磁場(chǎng)作用下鎳基高溫合金定向凝固的研究進(jìn)展

趙 勇，蘇海軍，張 軍，劉 林，傅恒志

(西北工業(yè)大學(xué)，凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

0 引 言

鎳基高溫合金具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化、耐腐蝕性能以及優(yōu)異的組織穩(wěn)定性，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)高溫?zé)岫瞬考?，特別是渦輪葉片主流使用的核心關(guān)鍵材料[1]。定向凝固技術(shù)通過控制單向熱流，消除了橫向晶界，極大提升了高溫合金的力學(xué)性能，是目前發(fā)動(dòng)機(jī)定向柱晶和單晶葉片常用的制備技術(shù)。通常，高溫合金的力學(xué)性能不僅與合金成分、凝固工藝參數(shù)有關(guān)，還與枝晶間距、析出相等[2](如圖1所示)密切相關(guān)。為了進(jìn)一步改善和提高合金的承溫能力，研究人員主要通過添加難熔元素[3]或優(yōu)化凝固工藝[4-6]的方法來提高高溫合金的力學(xué)性能。

圖1 鎳基高溫合金定向凝固組織示意

隨著難熔元素含量的不斷增加，單晶高溫合金代次不斷提高，目前已經(jīng)發(fā)展到了第六代[3]；但大量難熔元素的添加導(dǎo)致合金密度不斷增大，組織易產(chǎn)生嚴(yán)重的成分偏析并析出有害相，這使得通過該途徑提高合金高溫性能受到一定限制。與此同時(shí)，定向凝固技術(shù)不斷取得新進(jìn)展。傳統(tǒng)定向凝固方法由Bridgman發(fā)明[7]，其基本原理是用隔熱擋板將上部加熱區(qū)和下部冷卻區(qū)隔開而形成一維溫度梯度，鑄件在上部加熱區(qū)發(fā)生熔化，在下部經(jīng)歷強(qiáng)制冷卻，通過定向抽拉獲得單向排列的凝固組織。在此基礎(chǔ)之上發(fā)展了快速凝固技術(shù)(high rate solidification，HRS)，目前已較為成熟，但其溫度梯度和冷卻速率較小，因此凝固組織粗大、枝晶偏析嚴(yán)重，影響了合金綜合性能的提高[8]。隨后，液態(tài)金屬冷卻法(liquid metal cooling，LMC)[4]、區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法(zone melting liquid metal cooling，ZMLMC)[9]、氣冷法(gas cooling casting，GCC)[10]等先進(jìn)定向凝固技術(shù)被相繼開發(fā)出來。這些技術(shù)的溫度梯度進(jìn)一步增大，然而在應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生部分不利影響，如鑄造污染、非均勻溫度場(chǎng)以及雜晶等[5,11-12]。此外，這些技術(shù)的開發(fā)理念主要基于提高溫度梯度、改變冷卻速率，但受實(shí)際工藝條件的限制，溫度梯度和冷卻速率難以進(jìn)一步提高。因此，發(fā)展一種新的技術(shù)解決上述問題以制備出高質(zhì)量的合金鑄件，是國(guó)內(nèi)外科研工作者面臨的一個(gè)主要難題。

磁場(chǎng)作為一種外加物理場(chǎng)，主要以力和能的形式無接觸地作用于材料凝固過程，能夠在不改變合金成分和凝固工藝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)組織和性能的優(yōu)化，因此近幾十年來得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并形成了材料電磁加工這一極具發(fā)展前景的新工藝，目前已成功應(yīng)用于單晶硅材料的工業(yè)生產(chǎn)[13-14]。近十年來，國(guó)內(nèi)外研究者開始將磁場(chǎng)引入到高溫合金的定向凝固過程中，對(duì)磁場(chǎng)作用下高溫合金的組織與性能開展了大量研究，并取得了豐碩的研究成果。磁場(chǎng)控制定向凝固是除了改變溫度梯度和冷卻速率以外的一種極具前景的新思路，有望成為制備高性能高溫合金鑄件的新途徑。因此，作者系統(tǒng)闡述了磁場(chǎng)控制定向凝固的效應(yīng)和機(jī)制，綜述了近十年來磁場(chǎng)作用下高溫合金定向凝固的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了磁場(chǎng)對(duì)高溫合金凝固組織、凝固缺陷和蠕變性能的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，展望了高溫合金磁場(chǎng)定向凝固技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。

