镍基单晶高温合金具有良好的抗氧化性能、抗疲劳性能、优异的抗蠕变以及良好的断裂性能和组织稳定性,是现代国防建设和国民经济发展不可替代的关键材料^[1,2,3]。高推力航空发动机的飞速发展日益对镍基单晶高温合金的承温能力和力学性能提出了更高的要求^[4]。在高温合金制备过程中,如何实现晶粒组织和凝固缺陷的控制是获得高质量单晶高温合金铸件制备的关键^[5]。研究^[6,7]表明,在不改变合金成分的情况下,在合金凝固过程中加入电磁场,利用金属和物理场的相互作用,通过改变液固两相区流动及其变化过程,进而改变合金的凝固特性,能够很好地消除铸件的成分偏析、晶粒粗大等缺陷,优化合金组织,提高铸件的冶金质量,从而为进一步发掘和提高材料的性能开辟了新途径。

Matthiesen等^[8]在Ga-Ge合金的定向凝固过程中施加稳恒磁场,发现磁场抑制了凝固过程中的径向偏析,并且轴向偏析符合凝固扩散理论。Tewari等^[9]对Pb-Sn合金在定向凝固过程中施加0.45 T的径向磁场,发现胞晶排列发生严重变形,并且在糊状区形成了偏析通道。Robertson和O'conner^[10]在Si的晶体生长过程中施加横向磁场来抑制流动,减少宏观和微观偏析。Li等^[11]在镍基单晶高温合金中施加脉冲磁场,结果发现,随脉冲电压增加,一次枝晶得到明显细化。Xuan等^[12]在镍基单晶高温合金凝固过程中施加强静磁场,结果表明随磁场强度的增加,一次枝晶间距减小,析出相γ′以及共晶组织减小、缺陷消失,高温力学性能得到提高。尽管通过施加电磁场优化合金组织已经取得了较大进展,但是目前关于电磁场对单晶高温合金凝固组织影响的机理还不清楚。

本工作利用定向凝固技术,通过改变石墨套厚度获得不同强度的磁场,研究了磁场对DD90单晶高温合金凝固组织的影响规律,同时结合Ansys有限元分析软件模拟出合金熔体内磁场、流场的分布,在此基础上讨论了磁场对单晶高温合金凝固组织影响的机理。

1 实验方法

实验用镍基单晶高温合金DD90的成分(质量分数,%)为: 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。首先分别将直径7 mm、长15 mm的单晶高温合金籽晶和直径7 mm、长60 mm的试棒装入纯度为99.9%的刚玉管内,然后将其置于自制的材料和晶体生长系统感应定向凝固炉内,在Ar气保护下,进行定向凝固实验。

实验装备为感应熔炼炉,熔炼过程中使用的石墨套具有良好的导热性和屏蔽磁场的作用,通过导热性可以使原料熔化。同时由于在通电过程中感应线圈会产生感应磁场,也可以通过改变石墨套的厚度来适当地屏蔽一定的磁场,冷却介质为液态 Ga-In-Sn合金。用PID温控仪和B型热电偶控制加热炉温度,温度梯度为80 K/cm,抽拉速率为50 μm/s。实验采用籽晶法制备单晶样品,将<001>方向的单晶放入刚玉管的底部作为籽晶,籽晶上部放入母合金,合金重熔时籽晶被部分熔化。当炉内温度上升到1500 ℃后保温30 min,以50 μm /s速率抽拉至一定的长度后,将试样迅速拉下至Ga-In-Sn液态金属冷却池中进行淬火得到DD90铸态组织。

将制备好的合金样品横截面、纵截面进行金相处理,经打磨抛光后的试样用腐蚀剂(体积比为HNO₃∶HF∶C₃H₈O₃=1∶2∶3)化学腐蚀后利用DM4000M型光学显微镜(OM)观察金相组织。通过Sisc IAS V80 图像分析软件计算不同石墨套厚度下的一次、二次枝晶间距,以此来表征凝固组织的变化。利用Supra 55扫描电镜(SEM)观察强化相γ′以及共晶组织变化,利用附带的能谱仪(EDS)分析成分偏析。其中,强化相γ′尺寸的统计采用对角线法,分别选取至少3幅强化相γ′的图像,每幅图像至少包括50个强化相γ′,用Sisc IAS V80图像分析软件进行测量统计,取其平均值。进行共晶含量的定量分析时,至少在每个试样上选取7个视场,利用Sisc IAS V80图像分析软件进行定量分析,取其平均值。

