[科普中国]-晶体取向

镍基单晶高温合金晶体取向的选择

随着飞机、舰船等对发动机推力和效率需求的不断提高，发动机涡轮进口温度急剧上升，推重比10 以上航空发动机涡轮前进口温度已达1600 ～ 1650 ℃。为满足不断增长的涡轮进口温度，各种高温材料如镍基高温合金、金属间化合物、陶瓷、C /C 复合材料等不断获得发展和应用。镍基单晶高温合金具有优良的拉伸、持久、抗氧化和抗腐蚀性能，近年来新型高代次的镍基单晶高温合金通过添加Re 大大提高了合金的蠕变强度，同时添加Ru 等难熔元素，进一步提高了合金的高温性能和组织稳定性。结合气冷结构和涂层技术，在1100 ℃左右温度和高应力下镍基单晶高温合金仍可长时间服役。因此镍基高温合金在涡轮发动机中仍将有广阔的应用前景。

镍基单晶高温合金是具有面心立方结构的固溶体，具有 001 > 方向的择优取向，其主要特点是去除了易产生裂纹源的晶界，因此其高温力学性能明显提高。由于定向凝固和单晶叶片外形复杂，内部为复杂空心气冷结构，制造过程中频繁出现偏晶、杂晶、雀斑、小角晶界等缺陷，晶界的出现割裂了晶体的完整性，显著降低了单晶合金的力学性能，导致叶片合格率降低。随着单晶高温合金的发展，不断加入更多的难熔元素，第三代、第四代单晶高温合金中难熔元素的总含量达到20% 以上。由于难熔元素具有低扩散系数，加剧了杂晶、雀斑等凝固缺陷的形成，同时使单晶叶片晶体取向的控制更加困难。而叶片结构的进一步复杂化及尺寸大型化等因素，使晶体取向的偏离已成为单晶叶片的一个重要缺陷1。

晶体取向和微观偏析镍基高温合金在胞/枝界面状态下，溶质的扩散速率远小于界面的生长速率，从而造成元素在枝晶干和枝晶间的偏析，进而引起一系列问题，包括形成大量低熔点共晶，强化相的分布不均匀，枝晶间缩松，晶粒生长偏离、雀斑等问题，因此对镍基高温合金的微观偏析控制尤为重要。镍基高温合金中，Al，Ti，Nb，Ta 等通常为正偏析元素，在枝晶间富集; Re，W，Mo，Ru 为负偏析元素，富集于枝晶干; Cr，Co 和Ni，其偏析系数接近于1，基本不存在枝晶偏析。

晶体定向生长中，在择优取向方向具有较快的生长速度。

定向凝固过程中的枝晶偏析主要取决于溶质分配系数和扩散的均匀化效果。对于同一合金在相同的凝固条件下，其溶质分配系数恒定，因此元素偏析的变化主要取决于扩散的均匀化效果，而后者则主要取决于扩散时间和扩散距离。在相同的凝固速率下，扩散时间也是相同的，因此对 001 > 取向的晶体，主要是扩散距离的不同。在 001 > 取向晶体中，随着取向偏离角的增大，一次枝晶间距在不断地减小，较小的枝晶间距造成了扩散距离在不断减小，所以元素的偏析程度减轻。对 011 > 晶体，虽然随偏离角的增大，一次枝晶间距也在减小，元素的扩散距离在减小，可造成偏析程度减小，但 011 > 方向有2 个等同的择优方向，[110]方向的枝晶可认为是由[001]和[010]方向的侧枝生长组成的，前面对于 011 > 取向枝晶的生长演化也说明了这点。因此由于枝晶生长的错综复杂，造成溶质的偏析路径杂乱，最终导致溶质元素的偏析程度有所增大2。

籽晶法制备单晶的晶体取向籽晶法是将与所要制备的单晶部件具有相同材料的籽晶安放在型壳的最底部，然后将过热的熔融金属液浇注在籽晶上面，再适当地控制固液界面前沿液相中的温度梯度和抽拉速率，得到晶体取向与籽晶取向一致的单晶。液态金属浇入型腔后，籽晶被部分熔化，晶体生长沿与籽晶相同的结晶位向生长。籽晶法制备单晶的精度高，能控制单晶的三维取向，一般认为只要籽晶择优取向与热流方向一致，就可以抑制非择优方向的晶粒而生成单晶。

当籽晶的 001 > 取向偏离角度较小时，一次枝晶干基本平行于热流方向，得到的单晶的淬火界面附近的枝晶也一样。而当籽晶的 001 > 取向偏离较大时，获得的枝晶生长方向也沿着初始籽晶的生长方向，其生长方向并未受热流方向的影响。通过XRD 测试生长前后晶体的取向，发现晶体的取向并未发生明显改变，说明籽晶法制备单晶过程中，晶体的取向和生长状态，主要由籽晶的取向决定。

