倾斜籽晶法控制镍基单晶高温合金晶体取向研究

Controlling crystal orientation of Ni-based single crystal superalloy by inclined seeding method

摘要

本工作提出一种倾斜放置籽晶制备镍基单晶高温合金以获得特定取向单晶铸件的方法，采用实验和数值模拟研究该方法制备单晶过程中凝固组织演化过程及其机制，并讨论了倾斜籽晶控制单晶铸件晶体取向的原理。结果表明：通过改变〈001〉取向的籽晶与铸件之间的位向关系，可以制备出特定取向的单晶铸件。单晶制备过程中籽晶部分回熔，回熔界面与籽晶轴向垂直，定向凝固过程中熔体沿未熔籽晶外延生长形成单晶。

Abstract

An inclined seeding method for Ni-based single crystal superalloy with a specific orientation is presented. The evolution of solidification microstructure and its mechanism are studied during the preparation of single crystals by this method through experiment and numerical simulation. The principle of controlling the crystal orientation of single crystal castings by inclined seeding crystals is discussed. The results show that single crystal castings with specific orientations can be produced by changing the orientation relationship between the 〈001〉 orientation seed and the casting. During the preparation process of single crystal， the seed is partially un-melted， and the un-melted interface is perpendicular to the seed axial. The melting alloy grows epitaxially along the un-melted seed to form a single crystal casting during the directional solidification process.

Graphical abstract

关键词

镍基单晶高温合金 / 倾斜籽晶 / 晶体取向 / 凝固过程

Key words

Ni-based single crystal superalloy / inclined seeding / crystal orientation / solidification process

镍基单晶高温合金因其优异的高温综合性能而被广泛用作航空发动机和地面燃气轮机叶片的首选材料^［1-3］。镍基单晶高温合金的力学性能具有显著的各向异性，晶体取向微小偏离最优取向后力学性能即显著降低，因此制备单晶叶片过程中必须严格限定其晶体取向^［4-6］。单晶涡轮叶片从实心、空心向双层壁等复杂结构发展，导致其服役寿命对晶体取向的敏感性进一步增强，因此对单晶叶片晶体取向控制的要求也不断提高^［7-8］。

定向凝固熔模铸造结合选晶法或籽晶法是制备镍基单晶高温合金叶片的主要方法^［9］。籽晶法能够精确控制单晶铸件的三维晶体取向，在制备先进单晶叶片时的优势十分明显^［10-11］。该方法是在模壳底部预先放置一个具有所需取向且与叶片材料相同或相近的单晶作为籽晶，加热保温使籽晶上端熔化，浇注合金液并短暂保温后以一定速率将模壳抽拉出炉体的加热区使熔体在未熔籽晶上外延生长形成与籽晶晶体学方向一致的单晶^［12］。然而，籽晶法制备单晶铸件工艺复杂，且定向凝固初期易出现杂晶等凝固缺陷^［12-13］，导致目前工业生产中仅在需要特定晶体取向的单晶叶片时才采用籽晶法，限制了籽晶法的广泛应用。目前，降低籽晶法工艺复杂度、抑制定向凝固初期形成杂晶等凝固缺陷已成为相关科研人员的研究热点。国内外研究者相继提出的“籽晶+选晶^［13］”、“变速抽拉^［14］”、“模壳籽晶段设置热阻层^［15］”、“外加强静磁场^［16］”、“异质籽晶^［17］”等方法虽然能够提高籽晶法制备单晶的成功率，但均是通过增加籽晶法工艺的控制要点才能实现，增加了籽晶法的工艺难度。“型壳内预埋籽晶 ^［18］”方法工艺难度相对较小，具有较好的工业应用前景。但仍然需要制备特定取向的籽晶并调控籽晶与铸件熔模之间的位向关系以实现单晶铸件晶体取向的精确控制。这是由于常规的籽晶法制备单晶时籽晶垂直放置，籽晶轴向与铸件轴向（定向凝固方向）一致^［19-22］。为了精确控制单晶铸件的三维取向（包括一次取向和二次取向），必须制备相应取向的籽晶，同时旋转籽晶使其与铸件熔模之间具有合适的位向关系，导致工艺复杂、工程化应用程度不高。