1 磁場(chǎng)作用下的典型效應(yīng)

磁場(chǎng)對(duì)合金凝固過程中的傳熱、傳質(zhì)和對(duì)流會(huì)產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響合金的凝固組織和成分分布。根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向是否發(fā)生變化將磁場(chǎng)分為靜磁場(chǎng)和動(dòng)磁場(chǎng)兩類。與導(dǎo)電熔體相互作用時(shí)，靜磁場(chǎng)的典型效應(yīng)主要表現(xiàn)為磁阻尼效應(yīng)和熱電磁效應(yīng)，而動(dòng)磁場(chǎng)主要表現(xiàn)為電磁攪拌效應(yīng)。

1.1 靜磁場(chǎng)下的典型效應(yīng)

靜磁場(chǎng)是指磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向保持不變的磁場(chǎng)，主要通過永磁體或直流電流產(chǎn)生。將靜磁場(chǎng)作用于合金的凝固過程時(shí)，主要存在兩種效應(yīng)，即磁阻尼效應(yīng)和熱電磁效應(yīng)。

1.1.1 磁阻尼效應(yīng)

磁阻尼效應(yīng)是指磁場(chǎng)抑制流體流動(dòng)的一種效應(yīng)，又稱電磁制動(dòng)或電磁閥(electromagnetic braking，EMB)效應(yīng)。在合金凝固過程中，由于溫度梯度和濃度梯度的存在，金屬液不可避免地會(huì)產(chǎn)生自然對(duì)流，同時(shí)其他外界擾動(dòng)也會(huì)使金屬液流動(dòng)[15]；液態(tài)金屬流切割磁感線會(huì)在金屬液內(nèi)部形成感應(yīng)電流。作為導(dǎo)電熔體，液態(tài)金屬與外加磁場(chǎng)相互作用就會(huì)產(chǎn)生電磁制動(dòng)力[16]。電磁力的產(chǎn)生基于兩個(gè)基本定律：一是流動(dòng)的液態(tài)金屬與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生感應(yīng)電流，二是載流導(dǎo)體與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生洛倫茲力(又稱電磁制動(dòng)力)。數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為

j=σ(V×B)

(1)

F=j×B=σ(V×B)×B

(2)

式中：j為感應(yīng)電流；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；V為流體運(yùn)動(dòng)速度；σ為電導(dǎo)率；F為電磁制動(dòng)力。

如圖2所示，洛倫茲力方向與金屬液流動(dòng)方向相反，這會(huì)使熔體的對(duì)流減弱，在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)下甚至可以完全抑制對(duì)流。UTECH等[17]已從理論和實(shí)驗(yàn)證明了EMB效應(yīng)對(duì)熔體自然對(duì)流的抑制作用。

圖2 運(yùn)動(dòng)的載流導(dǎo)體與磁場(chǎng)作用示意

EMB效應(yīng)的阻尼效率用Hartmann數(shù)Ha表征，表達(dá)式為

Ha=(σ/η)1/2BL

(3)

式中：η為動(dòng)力黏度；L為特征長(zhǎng)度。

已有研究表明，Ha約為240時(shí)能夠有效抑制自然對(duì)流，但針對(duì)不同的合金體系，此數(shù)值有所差異[18]。

1.1.2 熱電磁效應(yīng)

圖3 Seebeck效應(yīng)示意

在合金定向凝固過程中，糊狀區(qū)固相和液相枝晶的熱電流可分別表示為

(4)

(5)

式中：σL，σS分別為液相和固相的電導(dǎo)率；fL和fS分別為液相和固相的體積分?jǐn)?shù)；SS和SL分別為固相和液相的熱電勢(shì)。

在定向凝固過程中，產(chǎn)生的熱電磁力分別作用于固相枝晶和枝晶間液相。熱電磁力驅(qū)動(dòng)枝晶間熔體流動(dòng)，形成熱電磁對(duì)流效應(yīng)(thermoelectric magnetic convection，TEMC)，如圖4所示。

圖4 枝晶間區(qū)域熱電磁對(duì)流示意

1.2 動(dòng)磁場(chǎng)的電磁攪拌效應(yīng)

磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向發(fā)生變化的磁場(chǎng)統(tǒng)稱為動(dòng)磁場(chǎng)，常見的有交變磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)等。在電磁冶金領(lǐng)域，一般通過施加變化的磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)，從而達(dá)到改善凝固組織和偏析的目的。

在動(dòng)磁場(chǎng)作用下，金屬內(nèi)電磁現(xiàn)象可用麥克斯韋方程組[20]描述：

(6)

式中：E為感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度；t為時(shí)間。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，在凝固過程中施加變化的磁場(chǎng)后，熔體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流和外加磁場(chǎng)相互作用就會(huì)產(chǎn)生電磁力。由磁流體力學(xué)理論可知，電磁力作用于金屬熔體會(huì)使熔體產(chǎn)生對(duì)流，作用于固相會(huì)使固相受力，從而對(duì)凝固組織和偏析產(chǎn)生影響。電磁力驅(qū)動(dòng)熔體流動(dòng)可用Navier-Stokes(N-S)方程[21]來描述：

(7)

式中：ρ為熔體密度；u為熔體瞬時(shí)速度；p為壓力；ν為熔體運(yùn)動(dòng)學(xué)黏度；FV為體積力，包括重力和電磁力等。

2 靜磁場(chǎng)下高溫合金定向凝固的組織、缺陷與性能

近年來，由于超導(dǎo)磁體和超低溫冷卻技術(shù)的發(fā)展，磁場(chǎng)強(qiáng)度大于2 T的強(qiáng)靜磁場(chǎng)得到了商用。研究者們開始將靜磁場(chǎng)(0～14 T)應(yīng)用于高溫合金的定向凝固過程，并取得了大量研究結(jié)果。

2.1 靜磁場(chǎng)下高溫合金定向凝固的組織特點(diǎn)

2.1.1 一次枝晶間距

一次枝晶間距是高溫合金定向凝固過程中的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。已有研究一致認(rèn)為，在相同的熱處理?xiàng)l件下，一次枝晶間距越小，合金的力學(xué)性能越好，尤其是在拉伸強(qiáng)度和延展性方面[22]。

多項(xiàng)研究[10, 22-25]表明，磁場(chǎng)能夠顯著影響高溫合金的一次枝晶間距。ZHANG等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在溫度梯度180 K·cm-1、抽拉速率40 μm·s-1條件下，施加6 T的縱向強(qiáng)磁場(chǎng)可以使定向凝固DZ417G高溫合金的一次枝晶間距減小約22%，細(xì)化效果顯著，但磁場(chǎng)強(qiáng)度大于6 T時(shí)枝晶間距又開始變大。LI等[26]研究了縱向弱磁場(chǎng)(B≤ 0.5 T)對(duì)不同直徑DZ417G鎳基高溫合金試樣一次枝晶間距的影響，發(fā)現(xiàn)隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)，一次枝晶間距也呈現(xiàn)出先減后增的變化規(guī)律。另外，橫向磁場(chǎng)也可以細(xì)化一次枝晶間距。LI等[27]和董建文等[28]研究表明，隨著橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大(B≤ 0.5 T)，DZ417G高溫合金的一次枝晶間距逐漸減小，但沒有呈現(xiàn)先減后增的規(guī)律。

以上結(jié)果表明，在高溫合金定向凝固過程中施加橫向/縱向靜磁場(chǎng)時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，一次枝晶間距均發(fā)生顯著變化。在一定條件下，對(duì)縱向磁場(chǎng)而言，一次枝晶間距隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律；橫向磁場(chǎng)的施加會(huì)顯著降低一次枝晶間距。磁場(chǎng)對(duì)枝晶間距的影響還取決于溫度梯度、生長(zhǎng)速率[28]和試樣尺寸等因素。當(dāng)試樣尺寸一定時(shí)，合理優(yōu)化溫度梯度、抽拉速率和磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以獲得更加細(xì)小的一次枝晶。

