單晶高溫合金雀斑研究進(jìn)展

王志成，李嘉榮，劉世忠，趙金乾，史振學(xué)，王效光，楊萬(wàn)鵬，岳曉岱

(中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100095)

鎳基單晶高溫合金以其優(yōu)異的綜合性能，成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的首選材料[1-4]。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的增大，渦輪葉片結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜；為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比增大的需求，單晶高溫合金承溫能力不斷提高，從而要求高熔點(diǎn)合金元素含量不斷增加；復(fù)雜的渦輪葉片結(jié)構(gòu)和高含量的高熔點(diǎn)合金元素使得單晶渦輪葉片凝固缺陷控制上面臨巨大的挑戰(zhàn)[5-7]。

單晶渦輪葉片定向凝固過(guò)程中可能形成的凝固缺陷主要有雜晶、雀斑、柱狀晶、大角度晶界、顯微縮松等，這些缺陷的存在降低了渦輪葉片的合格率，明顯削弱了渦輪葉片的高溫力學(xué)性能[8-10]。雀斑是單晶渦輪葉片制造過(guò)程中形成的平行于晶體生長(zhǎng)方向的鏈狀、細(xì)小等軸晶粒。由于宏觀腐蝕后缺陷表面呈現(xiàn)明顯的斑點(diǎn)狀，被稱為雀斑[11]。由于其宏觀偏析的本質(zhì)，雀斑一旦在單晶渦輪葉片上形成便不能通過(guò)后續(xù)的熱處理來(lái)消除，對(duì)葉片的力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響，并且也直接影響單晶渦輪葉片的合格率。特別是近年來(lái)，渦輪葉片的結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，單晶高溫合金中Re，W等高熔點(diǎn)合金元素含量不斷增加，從而導(dǎo)致雀斑形成傾向增大[12-13]。因此，深入研究雀斑的形成機(jī)理與控制方法具有重要意義。

目前，關(guān)于雀斑的研究主要集中在兩個(gè)方面，一方面是通過(guò)數(shù)值模擬與數(shù)學(xué)解析的方法研究定向凝固過(guò)程合金液體的對(duì)流情況并推導(dǎo)相關(guān)的雀斑形成判據(jù)，另一方面是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬的方法研究影響雀斑形成的因素。本文主要綜述了上述兩方面近年來(lái)的相關(guān)研究進(jìn)展，并展望了單晶高溫合金雀斑缺陷的研究方向。

1 雀斑的形成機(jī)理及預(yù)測(cè)模型

1.1 雀斑形成機(jī)理

雀斑主要出現(xiàn)在葉片尺寸較大的部位或尺寸及結(jié)構(gòu)突變的部位，如圖1所示[11]。過(guò)去幾十年里，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)定向凝固柱晶高溫合金定向凝固過(guò)程中雀斑形成機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，通過(guò)對(duì)透明有機(jī)物溶液和簡(jiǎn)單二元合金定向凝固的研究，認(rèn)為雀斑是由于凝固過(guò)程中合金液體對(duì)流所引起的[14-18]。有學(xué)者通過(guò)對(duì)定向凝固柱晶高溫合金定向凝固過(guò)程數(shù)值模擬研究，也認(rèn)為雀斑是由于凝固過(guò)程中溶質(zhì)偏析導(dǎo)致合金液體對(duì)流所引起的，同時(shí)還與二次枝晶的重熔、一次枝晶的偏轉(zhuǎn)有關(guān)[19-23]。

圖1 雀斑宏觀形貌[11]Fig.1 Macroscopic microstructure of freckle defect[11]