本工作提出一种倾斜放置〈001〉取向籽晶制备镍基单晶高温合金的方法，能够实现采用〈001〉取向籽晶制备特定取向单晶铸件的效果，降低籽晶法的工艺难度。采用定向凝固实验和Procast数值模拟的方法分析了倾斜籽晶法制备单晶铸件的过程和控制晶体取向的基本原理，以明确该工艺的特点，为促进籽晶法在工业制备单晶叶片中的应用提供一个新思路。

1 实验材料与方法

实验所用材料为国产第二代镍基单晶高温合金DD6，其名义成分（质量分数/%）为：Cr 4.3，Co 9.0，Mo 2.0，W 8.0，Ta 7.5，Re 2.0，Hf 0.1，Al 5.6，Nb 0.5，Ni余量。采用螺旋选晶法制备出直径为16 mm的单晶试棒，首先在试棒上定向切割出尺寸为3.5 mm× 3.5 mm×40 mm的〈001〉取向的方柱形小单晶试样，即〈001〉方向与方柱的轴向平行，同时该方柱试样的〈100〉方向或〈010〉方向与方柱的表面垂直。将其中部分方柱试样的一端切去45°斜角后将其称为A类籽晶，剩余方柱形小单晶试样称为B类籽晶。使用籽晶前用砂纸对其表面打磨以去除氧化层。采用预埋籽晶的方法制备模壳，其结构如图1所示。将A类籽晶斜45°插入铸件熔模中，使籽晶斜角处与水冷铜板贴合，形成倾斜籽晶法制备单晶的模组；B类籽晶直插入铸件熔模中，端面与水冷铜板贴合，形成常规籽晶法制备单晶的模组；随后对籽晶与铸件熔模连接处进行精修，使其过渡区相互贴合且平缓过渡。然后采用标准制壳工艺获得预埋籽晶的模壳。采用工业级单晶炉实现定向凝固过程，单晶制备过程中的真空度保持在0.67 Pa左右。定向凝固过程中，将模壳温度加热到1520 ℃，保温3~5 min，之后将熔融合金加热到1520 ℃后进行浇注，再次保温静置3~5 min，随后以3 mm/min的速度将模壳从单晶炉的热区拉到冷区，得到单晶铸件。

单晶制备后振去模壳，采用1∶1混合的H₂O₂和HCl溶液进行宏观腐蚀，观察铸件是否存在宏观缺陷。采用电火花线切割沿铸件不同位置处进行切割，获得横截面和纵截面样品，经标准金相处理，采用14%（体积分数，下同）HNO₃+28% HF+58% C₃H₈O₃的腐蚀剂进行微观腐蚀，并利用Leica DM-4000M型光学显微镜（OM）进行显微组织的观察；使用Zeiss SUPRA 55型扫描电镜对铸件横截面进行EBSD测试，工作电压为20 kV，测试面积为500 μm×500 μm，步长为25 μm，测试后采用Channel 5 HKI软件分析确定晶体取向特征。

为分析倾斜籽晶法制备单晶叶片过程中温度场演化过程，并与常规籽晶法进行对比，采用Procast铸造工艺仿真软件对单晶制备过程中温度场演化过程进行模拟，为提高模拟效率，将单晶炉体处理为二维面网格的封闭真空空间，铸件及模壳采用三维网格划分，具体模拟过程及相关参考见文献［19-20］。

2 实验和模拟结果

图2所示为倾斜籽晶与部分单晶铸件的宏观腐蚀形貌。可以看到，籽晶轴向与定向凝固方向存在一定夹角，单晶制备过程中籽晶是倾斜的。籽晶段和单晶铸件段均无明显的杂晶、条纹晶、小角度晶界等凝固缺陷，表明倾斜籽晶法可以成功地制备出单晶铸件。

定向凝固后籽晶段纵截面的显微组织如图3（a），（b）所示。两类籽晶纵截面内枝晶生长方向完全一致，进一步表明定向凝固过程中未出现杂晶等凝固缺陷。特别是两类籽晶纵截面显微组织特征基本一致，从上至下分为完全熔化区（A）、糊状区（B）、热影响区（C）和原始组织区（D），各区域的典型显微组织如图3（c）~（f）所示，与文献报道的常规竖直籽晶制备镍基单晶高温合金过程中籽晶段组织特征相似^{［10，20-21］}。两种方法中的籽晶回熔界面以上完全熔化区重凝后的细枝晶中未发现发达的高次枝晶（三次枝晶及以上），说明定向凝固过程中温度场演化时等温面推进方向与籽晶轴线的偏角较小。而籽晶段各区域之间的分界面与籽晶轴向垂直，如图3（a）中虚线所示。这说明定向凝固过程中籽晶段内等温面推进方向与籽晶轴线一致，而不是沿着定向凝固方向。