2.1.2 柱狀枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變

在高溫合金定向凝固過程中施加橫向/縱向磁場(chǎng)還可誘發(fā)柱狀枝晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，即CET轉(zhuǎn)變。通常，當(dāng)溫度梯度和抽拉速率一定時(shí)，在較低的磁場(chǎng)強(qiáng)度下柱狀枝晶生長(zhǎng)良好，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，糊狀區(qū)柱狀枝晶所受熱電磁力增大，枝晶端部與根部形成扭矩，使得枝晶碎斷而發(fā)生CET轉(zhuǎn)變，形成等軸晶[10,25-26]。目前，研究者們普遍認(rèn)為熱電磁力作用于固相枝晶是發(fā)生CET轉(zhuǎn)變的主要原因。

XUAN等[10]在DZ417G高溫合金定向凝固過程中施加縱向靜磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在溫度梯度150 K·cm-1、抽拉速率10 μm·s-1條件下，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.6 T時(shí)試樣邊緣開始出現(xiàn)等軸晶粒，且隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)，等軸晶數(shù)量不斷增加，在6 T磁場(chǎng)下等軸晶充滿整個(gè)試樣。YU等[25]在定向凝固過程中施加縱向靜磁場(chǎng)，同樣引起DZ417G合金枝晶碎斷及CET轉(zhuǎn)變的發(fā)生，并且隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大和抽拉速率的降低，CET轉(zhuǎn)變?cè)鰪?qiáng)。

此外，在高溫合金定向凝固過程中施加旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)也會(huì)誘發(fā)CET轉(zhuǎn)變。與靜磁場(chǎng)誘發(fā)CET轉(zhuǎn)變不同，旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)主要使枝晶前沿產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流，破壞枝晶的生長(zhǎng)；部分破碎的枝晶發(fā)生重熔并成為有效的晶核，生長(zhǎng)為等軸晶[29]。

總之，在定向凝固過程中，對(duì)于定向或單晶高溫合金，CET轉(zhuǎn)變的發(fā)生是不利的，應(yīng)當(dāng)通過調(diào)整工藝參數(shù)來避免這種轉(zhuǎn)變；對(duì)于等軸晶高溫合金，通過外加磁場(chǎng)誘發(fā)CET轉(zhuǎn)變，無疑是一種獲得等軸晶組織的新方法。

2.1.3 γ′析出相和γ/γ′共晶

在定向凝固過程中，施加磁場(chǎng)可以降低固相轉(zhuǎn)變期間γ′相的形核活化能，從而顯著細(xì)化枝晶干γ′相[30-32]；磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的熱電磁對(duì)流可以有效減輕元素的微觀偏析，從而顯著降低因偏析而產(chǎn)生的γ/γ′共晶的含量[24,30]，這在一定程度上可以縮短后期熱處理所需的時(shí)間。XUAN等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在溫度梯度120 K·cm-1、抽拉速率50 μm·s-1條件下，施加5 T的縱向磁場(chǎng)可使PWA1483和CMSX-4單晶高溫合金中γ′相尺寸分別減小46%和40%，同時(shí)枝晶間γ/γ′共晶相的尺寸明顯減小，且含量分別減少約49%和44%。REN等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在溫度梯度70 K·cm-1，抽拉速率分別為40，80 μm·s-1條件下，施加8 T的縱向強(qiáng)磁場(chǎng)可將單晶高溫合金中γ′相尺寸分別減小約65%和61%，細(xì)化效果顯著。

2.1.4 碳化物

在凝固過程中施加磁場(chǎng)還可以降低初生碳化物的含量[2,30]。REN等[2]對(duì)PWA1483單晶高溫合金施加1.5 T的縱向磁場(chǎng)后，其組織中的碳化物體積分?jǐn)?shù)從原先的0.7%降到0.6%左右；碳化物含量的降低是由于磁場(chǎng)的熱電磁對(duì)流效應(yīng)提高了成分的均勻性。但是目前，關(guān)于磁場(chǎng)對(duì)碳化物的作用機(jī)理還不是很清楚，有待進(jìn)一步研究。

2.2 靜磁場(chǎng)對(duì)高溫合金凝固缺陷的影響

在單晶或定向葉片的制備過程中，缺陷控制一直都是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。新近發(fā)現(xiàn)的磁場(chǎng)對(duì)缺陷的影響效應(yīng)為高溫合金缺陷控制提供了新的方法。