采用Ansys有限元分析软件,模拟了感应线圈作用下单晶高温合金熔体内的磁场和流场的分布,研究探讨了不同石墨套厚度下磁场及流场的分布变化规律以及磁场对凝固组织的影响机理。

Maxwell方程组定量地描述了电磁的相互作用和运动规律,是研究一切宏观电磁问题的基础,也是进行电磁场有限元分析的理论依据和出发点。其中,Maxwell微分形式的方程组如下^[13,14]:

∇×H=J+∂D/∂t(1)

∇×E=-∂B/∂t(2)

∇⋅D=ρ(3)

∇⋅B=0(4)

式中,B为磁通密度,T;H为磁场强度,A/m;E为电场强度,V/m;J为传导电流密度,A/m²;D为电位移,C/m²;ρ为电荷体密度,C/m³;t为时间,s。导体单位体积所受的磁力(F)可表示为：

F=ρE+J×B(5)

模拟所需要的参数如表1所示,有限元模型如图1所示。

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图1   有限元模型

Fig.1   FEM model used in the simulation

2 实验及模拟结果

2.1 电磁场对凝固组织及偏析的影响

图2为单晶高温合金DD90定向凝固后稳定生长区附近纵截面和横截面OM像。由图可以看出,一次枝晶生长分布均匀。一次枝晶间距的统计分析表明,当石墨套厚度D从10 mm增加到30 mm时,对应的一次枝晶间距分布在152~180 μm之间(图3a)。同样,二次枝晶间距随石墨套厚度的增加而减小,但减小的幅度很小(图3b)。

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图2   不同石墨套厚度(D)下DD90合金的横截面和纵截面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)

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图3   一次枝晶间距和二次枝晶间距与石墨套厚度的关系

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

图4为不同石墨套厚度下单晶高温合金DD90凝固组织中枝晶干上γ′析出相的SEM像。发现随石墨套厚度的增加,γ′相尺寸逐渐增大。当石墨套厚度为10 mm时,γ′相尺寸约为132 nm;石墨套厚度为15~30 mm时,对应的γ′相尺寸分别为148、154、165和178 nm。

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图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)

图5为在不同石墨套厚度下单晶高温合金DD90铸态共晶组织的SEM像。从图可以看出,随石墨套厚度的增加,共晶组织尺寸逐渐变大,但共晶组织形貌几乎没有发生变化。在此基础上,对共晶含量做了统计(其中γ /γ′共晶含量是通过计算共晶所占面积得出),当石墨套厚度D从10 mm增加到30 mm时,共晶含量由1.6%增加到3.8%。

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图5   不同石墨套厚度下DD90合金共晶组织的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)

图6为不同石墨套厚度下合金元素偏析系数的变化。结果表明,当石墨套厚度较小时,熔体内的磁场较强,元素偏析程度降低。随石墨套厚度的增加,W、Mo的偏析系数先增大后略有减小,Al、Ta、Hf偏析程度随石墨套厚度的增加而显著增加。研究^[15,16]表明,镍基单晶高温合金中,Al、Ta、Hf等均为正偏析元素,其偏析系数小于1;Cr、Co、W、Mo、Re等通常为负偏析元素,其偏析系数大于1,偏析的减轻均会使得二者的偏析系数趋近于1。

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图6   不同石墨套厚度下DD90合金中元素的偏析系数

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

2.2 DD90合金熔体内磁场及流场分布的模拟结果

图7给出了不同石墨套厚度下DD90单晶高温合金熔体内磁场的分布。随石墨套厚度的增加,磁场逐渐减弱,当厚度达到30 mm时,熔体内部的磁场基本趋于0,并且磁场的最大值分布于熔体的中间部位。图8是不同石墨套厚度下流场的分布云图。随石墨套厚度的增加,流速逐渐减弱。在一定磁场强度范围内,能够促进熔体对流。