此外，眾多研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值解析方法研究發(fā)現(xiàn)[24-29]，雀斑的產(chǎn)生是凝固過(guò)程中的元素偏析所引起的，在單晶高溫合金鑄件定向凝固過(guò)程中，W和Re等富集于枝晶干區(qū)域，而Al和Ta則富集在枝晶間的合金液體內(nèi)，由于Re，W的密度大于Al，Ta的密度，如圖2所示，隨著固相分?jǐn)?shù)的增加，糊狀區(qū)中的合金液體密度與凝固前沿合金液體的密度差越來(lái)越大，在重力的作用下，這種上重下輕的密度分布使得糊狀區(qū)合金液體受到向上的浮力；當(dāng)浮力大于糊狀區(qū)內(nèi)合金液體的黏滯阻力時(shí)，糊狀區(qū)的合金液體會(huì)在枝晶間發(fā)生對(duì)流，并在糊狀區(qū)內(nèi)形成一定寬度的對(duì)流通道，這種合金液體的流動(dòng)會(huì)熔斷或沖斷枝晶從而形成枝晶碎片，這些枝晶碎片如果沒(méi)有來(lái)得及隨合金液體流出通道而滯留在通道內(nèi)，就會(huì)隨著通道的凝固在鑄件表面形成雀斑。Chmiela等[30]利用EDS研究了雀斑區(qū)域和非雀斑區(qū)域的化學(xué)成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：雀斑區(qū)域富集Al，Ta等元素，而W，Re的含量較少，其成分更加接近共晶成分，這進(jìn)一步證明合金元素在雀斑區(qū)域產(chǎn)生了較大偏析。

圖2 雀斑形成及合金液相流動(dòng)模式示意圖[24]Fig.2 Schematic illustration depicting freckle formation and associated fluid flow pattern[24]

1.2 雀斑形成預(yù)測(cè)模型

國(guó)內(nèi)外研究者建立了多種模型來(lái)預(yù)測(cè)和控制單晶高溫合金定向凝固過(guò)程中雀斑的形成。第一類預(yù)測(cè)模型主要是考慮工藝參數(shù)的預(yù)測(cè)模型。Pollock等[12]和Schadt等[31]提出了G-ν模型(其中G為溫度梯度，ν為凝固速率)，該模型認(rèn)為只要控制定向凝固過(guò)程冷卻速率大于某一臨界值就能抑制雀斑的產(chǎn)生；Pollock獲得的臨界值為0.1 ℃/s，而Schadt等獲得的臨界值為0.14 K/s，臨界值的大小主要與合金特性及試樣尺寸大小有關(guān)。Mehrabian等[32]提出了凝固速率模型，認(rèn)為只有當(dāng)枝晶間合金液體的對(duì)流流動(dòng)速率大于晶體生長(zhǎng)速率時(shí)才會(huì)有雀斑形成。最近Li等[33]提出同時(shí)考慮溫度梯度G、枝晶生長(zhǎng)速率R和凝固界面傾斜角θ的判據(jù)模型，其表達(dá)式如式(1)所示，其中I值越大表明產(chǎn)生雀斑的傾向性越大。

I=G-1·R-1.5·sin2θ

(1)

第二類預(yù)測(cè)模型是基于流體動(dòng)力學(xué)理論發(fā)展而來(lái)的瑞利數(shù)(Rayleigh number)模型。瑞利數(shù)表示的是合金液體對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力與阻力的比值，所以存在臨界瑞利數(shù)值Racrit；當(dāng)實(shí)際瑞利數(shù)Ra大于臨界Racrit時(shí)，合金液體就有可能發(fā)生對(duì)流從而導(dǎo)致雀斑的形成。許多研究者根據(jù)自己的工作推導(dǎo)出瑞利數(shù)模型[13,16,24,34-36]，其基本形式如式(2)所示：

(2)

式中：DT是熱擴(kuò)散系數(shù)；η是動(dòng)力學(xué)黏度系數(shù)；g是重力加速度；ρ0為凝固前沿合金液體密度；Δρ為ρ0與糊狀區(qū)中的合金液體密度ρ的差值；K為枝晶間合金液體的滲透率，主要與一次、二次枝晶間距相關(guān)；h為特征長(zhǎng)度。不同研究者對(duì)h有不同的定義，Pollock等[13]將h定義為一次枝晶間距λ1，Beckermann等[34]將h定義為糊狀區(qū)的寬度。從式(2)可以看出，合金液體對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力是糊狀區(qū)特定區(qū)域合金液體密度與凝固前沿合金液體密度的差值。瑞利數(shù)模型綜合考慮了合金成分、凝固工藝參數(shù)對(duì)合金液體對(duì)流的影響，與前述的G-ν模型、凝固速率模型相比，瑞利數(shù)模型能更好地預(yù)測(cè)雀斑的形成。