2.2.1 對(duì)縮孔的影響

在定向凝固期間，枝晶間區(qū)域殘余液相的凝固收縮是導(dǎo)致縮孔的主要原因[33]。XUAN等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在PWA1483和CMSX-4合金定向凝固期間施加強(qiáng)磁場(chǎng)能夠明顯降低縮孔的尺寸和含量。

根據(jù)凝固原理，強(qiáng)磁場(chǎng)所引發(fā)的熱電磁對(duì)流能夠促使熔體流動(dòng)并進(jìn)入枝晶間區(qū)域，增加凝固補(bǔ)縮，從而減小縮孔的尺寸。另一方面，如前所述，磁場(chǎng)能夠減小一次枝晶間距，由文獻(xiàn)[24]中的公式

dpore=φl(shuí)λ/2

(8)

式中：dpore為縮孔的直徑；φl(shuí)為最終的共晶液相體積分?jǐn)?shù)；λ為一次枝晶間距。

可知縮孔尺寸隨一次枝晶間距的減小而減小。因此，可以認(rèn)為熱電磁對(duì)流是導(dǎo)致縮孔含量降低的主要原因。

2.2.2 對(duì)雜晶的影響

在定向凝固過程中，單晶高溫合金中的雜晶仍然是一個(gè)尚未解決的缺陷。在合適的工藝參數(shù)(溫度梯度、抽拉速率)范圍內(nèi)，一定強(qiáng)度磁場(chǎng)的施加不僅不會(huì)破壞枝晶組織的生長(zhǎng)，其凝固組織仍為單晶組織，還可以有效抑制雜晶的形成[34-36]。在溫度梯度50 K·cm-1、抽拉速率100 μm·s-1條件下，施加0.7 T的橫向弱靜磁場(chǎng)能夠明顯抑制合金邊緣側(cè)雜晶的形成[36]；另外，施加12 T的縱向強(qiáng)磁場(chǎng)也能夠顯著抑制截面突變處雜晶的產(chǎn)生[34]?？梢姍M向弱磁場(chǎng)和縱向強(qiáng)磁場(chǎng)都能對(duì)雜晶的形成起到抑制作用。

在橫向弱磁場(chǎng)作用下，溶質(zhì)會(huì)沿著TEMC的方向運(yùn)動(dòng)，降低邊緣側(cè)溶質(zhì)的含量以及過冷度，抑制非均勻形核并促進(jìn)二次等高次枝晶的生長(zhǎng)，從而抑制邊緣側(cè)雜晶的形成[36]。而在縱向強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，固液界面能增加，增大了形核的臨界過冷度，使得非均勻形核變得困難[34]。

2.2.3 對(duì)雀斑的影響

雀斑是單晶鑄件中的一種典型凝固缺陷。在一定工藝參數(shù)下，在高溫合金定向凝固過程中施加一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)也會(huì)引起雀斑的產(chǎn)生[10,18,25,27]。XUAN等[10]在溫度梯度150 K·cm-1、抽拉速率10 μm·s-1條件下，在DZ417G合金定向凝固過程中施加縱向磁場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.6 T時(shí)合金糊狀區(qū)邊緣處開始出現(xiàn)雀斑。YU等[25]也發(fā)現(xiàn)，在縱向強(qiáng)磁場(chǎng)下，DZ417G合金邊緣易出現(xiàn)雀斑。

飛速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代帶給高職院校學(xué)生新的就業(yè)機(jī)會(huì)同時(shí)也帶來一系列挑戰(zhàn)，新時(shí)代的到來意味著人才競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，各行各業(yè)要求更加精細(xì)化，如在網(wǎng)上購(gòu)買一臺(tái)電腦，需要技術(shù)人員維護(hù)平臺(tái)、客服溝通、廠家發(fā)貨、物流運(yùn)輸、快遞員精準(zhǔn)送貨、售后服務(wù)等一系列人才，隨著電商的發(fā)展崗位也日新月異，社會(huì)對(duì)人才的培育需要有較強(qiáng)的業(yè)務(wù)素質(zhì)和健康的心理素質(zhì)，較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)等。

