(b)12T

圖2 靜磁場作用下高溫合金DZ417G凝固過程中變截面處的冷卻曲線[34](a)0T；(b)12TFig.2 Cooling curves at edge in the cross-section change region of superalloy DZ417G during solidification under a static magnetic field[34] (a)0T；(b)12T

Xuan等[34]分別對PWA1483和CMSX-4施加5T橫向靜磁場。其結(jié)果與未施加磁場時鑄件的元素偏析進(jìn)行對比可得，磁場能夠減輕正、負(fù)元素的偏析程度，且偏析系數(shù)逐漸趨于1。磁場的施加顯著降低了單晶高溫合金元素的偏析，由于熱電磁對流效應(yīng)，促進(jìn)了熔體的流動以及在枝晶周圍起到攪拌作用。

Ren等[13]在鎳基高溫合金定向凝固過程中對抽拉速率20μm/s和40μm/s時分別施加0,0.2,1,4,8T橫向靜磁場時發(fā)現(xiàn)元素偏析減輕并且偏析系數(shù)逐漸趨近于1。磁場強(qiáng)度的增加能夠減小γ′相的尺寸并且其含量也逐漸增多，這是由于磁場使得偏析降低所致。偏析的降低意味著成分均勻化增強(qiáng)，析出相尺寸會減小，同時枝晶的共晶組織含量也會降低。任維麗等[37]研究了橫向強(qiáng)靜磁場下時效熱處理對定向凝固高溫合金DZ417G組織的影響。結(jié)果表明，較常規(guī)不同時間的時效處理，強(qiáng)磁場能夠促進(jìn)相變的發(fā)生，使析出相細(xì)小而彌散分布。與無磁場相比，經(jīng)16h的時效處理后，6T的強(qiáng)磁場使枝晶干處強(qiáng)化相γ′細(xì)化，尺寸減小12%左右，顯微硬度提高約8.4%。枝晶間處強(qiáng)化相γ′沒有發(fā)生粗化，共晶組織周圍的強(qiáng)化相γ′較無磁場下分布均勻。

同時，房雙等[38]在不同強(qiáng)度的橫向強(qiáng)靜磁場下對定向凝固高溫合金DZ417G試樣進(jìn)行固溶處理和時效處理。結(jié)果顯示，12T強(qiáng)磁場下固溶處理后，枝晶干和枝晶間區(qū)域析出相γ′體積分?jǐn)?shù)分別增加5.3%和5.6%。12T強(qiáng)磁場下時效處理后，枝晶干和枝晶間區(qū)域析出相γ′體積分?jǐn)?shù)分別增加3.9% 和4.2%。合理強(qiáng)度的靜磁場的引入能夠減小元素偏析及析出相尺寸。Yuan等[39]研究了在變形前后靜磁場對析出相的影響(圖3)，經(jīng)過靜磁場的處理，析出相γ′尺寸減小，形狀由立方體變成圓形。在變形區(qū)域靜磁場使得析出相在短距離區(qū)域內(nèi)聚集，并且在高溫拉伸界面處顯示為粗化結(jié)構(gòu)。Li等[40]在高溫合金DZ483凝固過程中施加了橫向靜磁場(圖4)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著磁場強(qiáng)度的增加，析出相尺寸減小，并且偏析減輕。這主要是因為電磁制動的作用比熱電磁環(huán)流的強(qiáng)，使得液體流動性減小，從而減小了元素偏析。綜上所述，施加靜磁場可以有效減輕元素偏析，減小析出相的尺寸，但影響的程度也取決于凝固速率。

3 靜磁場對高溫力學(xué)性能的影響

高溫合金的高溫力學(xué)性能對組織缺陷非常敏感，高溫持久過程中脆硬的共晶組織和亞晶界不易與周圍組織協(xié)調(diào)變形,從而引起局部應(yīng)力集中。在應(yīng)力作用下容易形成裂紋源,給合金性能帶來不利影響[41]。在磁場作用下生長的晶體中共晶和亞晶界較少，因而在相同的應(yīng)力作用下不易斷裂,合金的高溫塑性得到改善。

Ren等[42]在單晶高溫合金凝固過程中施加了橫向靜磁場，研究了在980℃/250MPa條件下磁場對位錯特征的影響(圖5)。當(dāng)磁場增大時，位錯線集聚在γ′通道及γ/γ′共晶相中，當(dāng)發(fā)生變形時位錯切割析出相γ′，蠕變性能得到提高。