綜合上述研究可以看出，早期主要是通過(guò)研究透明有機(jī)物溶液和簡(jiǎn)單二元合金定向凝固過(guò)程來(lái)認(rèn)識(shí)雀斑形成機(jī)理；隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，單晶高溫合金定向凝固過(guò)程合金液體對(duì)流、凝固組織的模擬研究進(jìn)一步加深了對(duì)雀斑形成機(jī)制的理解。為有效預(yù)測(cè)和控制雀斑的產(chǎn)生，研究者提出了多種預(yù)測(cè)雀斑形成的模型。較簡(jiǎn)單的模型如G-ν模型、冷卻速率模型等，這些簡(jiǎn)單的模型對(duì)預(yù)測(cè)和控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單鑄件雀斑的形成有一定的指導(dǎo)作用，但這些模型只考慮了凝固過(guò)程的工藝參數(shù)(主要包括溫度梯度和凝固速率)，并未考慮到合金成分、鑄件結(jié)構(gòu)等對(duì)雀斑形成的影響，其主要給出了定性的分析，難以用來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜葉片雀斑的形成?；诹黧w動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)出的瑞利數(shù)模型綜合考慮了合金的成分、凝固工藝參數(shù)的影響，較前述簡(jiǎn)單模型能更好地預(yù)測(cè)單晶鑄件定向凝固過(guò)程雀斑的形成，但并未考慮鑄件結(jié)構(gòu)、晶體取向等因素的影響，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶渦輪葉片雀斑的形成。上述G-ν模型、凝固速率模型、瑞利數(shù)模型對(duì)深刻理解定向凝固過(guò)程中雀斑形成機(jī)理有重要意義。

2 雀斑形成的影響因素

2.1 合金成分對(duì)雀斑形成的影響

合金成分影響合金的凝固溫度區(qū)間，并且直接決定了合金液體的密度和合金元素的偏析情況，對(duì)合金液體對(duì)流及隨后雀斑的形成有重要的影響。Giamei等[37]在研究Ni-Al合金體系時(shí)發(fā)現(xiàn)：Al含量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)和5%時(shí)，鑄件上沒(méi)有雀斑的出現(xiàn)；Al含量為8%時(shí)，出現(xiàn)少量雀斑；當(dāng)Al含量增加到10%，鑄件上產(chǎn)生大量雀斑。該研究工作表明Al促進(jìn)雀斑的產(chǎn)生。

Pollock等[12-13]設(shè)計(jì)了10種不同成分的合金來(lái)研究合金成分對(duì)雀斑形成的影響，每種合金澆注7個(gè)葉片，統(tǒng)計(jì)葉片上雀斑鏈數(shù)量的平均值，其結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，增加Ta的含量可以顯著減少雀斑的數(shù)量，降低Re，W的含量也可以使雀斑的數(shù)量減少。Pollock的研究還表明，Al，Cr，Co，Hf等元素對(duì)雀斑形成的影響不大。Tin等[38]設(shè)計(jì)了一系列單晶高溫合金并研究了合金元素對(duì)雀斑形成的影響，發(fā)現(xiàn)增加Ta，Al的含量，降低W，Re的含量有助于降低雀斑形成傾向。

圖3 合金元素Ta對(duì)雀斑形成的影響[13]Fig.3 Effect of Ta on the formation of freckle defects[13]