減輕元素偏析、縮短糊狀區(qū)長(zhǎng)度以及抑制枝晶間對(duì)流可以降低雀斑出現(xiàn)的概率[1]。NIU等[37]研究發(fā)現(xiàn)，在較強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，糊狀區(qū)會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而變長(zhǎng)。磁場(chǎng)較弱時(shí)，TEMF驅(qū)動(dòng)枝晶間溶質(zhì)向熔體邊緣遷移，從而形成雀斑；磁場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，一方面糊狀區(qū)變長(zhǎng)，另一方面發(fā)生了CET轉(zhuǎn)變，TEMF驅(qū)動(dòng)糊狀區(qū)域內(nèi)等軸晶粒旋轉(zhuǎn)，引起固液界面失穩(wěn)和宏觀偏析，從而形成雀斑。

磁場(chǎng)下定向凝固鎳基高溫合金雀斑缺陷的產(chǎn)生也與抽拉速率有關(guān)，目前只在低抽拉速率下發(fā)現(xiàn)雀斑，關(guān)于較高抽拉速率下雀斑的形成傾向還需進(jìn)一步研究。

2.3 靜磁場(chǎng)對(duì)高溫合金蠕變性能的影響

航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片都對(duì)高溫合金的蠕變性能提出了嚴(yán)格的要求，因此提高合金蠕變性能一直都是研究的重點(diǎn)。

在合適的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，磁場(chǎng)能夠顯著改變高溫合金的凝固組織，控制凝固缺陷，從而改善高溫合金的蠕變性能。REN等[2]研究發(fā)現(xiàn)：將靜磁場(chǎng)應(yīng)用于定向凝固過程可以改善單晶高溫合金的蠕變性能。利用磁場(chǎng)效應(yīng)，在合適的凝固參數(shù)下可以獲得比未施加磁場(chǎng)時(shí)高近5倍的蠕變壽命；磁場(chǎng)輔助凝固還增加了合金的斷后伸長(zhǎng)率，在磁場(chǎng)強(qiáng)度0.5 T、抽拉速率25 μm·s-1下，斷后伸長(zhǎng)率增加了70%。磁場(chǎng)下高溫合金性能的改善與磁場(chǎng)的施加提高了多尺度溶質(zhì)分布的均勻程度、降低了γ′相尺寸、減少了碳化物及共晶相的含量有關(guān)。目前關(guān)于磁場(chǎng)對(duì)高溫合金性能的影響研究還不夠充分，其作用機(jī)制尚不明確，有待進(jìn)一步研究。

3 動(dòng)磁場(chǎng)對(duì)高溫合金定向凝固組織與缺陷的影響

除了靜磁場(chǎng)，將動(dòng)磁場(chǎng)(交變磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)、行波磁場(chǎng))應(yīng)用于高溫合金的定向凝固過程也陸續(xù)受到研究者的關(guān)注。通過動(dòng)磁場(chǎng)與合金熔體的電磁作用來調(diào)控熔體的流動(dòng)狀態(tài)和行為，可以達(dá)到控制或改善凝固組織與偏析的目的。

3.1 交變磁場(chǎng)的影響

現(xiàn)有的定向凝固設(shè)備通常有感應(yīng)加熱和電阻加熱兩種方式。在感應(yīng)加熱定向凝固過程中，交流電通過感應(yīng)線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)合金的凝固組織產(chǎn)生影響。作者課題組[38]通過改變石墨套厚度獲得了不同強(qiáng)度的交變磁場(chǎng)，并研究了該交變磁場(chǎng)下DD90單晶高溫合金的凝固組織以及熔體內(nèi)磁場(chǎng)和流場(chǎng)的分布，發(fā)現(xiàn)隨著石墨套厚度的增加(即磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小)，熔體內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度、熔體流動(dòng)均逐漸減弱，這導(dǎo)致凝固后一次枝晶間距變大、共晶組織含量增加；此外，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小，各元素的偏析逐漸加重，γ′析出相的尺寸逐漸增大。這主要是因?yàn)槭缀穸仍叫?，熔體流動(dòng)越強(qiáng)，使得冷卻速率和過冷度增大，從而促進(jìn)了γ′相的析出。以上結(jié)果表明，在感應(yīng)加熱定向凝固過程中，選擇合適的石墨套厚度，有利于控制單晶高溫合金的凝固組織和微觀偏析。