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图7   不同石墨套厚度下DD90合金熔体内磁场的分布

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)

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图8   不同石墨套厚度下DD90合金熔体内流场的分布

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 分析讨论

3.1 磁场对枝晶组织形貌的影响

研究^[17]表明,磁场对熔体有2个作用效应：磁阻尼效应和热电磁对流效应。磁阻尼效应在定向凝固过程中对导电流体具有制动作用,可减少界面处的扰动。热电磁对流能够使熔体流动加剧,促进溶质的传输,2个效应表现出竞争作用关系。当施加的磁场强度较低时(B<1 T),热电磁效应占到了主导地位,而磁阻尼效应几乎无法显现^[18],从对熔体内磁场的分布情况(图7)来看,感应线圈产生的磁场强度较弱,所以在定向凝固过程中只表现出热电磁对流效应。其中,热电磁对流主要是由Seebeck效应引起的^[19]。如图9a所示,由于熔体和晶体的热电因子不同,且二者间存在温度梯度,从而产生热电流J_T。热电流与磁场相互作用产生一个热电磁力J_T×B,这个力将驱动凝固界面附近的熔体在一定区域内流动,从而产生热电磁对流^[20]。

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图9   Seebeck效应和枝晶间的热电磁对流

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

在熔体内部,磁场、流场均会随石墨套厚度的增加而明显降低。对于一次枝晶而言,其间距随磁场强度的增加而减小。熔体的流动直接影响枝晶的生长,Lehmann等^[21]提出了一次枝晶间距λ与流动速度U的关系：λ=λ₀ / 1+U/R(式中,λ₀为无对流时的一次枝晶间距,R为生长速率)。从上式可以看出,对流可以减小一次枝晶间距,U越大,λ越小。因此,可以认为施加磁场后一次枝晶间距的减小是热电磁流引起的。

与此同时,二次枝晶间距随石墨套的厚度增加而减小,但减小幅度很小。通常,二次枝晶间距除了与抽拉速率有关之外,也会受温度梯度的影响^[22],并且随温度梯度的增加而逐渐减小。熔体内的电磁搅拌会导致熔体内产生对流,促使熔体内温度场分布均匀,降低凝固前沿的温度梯度。当石墨套厚度增加时,磁场强度会随之降低,从而使得二次枝晶间距随石墨套厚度的增加逐渐递减。

3.2 电磁场对元素偏析的影响

研究结果表明,磁场能够显著降低DD90合金元素的偏析(图6)。这主要是由于合金元素的偏析程度取决于有效偏析系数^[23],其中有效偏析系数与熔体的流动有关^[24]。由于热电磁对流效应,促进了熔体的流动以及在枝晶周围起到搅拌作用,进而使得元素偏析程度降低。

3.3 电磁场对析出相γ′及共晶组织的影响

析出相γ′的尺寸随磁场强度的增加而减小,同时共晶组织含量减小。这主要因为热电磁对流能够使熔体的冷却速率增加,冷却速率与固/液界面处的过冷度成正比关系,过冷度的增大能够促进γ′相析出。γ′相生长时间取决于一次枝晶间距,增大磁场强度使得一次枝晶间距减小,所以γ′相生长时间缩短,使得γ′相尺寸也相应减小。由于形成共晶组织的元素主要为Al和Ta^[25],所以这2种元素的偏析程度降低,导致了共晶组织的含量减小。

4 结论

(1) 当石墨套厚度为10~30 mm时,单晶高温合金DD90单晶生长保持完好。结合模拟结果可知,熔体内存在较弱的磁场,并未能破坏枝晶定向生长形态。随石墨套厚度的增大,熔体内磁场强度减弱,导致一次枝晶间距增大。

(2) 随石墨套厚度的增加,磁场强度降低,合金的元素偏析程度增大。

(3) 磁场强度的增加,减小了铸态组织析出相γ′的尺寸。共晶组织含量明显得到降低,主要是元素偏析程度降低所致。

(4) Ansys有限元模拟表明,随石墨套厚度增加,磁场强度减弱、熔体流速降低。

The authors have declared that no competing interests exist.