Tin等[10,39]系統(tǒng)研究了C對(duì)雀斑形成的影響，結(jié)果如圖4所示，他發(fā)現(xiàn)C含量增加到0.125%就可以明顯降低雀斑產(chǎn)生傾向。包超君等[40]通過(guò)對(duì)各元素的密度溶質(zhì)膨脹系數(shù)β和密度溫度膨脹系數(shù)βT的計(jì)算，定量分析其在凝固過(guò)程中對(duì)糊狀區(qū)液相密度的影響，并定義一個(gè)雀斑形成傾向因子P，以量化各個(gè)元素對(duì)雀斑形成的影響大??；采用Thermo-Calc計(jì)算出k值，然后計(jì)算出各元素的P值大小如表1所示[40]。結(jié)果表明：凝固初期各元素對(duì)雀斑的影響大?。篟e>Hf>Al，Ta>W；凝固后期各元素對(duì)雀斑的影響大?。篐f>Ta>Re，Al，W。包超君等[40]認(rèn)為：總體上來(lái)看，對(duì)單晶高溫合金，單位含量的Hf元素對(duì)雀斑有最強(qiáng)的抑制作用，Ta元素抑制作用次之；Al，Re對(duì)雀斑有較強(qiáng)的促進(jìn)作用，W 次之。

表1 各元素在不同的凝固分?jǐn)?shù)fs下的P值大小[40]Table1 P value of each element at different solidification fractions[40]

圖4 合金元素C對(duì)雀斑形成的影響[39]Fig.4 Effect of C on the formation of freckle defects[39]

綜合上述工作可以看出，研究者主要是通過(guò)設(shè)計(jì)一系列不同成分的合金研究了主要合金元素對(duì)雀斑形成的影響，總結(jié)概括如表2所示[10,12-13,39-40]。從表2可以看出，增加合金元素Ta，C的含量，降低合金元素Re，W，Mo的含量能在一定程度上抑制雀斑的形成。有研究表明Al，Hf對(duì)雀斑形成的影響不大，也有研究表明Al含量的增加促進(jìn)了雀斑的形成，Hf含量的增加強(qiáng)烈抑制了雀斑的形成。合金元素Al，Hf對(duì)雀斑形成作用存在不同觀點(diǎn)的主要原因是所研究的合金體系不同，未考慮各合金元素之間相互影響作用，并且目前人們對(duì)合金元素影響雀斑形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠深入。因此，應(yīng)進(jìn)一步針對(duì)特定的單晶高溫合金研究合金元素相互作用及其對(duì)雀斑形成的影響機(jī)理。

表2 各合金元素對(duì)雀斑形成的影響[10,12-13,39-40]Table 2 Influence of elements on the formation of freckle defects[10,12-13,39-40]

2.2 凝固工藝對(duì)雀斑形成的影響

雀斑是由元素偏析引起的糊狀區(qū)中的合金液體密度與凝固前沿合金液體的密度差增大，從而導(dǎo)致合金液體對(duì)流而形成的，對(duì)流是否能發(fā)生與枝晶組織對(duì)合金液體流動(dòng)阻力大小有直接關(guān)系，而枝晶組織是由凝固工藝參數(shù)所決定的。Schadt等[31]在不同工藝條件下澆注大量的試樣研究工藝參數(shù)對(duì)雀斑形成的影響，其結(jié)果如圖5所示。當(dāng)G·v>0.14 K/s時(shí)，試樣上沒(méi)有雀斑產(chǎn)生，這表明增大凝固速率和溫度梯度可以抑制雀斑的產(chǎn)生；值得注意的是，在圖5中兩條虛線之間的區(qū)域，雀斑是否產(chǎn)生還與鑄件的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。

圖5 溫度梯度和凝固速率對(duì)雀斑形成的影響[31]Fig.5 Effect of temperature gradient and solidification rate on the formation of freckle defects[31]