3.2 脈沖磁場(chǎng)的影響

ZHANG等[40-41]研究了低壓脈沖磁場(chǎng)對(duì)K4169高溫合金定向凝固組織的影響，發(fā)現(xiàn)低壓脈沖磁場(chǎng)的施加會(huì)破壞柱狀晶的生長(zhǎng)，使柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變；模擬結(jié)果表明，CET轉(zhuǎn)變的發(fā)生歸因于低壓脈沖磁場(chǎng)引起的磁振動(dòng)和熔體對(duì)流的耦合效應(yīng)。利用低壓脈沖磁場(chǎng)控制定向凝固來誘發(fā)CET轉(zhuǎn)變，有望成為一種新的細(xì)晶工藝。

3.3 行波磁場(chǎng)的影響

行波磁場(chǎng)是通過向線圈施加頻率為50 Hz的三相交流電感應(yīng)產(chǎn)生的，其強(qiáng)度由電流控制，并且可以通過調(diào)節(jié)線圈的相序來改變磁場(chǎng)的方向。行波磁場(chǎng)主要通過施加三相電流實(shí)現(xiàn)空間變化磁場(chǎng)來改變金屬液流動(dòng)，從而對(duì)合金的凝固組織產(chǎn)生影響。

LI等[42]將行波磁場(chǎng)引入到CMSX-4高溫合金的定向凝固過程，發(fā)現(xiàn)在凝固過程中施加一定強(qiáng)度的行波磁場(chǎng)可以顯著減少雀斑缺陷的產(chǎn)生。雀斑缺陷的形成主要是由糊狀區(qū)液相發(fā)生密度反轉(zhuǎn)引發(fā)的熱溶質(zhì)對(duì)流造成的。在施加行波磁場(chǎng)后，洛倫茲力作用在糊狀區(qū)液相上，改變了糊狀區(qū)液相的流動(dòng)行為，從而降低了雀斑缺陷的形成概率。

4 結(jié)束語(yǔ)

磁場(chǎng)控制高溫合金定向凝固能夠顯著影響合金的顯微組織、典型缺陷和力學(xué)性能。在靜磁場(chǎng)下，通過合理控制磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度梯度和抽拉速率等參數(shù)，可以顯著細(xì)化一次枝晶間距和γ′相尺寸，降低碳化物和共晶相的含量，提高溶質(zhì)分布的均勻性，從而顯著改善高溫合金的蠕變性能,提高蠕變壽命。靜磁場(chǎng)還可以抑制雜晶缺陷的產(chǎn)生，降低縮孔的含量和尺寸，但在低抽拉速率下也可能會(huì)誘發(fā)雀斑缺陷。對(duì)動(dòng)磁場(chǎng)而言，交變磁場(chǎng)對(duì)高溫合金的鑄態(tài)組織影響顯著，脈沖磁場(chǎng)控制定向凝固會(huì)顯著影響元素的微觀偏析，行波磁場(chǎng)的施加可以降低雀斑缺陷的形成概率。

磁場(chǎng)控制定向凝固為制備高質(zhì)量合金鑄件提供了新的方法和途徑，具有良好的應(yīng)用前景。盡管目前關(guān)于磁場(chǎng)對(duì)高溫合金定向凝固過程的影響研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展，但面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，未來仍有大量工作需要進(jìn)一步開展。

(1)發(fā)展大尺寸、復(fù)雜形狀高溫合金件的磁場(chǎng)定向凝固技術(shù)，探明不同磁場(chǎng)類型和施加方式對(duì)復(fù)雜變截面高溫合金凝固組織的作用機(jī)理。

(2)系統(tǒng)開展磁場(chǎng)作用下單晶高溫合金葉片等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的凝固缺陷形成規(guī)律和高溫力學(xué)性能研究，揭示磁場(chǎng)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)高溫合金件中典型缺陷的抑制作用機(jī)理以及高溫?cái)嗔延绊憴C(jī)制。

(3)發(fā)展更為精確的計(jì)算機(jī)模擬方法，深入開展磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多場(chǎng)耦合作用下熔體流動(dòng)、溶質(zhì)傳輸規(guī)律及多尺度凝固組織演變規(guī)律的模擬研究。

(4)發(fā)展磁場(chǎng)控制高溫合金定向凝固過程的同步輻射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)作用下凝固組織演變和缺陷形成規(guī)律的實(shí)時(shí)觀測(cè)。