镍基单晶高温合金晶体取向的控制

　镍基单晶高温合金是航空发动机和燃气轮机叶片的重要材料。镍基单晶高温合金具有 ＜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。同时，＜001＞取向的单晶具有较高的综合力学性能。由于定向凝固和单晶叶片外形复杂，制造过程中容易出现偏晶、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。随着单晶高温合金的发展，不断加入了更多的难熔元素。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。

　　鉴于晶体取向对高温合金凝固组织和力学性能的重要影响，需要精确控制晶体取向，目前单晶高温合金铸件的制备主要是利用定向凝固技术来实现。在工业生产中，晶体取向主要通过选晶法或者籽晶法来确定。

　　1. 选晶法。

　　选晶法是制备单晶高温合金涡轮叶片常用的方法之一。选晶法是在铸件或叶片底部加一个选晶器，然后通过定向凝固技术适当地控制固液界面的温度梯度和抽拉速率来制备单晶。通常情况下选晶器由底部引晶段和螺旋选晶段两部分组成。定向凝固过程中在引晶段顶部会获得取向较好的＜001＞定向组织，再通过在选晶段内的竞争生长，最后只有一个晶粒长出选晶段的顶部并长满型腔，从而得到单晶体。

　　螺旋段是选晶器的一个重要组成部分，螺旋段的主要作用是确保一个晶粒进入铸件。螺旋选晶器的狭窄通道对枝晶生长的阻碍作用是螺旋选晶的主要原因，螺旋选晶器特殊的几何螺旋结构对晶粒竞争生长具有很好的约束作用。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。

　　2. 籽晶法。

　　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，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。

　　研究表明，拉晶速率和温度梯度对定向凝固的凝固界面形态、凝固组织及凝固缺陷等具有很大的影响，从而对晶体取向的分布产生重要影响。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。