Ma等[41]在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了凝固工藝參數(shù)對(duì)雀斑形成的影響，結(jié)果表明，隨著溫度梯度和抽拉速率的增加雀斑形成的傾向減小；Ma發(fā)現(xiàn)新的非雀斑區(qū)域，當(dāng)溫度梯度和抽拉速率降低到一定程度時(shí)，雀斑的形成被抑制。陳晶陽(yáng)等[42]通過(guò)在高速凝固法(HRS)定向凝固過(guò)程中調(diào)整隔熱擋板與殼型之間的間隙，獲得了較低的定向凝固溫度梯度，制備了含有雀斑組織的單晶高溫合金試棒。Li等[43]在鑄件截面突然增大的位置插入石墨導(dǎo)熱塊加快導(dǎo)熱，增大了局部的溫度梯度，從而消除了雀斑。這說(shuō)明降低溫度梯度促進(jìn)了雀斑的產(chǎn)生。Han等[44]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抽拉速率由6 mm/min降至1 mm/min時(shí)，鑄件上雀斑形成傾向明顯增大。任瑩[45]基于體積元平均技術(shù)建立了以熱溶質(zhì)對(duì)流為主要驅(qū)動(dòng)力的宏觀偏析三維預(yù)測(cè)模型，采用所開(kāi)發(fā)的模型和算法，研究不同抽拉速率對(duì)雀斑形成的影響，結(jié)果表明：抽拉速率為0.10 cm/min時(shí)鑄件形成雀斑傾向比抽拉速率為0.60 cm/min時(shí)嚴(yán)重；抽拉速率增加表明冷卻速率增加，因此增大抽拉速率可以有效抑制雀斑缺陷形成。

綜合上述工作可以看出，研究者主要通過(guò)在不同的工藝條件下制備大量的單晶鑄件，繪制雀斑形成與工藝參數(shù)關(guān)系圖或利用數(shù)值模擬的方法研究工藝參數(shù)對(duì)雀斑形成的影響，得出的一致結(jié)論是：增大抽拉速率和提高溫度梯度可以降低雀斑形成的傾向性。但增大抽拉速率會(huì)增加復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶鑄件雜晶產(chǎn)生傾向，所以應(yīng)針對(duì)特定結(jié)構(gòu)的鑄件進(jìn)一步研究工藝參數(shù)對(duì)雀斑形成的影響，制定合理的定向凝固工藝。

2.3 鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)雀斑形成的影響

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)單晶鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)雀斑形成有重要影響。馬德新等[46-48]研究了單晶鑄件的形狀對(duì)雀斑形成的影響，結(jié)果表明，雀斑主要出現(xiàn)在鑄件靠近爐體中間的一側(cè)，易于產(chǎn)生在鑄件的棱角部位而不是平滑表面上；易于出現(xiàn)在曲率為正的外凸曲面上，而不易出現(xiàn)在曲率為負(fù)的內(nèi)凹曲面上；鑄件表面粗糙程度的增加也會(huì)降低雀斑形成的傾向性。該團(tuán)隊(duì)[49]還設(shè)計(jì)了如圖6所示的階梯試樣，圖6(a)為沿著凝固方向橫截面積增大的階梯試樣，圖6(b)為沿著凝固方向橫截面積減小的階梯試樣，雀斑形成位置如圖6中A～D所示，研究表明鑄件外形臺(tái)階式地突然擴(kuò)張和縮小會(huì)分別抑制和促進(jìn)雀斑的形成。

圖6 階梯試樣對(duì)雀斑形成的影響[49]1-實(shí)際鑄件結(jié)構(gòu)示意圖；2-雀斑組織放大圖；3-鑄件雀斑形成位置示意圖(a)沿著凝固方向橫截面積增大的階梯試樣；(b)沿著凝固方向橫截面積減小的階梯試樣Fig.6 Effect of casting structure on the formation of freckles defects[49]1-structure of the casting;2-enlarged view of freckles;3- schematic diagram of the formation position of the freckles in the casting(a)specimen with increased cross-section along solidification direction;(b)specimen with decreased cross-section along solidification direction