在取向偏离角较小时，引晶获得的胞晶的生长方向与热流方向平行。随着籽晶取向偏离角的增大，籽晶的枝晶干与最大热流方向的夹角也不断增大，但在随后生长的胞晶方向发生明显的改变。胞晶干的生长方向均沿着平行热流方向生长，与枝晶的生长方向沿着择优取向生长显著不同，胞晶的生长方向由热流方向决定而与晶体取向无关。

工艺参数对晶体取向的关系拉晶速率和温度梯度是定向凝固的重要参数，对凝固界面形态、凝固组织及凝固缺陷等具有很大的影响。近年来研究发现拉晶速率和温度梯度等参数的变化，对晶体取向的分布具有重要影响。在抽拉速率很低的稳定条件下，界面的速率近似等于试样( 坩埚) 或炉体的移动速率，界面保持平直; 抽拉速率增大后界面会出现明显的滞后现象，界面形状也会发生变化，温度梯度发生变化，导致生长方向发生偏离。

由于温度梯度较低，同时采用了较快的抽拉速率，导致了单晶较高的生长速率。在淬火界面可以发现凝固界面是呈下凹状的，由此导致了获得的单晶的取向比初始籽晶的取向有了较大的偏离。凝固界面下凹，可造成晶体取向的偏离，进一步说明了定向凝固过程中，要保持较好的晶体取向，即要保持凝固界面的平直性。

同时发现合金成分的变化对晶体的取向分散度有一定的影响。英国帝国理工大学在对CMSX-4 合金( 高W，Ta，不含C) 与CM186LC 合金( 低W，Ta，含0. 07% C)的对比研究中发现，CM186LC 合金中偏离 001 >取向10°晶粒数多于CMSX-4 合金; 相反，CMSX-4 合金偏离大于10°的晶粒数较多。其原因可能是加入碳后枝晶间碳元素的富集改变了枝晶尖端附近的液固界面能所致3。

总结和展望随着单晶高温合金的发展，更多的难熔元素如Re，Ru 等添加进了单晶高温合金，进一步提高了其高温力学性能，但同时也带来一系列问题，如杂晶形成，晶体取向的控制更加困难等等。同时单晶叶片复杂的几何形状，造成模壳的几何形状也需不断变化，致使定向凝固时辐射挡板与模壳的间隙不断变化，导致凝固时固液界面的波动，因此不太可能在铸件任何部位都保持完整的 001 > 晶体学取向。因此，单晶叶片取向偏离在某种程度上是难以防止的。这就需要获得晶体取向偏离轴向不同角度时其对高温力学的影响规律，以制定合格铸件对于取向偏离的容忍度。由于晶体的取向和凝固组织密切相关，获得晶体取向与凝固组织和析出相的关系，有助于进一步从原理上澄清晶体取向和力学性能的关系。

对高温合金晶体取向的研究及控制已经取得很多成果，总结起来，主要有以下几点:

( 1) 镍基单晶高温合金晶体取向具有显著的各向异性。不同取向单晶的高温拉伸性能、抗蠕变、低周疲劳等性能均有明显不同， 001 > 取向单晶具有较高的综合力学性能。

( 2) 晶体取向与镍基单晶高温合金凝固组织密切相关。不同取向的枝晶生长规律不同，造成各异的枝晶组织形态和枝晶间距，溶质元素在不同取向的偏析程度不同。

( 3) 螺旋选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向，以便获得取向良好的 001 > 取向的晶粒。螺旋段的主要作用是确保一个晶粒进入铸件，其几何参数对最终单晶取向没有明显影响。螺旋选晶器引晶段顶端最后保留的晶粒取向将直接决定最终单晶铸件的晶体取向。

(4) 籽晶法制备单晶过程中，在枝晶界面条件下晶体的取向和生长状态，主要由籽晶的取向决定。在胞晶界面状态下，胞晶的生长方向仍由热流方向决定。籽晶法能获得取向度较高的单晶。

(5) 较高的温度梯度和合适的拉晶速率，保持平整的凝固界面，有助于获得取向偏离较小的单晶。

对晶体取向的研究，应注意以下几个方面:

(1) 进一步研究晶体取向与凝固组织的关系，弄清楚晶体界面演化过程中晶体取向的转变特点。

(2) 研究工艺参数对单晶高温合金晶体生长取向的影响。进一步探索螺旋选晶器结构参数优化对晶体取向控制的作用规律。

在较大范围内改变凝固界面前沿的温度梯度，系统研究温度梯度对晶体取向控制的作用。探索变截面造成的温度场和溶质场变化等因素对晶体取向的作用，建立相关模型，采用计算机模拟与实验对比实现精确控制取向的目的。

(3) 研究晶体取向在晶粒生长中的作用。单晶制备中不可避免产生小角度晶界、杂晶等，研究晶体取向在螺旋选晶和晶粒淘汰中的作用机制，对控制凝固缺陷形成具有重要意义1。