Li等[40]在高溫合金DZ483凝固過程中施加了橫向靜磁場。研究發(fā)現(xiàn)，柱狀枝晶完好，并且隨著磁場強(qiáng)度的增加，高溫力學(xué)性能提高。從斷口形貌以及裂紋表面可以發(fā)現(xiàn)斷裂機(jī)制主要以O(shè)rowan機(jī)制為主(圖6)，合金由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂，抗拉強(qiáng)度和硬度均得到較大的提高。

圖3 靜磁場下斷裂樣品變形區(qū)和未變形區(qū)γ′的形貌[39](a)無變形區(qū)0T；(b)變形區(qū)0T；(c)無變形區(qū)12T；(d)變形區(qū)12TFig.3 Morphologies of γ′ precipitates of fractured samples under a static magnetic field[39] (a)deformation-free region 0T;(b)deformation region 0T;(c)deformation-free region 12T;(d)deformation region 12T

圖4 縱向靜磁場對合金元素偏析系數(shù)的影響[40]Fig.4 Effect of transverse static magnetic field on segregation coefficient of alloying elements[40]

胡治寧等[16]研究了磁場對單晶高溫合金DD483蠕變性能的影響。由于單晶性被破壞，磁場能夠使該合金蠕變性能降低，持久壽命減小。通過觀察斷口形貌和斷面組織可以得出無磁場條件下高溫蠕變斷口表現(xiàn)為韌性斷裂，斷口部位出現(xiàn)韌窩。施加磁場后，樣品蠕變斷口表現(xiàn)為脆性斷裂，裂紋產(chǎn)生后迅速斷裂。磁場條件下的蠕變樣品斷裂裂紋起源于枝晶間，施加磁場后裂紋起始于晶粒間。

磁場能否提高高溫力學(xué)性能主要取決于枝晶的完整性。如果生長方向單一性比較好，隨著磁場強(qiáng)度的增加力學(xué)性能會得到提高，因此合理的磁場強(qiáng)度與抽拉速率的契合，能夠有效地提高定向凝固高溫合金的高溫力學(xué)性能，從而制備出優(yōu)良的鑄件。目前關(guān)于靜磁場對高溫合金力學(xué)性能的影響研究較少，還有待進(jìn)行進(jìn)一步的實驗研究，讓磁場的應(yīng)用更加合理有效。

4 結(jié)束語

目前，已有的研究結(jié)果表明，靜磁場對定向高溫合金的效應(yīng)具有多重性，為制備優(yōu)良的定向凝固鑄件提供了有效的思路和手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是磁場的多重效應(yīng)使得研究者們對其了解得不夠全面，還存在很多問題及爭議有待進(jìn)一步解決。

(1)靜磁場對單晶高溫合金缺陷的影響機(jī)理還存在爭議，尤其是在雜晶控制這方面，還需要更深入地研究其影響機(jī)理。

(2)靜磁場對晶體取向的影響規(guī)律及機(jī)理的研究較少，還需進(jìn)一步探究靜磁場誘導(dǎo)晶體取向的規(guī)律。

圖5 980℃/250MPa下試樣的位錯特征[42] (a)γ通道的位錯滑移；(b)γ′相的位錯切割；(c)γ，γ′相的規(guī)則位錯網(wǎng)格;(d)γ，γ′相的不規(guī)則位錯網(wǎng)格；(e),(f),(g),(h)分別為0.5,1,1.5,2T靜磁場下γ,γ′的位錯切割機(jī)制Fig.5 Dislocation characteristics in the samples crept at 980℃/250MPa[42](a)dislocation gliding in the γ channel;(b)dislocation cutting in the γ′ phase;(c)regular dislocation network at the γ,γ′;(d)irregular dislocation network at the γ,γ′; (e),(f),(g),(h)the dislocation cutting at the γ,γ′ under various static magnetic fields of 0.5,1,1.5,2T

圖6 靜磁場對樣品裂紋表面的影響[40] (a),(b)0T；(c),(d)12TFig.6 Effect of static magnetic field on the crack surface of samples[40](a),(b)0T；(c),(d)12T

(3)靜磁場對單晶高溫合金凝固特性(凝固路徑、凝固特征溫度、平衡分凝系數(shù)等)、晶體生長界面動力學(xué)及高溫力學(xué)性能的影響機(jī)制還需深入研究。

(4)模擬軟件以及計算模型需要進(jìn)一步完善，已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)在計算精度和應(yīng)用范圍上進(jìn)一步擴(kuò)展，使其能真正應(yīng)用于實際生產(chǎn)。