Hong等[50]通過(guò)在圓棒試樣中插入氧化鋁型芯制備帶有內(nèi)表面的單晶鑄件。結(jié)果表明：雀斑不僅出現(xiàn)在鑄件的外表面，同樣也出現(xiàn)在鑄件的內(nèi)表面；隨著試棒直徑的增大，雀斑的尺寸增加，雀斑的起始位置降低，橫截面上雀斑組織的面積隨著鑄件橫截面面積增加而線性增加，但雀斑組織面積所占比例基本保持不變。Hong等[51]還設(shè)計(jì)如圖7所示的帶有傾斜外表面的鑄件并研究了單晶鑄件的形狀對(duì)雀斑形成的影響。結(jié)果表明：鑄件的形狀強(qiáng)烈影響著合金液體對(duì)流的條件，對(duì)雀斑的形成產(chǎn)生重要影響，雀斑易出現(xiàn)在沿著凝固方向向內(nèi)傾斜的鑄件表面，而不易出現(xiàn)在沿著凝固方向向外傾斜的鑄件表面。

圖7 鑄件形狀對(duì)雀斑形成的影響[51](a)陶瓷型殼;(b)定向凝固爐示意圖;(c)鑄件結(jié)構(gòu)Fig.7 Effect of casting structure on the formation of freckles defects[51](a)ceramic shell mould;(b)schematic diagram of directional solidification furnace;(c)specimen structure

綜合上述研究可以看出，鑄件的結(jié)構(gòu)對(duì)雀斑的形成有重要的影響，目前研究工作主要是采用具有突變截面的試板、試棒等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)單晶鑄件完成的。為充分認(rèn)識(shí)鑄件結(jié)構(gòu)影響雀斑形成的規(guī)律，應(yīng)針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶葉片研究鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)雀斑形成的影響。在滿足使用性能的前提下，盡量避免單晶鑄件存在易于產(chǎn)生雀斑的結(jié)構(gòu)，從而降低單晶鑄件雀斑形成傾向。

2.4 鑄件晶體取向?qū)θ赴咝纬傻挠绊?/h3>

早期研究者普遍認(rèn)為鑄件尺寸越大產(chǎn)生雀斑的傾向性越大，但Ma等[52]研究發(fā)現(xiàn)雀斑形成不僅與鑄件尺寸相關(guān)，還與鑄件晶體取向有關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，在同一組澆注的試樣中，直徑為12 mm的A試棒和直徑為15 mm的B試棒上出現(xiàn)了雀斑，而直徑為20 mm和25 mm的C，D試棒上卻沒(méi)有出現(xiàn)雀斑；對(duì)試棒取向測(cè)試表明，直徑為20 mm和25 mm的試棒〈001〉取向與試棒軸向偏差約為18°，而直徑為12，15 mm的試棒取向偏差都在6°左右。Ma對(duì)合金液體在糊狀區(qū)枝晶間的流動(dòng)進(jìn)行了模擬，研究表明：〈001〉取向的枝晶對(duì)合金液體垂直方向的對(duì)流阻力最小，隨著〈001〉方向與試樣軸向偏離的增加，對(duì)合金液體在垂直方向的對(duì)流阻力逐漸增大，導(dǎo)致雀斑形成的傾向性減小。上述結(jié)果表明：?jiǎn)尉цT件晶體取向?qū)θ赴弋a(chǎn)生有重要的影響。

圖8 單晶試樣晶體取向及其雀斑形成情況[52]Fig.8 Photographs of single crystal specimens with different diameters and pole figures exhibiting their crystal orientations[52]

3 雀斑控制方法

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)雀斑缺陷控制進(jìn)行了相關(guān)研究。國(guó)外Tan[53]在研究透明有機(jī)物定向凝固過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)振動(dòng)可以明顯減弱定向凝固過(guò)程中液相的對(duì)流情況，從而減小雀斑形成的傾向性。Shih等[54]在研究透明有機(jī)物定向凝固過(guò)程也發(fā)現(xiàn)，在凝固前沿液相中增加周期性的擾動(dòng)對(duì)抑制羽毛狀雙擴(kuò)散對(duì)流和雀斑形成有積極的作用。國(guó)內(nèi)Wang等[55]利用向上抽拉的方式進(jìn)行定向凝固，避免了定向凝固過(guò)程中糊狀區(qū)與凝固前沿液相密度發(fā)生倒置的可能，從而降低液相發(fā)生對(duì)流的傾向性，抑制了雀斑的形成。Li等[43]設(shè)計(jì)了如圖9所示兩種尺寸(試樣1，試樣2)的截面突變?cè)嚇觼?lái)研究控制雀斑形成的方法。圖9(a-1)，(b-1)為未插入石墨導(dǎo)熱塊時(shí)鑄件雀斑形成情況，發(fā)現(xiàn)雀斑出現(xiàn)在試樣截面突然增大位置的底部；當(dāng)在鑄件截面突然增大的位置插入石墨導(dǎo)熱塊(圖9(a-2),(b-2))，局部的溫度梯度增大，從而消除了雀斑。Lu等[56]采用液態(tài)金屬冷卻法制備了重型燃機(jī)定向結(jié)晶空心DZ411葉片，細(xì)化了樹(shù)枝晶組織,消除了雀斑缺陷。

圖9 試樣宏觀腐蝕表面[43] 1-未插入石墨導(dǎo)熱塊；2-插入石墨導(dǎo)熱塊(a)試樣1；(b)試樣2Fig.9 Macro-etched surfaces of specimens[43] 1-without graphite heat conducting block;2-with graphite heat conducting block(a)specimen 1;(b)specimen 2

從上述研究可以看出，振動(dòng)可以抑制定向凝固過(guò)程雀斑的形成，但會(huì)影響單晶的生長(zhǎng)，限制了其在實(shí)際條件下的應(yīng)用。通過(guò)液態(tài)金屬冷卻法可以降低葉片雀斑形成傾向，但目前該方法在葉片制備中應(yīng)用很少。所以，需要針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)葉片進(jìn)一步研究雀斑控制方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，單晶高溫合金雀斑是在定向凝固過(guò)程中產(chǎn)生的一種晶體缺陷，是由元素偏析引起的合金液對(duì)流所導(dǎo)致的，其形成受合金成分、凝固工藝、鑄件結(jié)構(gòu)、晶體取向等因素的影響。

判定雀斑形成傾向大小的瑞利數(shù)模型綜合考慮了合金成分、凝固工藝等對(duì)合金液對(duì)流的影響，但未考慮鑄件結(jié)構(gòu)、晶體取向等因素的影響，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶渦輪葉片雀斑的形成。所以，需要結(jié)合數(shù)值模擬方法，并綜合考慮合金成分、凝固工藝、鑄件結(jié)構(gòu)、晶體取向等因素對(duì)雀斑形成的影響，發(fā)展更加準(zhǔn)確的雀斑預(yù)測(cè)模型。

在合金成分方面，目前對(duì)個(gè)別合金元素影響雀斑形成的機(jī)制認(rèn)識(shí)還存在不同的觀點(diǎn)，需要針對(duì)不同的合金體系開(kāi)展相關(guān)研究，并充分考慮合金元素之間的相互作用，進(jìn)一步明確合金元素的作用機(jī)理。

在凝固工藝方面，目前研究集中在定向凝固過(guò)程中溫度梯度和抽拉速率對(duì)雀斑形成的影響，但缺乏澆注溫度、型殼溫度影響的研究，需要全面研究凝固過(guò)程各參數(shù)對(duì)雀斑形成的影響規(guī)律。

在鑄件結(jié)構(gòu)方面，目前主要針對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的單晶鑄件開(kāi)展了鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)雀斑形成傾向的影響研究，但缺少?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)葉片雀斑形成的相關(guān)研究，需要進(jìn)一步研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶渦輪葉片雀斑形成規(guī)律。

采用振動(dòng)、液態(tài)金屬冷卻等方法可以降低葉片雀斑形成傾向、控制雀斑的形成，但在復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶渦輪葉片的制備中均難以實(shí)現(xiàn)這些方法，應(yīng)進(jìn)一步研究雀斑的預(yù)測(cè)與控制方法，有效控制復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶渦輪葉片雀斑的形成。