倾斜籽晶法制备的单晶铸件显微组织和晶体取向如图4所示，由图4可见，枝晶排列整齐，没有明显的凝固缺陷，进一步表明采用倾斜籽晶法成功制备出了单晶。从图4（a）可以看出，枝晶在横截面上呈线性排列，沿线性排列方向的二次枝晶尺寸小于垂直方向上的二次枝晶尺寸。这是由于单晶的〈001〉方向偏离定向凝固方向45°，如图4（b）所示，晶体通过枝晶不断分枝向上外延生长所导致。结合图4（c）所示EBSD测定的单晶铸件晶体取向，进一步表明采用倾斜籽晶法可以使用〈001〉取向籽晶制备出〈011〉取向的单晶铸件。常规籽晶法制备的单晶显微组织及其晶体取向如图5所示，可见其为典型的〈001〉取向显微组织特征，明显区别于倾斜籽晶法制备的〈011〉取向的单晶铸件。

为了进一步明确倾斜籽晶法制备单晶机理，采用Procast模拟了倾斜籽晶法和常规籽晶法制备单晶过程中的温度场演化过程，如图6所示。可以看出，两种籽晶法制备单晶的温度场演化过程基本类似：加热保温阶段籽晶都发生一定程度的回熔，且回熔界面处籽晶的温度高于模壳温度，如图6（a）所示。定向凝固初期温度场演化速率逐渐提高，等温面推进到铸件部分后温度场演化过程趋于一致，如图6（b）~（d）所示。因此，倾斜籽晶法制备单晶过程与常规的垂直籽晶法基本类似，主要的区别是：由于籽晶倾斜放置，等温面籽晶段与籽晶轴向垂直，而不与定向凝固方向垂直，这与图3观察到的显微组织一致。

3 讨论

通过本研究可以发现，熔体在未熔籽晶上外延生长形成与籽晶的晶体学方向完全一致的单晶是籽晶法能够精确控制单晶铸件晶体取向的本质。因此，采用籽晶法制备单晶过程中获得未熔籽晶是成功制备单晶的关键，而调控籽晶与铸件熔模之间位向关系则是能够精确控制单晶铸件三维晶体取向的关键。因此，将〈001〉取向籽晶倾斜放置与铸件轴向形成45°角，获得了〈011〉取向的单晶铸件，如图4所示。根据图6模拟的两种籽晶法制备单晶过程中温度场演化规律可知，籽晶放置方式不影响单晶铸件的凝固过程。因此，本方法制备的〈011〉取向单晶铸件的显微组织特征与采用〈011〉籽晶制备的结果一致^［23-24］。调控〈001〉取向籽晶与铸件之间位向关系获得〈011〉取向单晶铸件的实例表明：通过改变〈001〉取向的籽晶与铸件之间的位向关系，可以制备出特定取向的单晶铸件。根据定向凝固过程中温度场的模拟结果（图6）和定向凝固后籽晶段显微组织（图3）可知，倾斜籽晶法与常规的垂直籽晶法制备单晶铸件的过程基本一致，定向凝固过程中熔体均从未熔籽晶上外延生长形成单晶。为确保单晶制备过程中籽晶下部不发生熔化，胡松松等^［25］采用带孔冷却板辅助增强籽晶与冷却板之间传热，本工作则采用将籽晶斜切出一个端面增加与水冷铜板的接触面积，使两者之间具有良好的导热，更适用于工业生产过程。加热保温阶段，籽晶上端的温度逐渐达到液相线温度以上发生回熔，但籽晶下端因与冷却板之间良好的导热而始终处于固相，进而可获得具有一定回熔比的未熔籽晶。Stanford等^［12］研究发现回熔界面处取向随机的破碎枝晶能够导致杂晶的形成。之前的研究表明籽晶回熔区温度场可以在短时间内达到稳态，但显微组织达到稳态则需要较长的时间^［19］。因此，定向凝固过程中需要设置一定的保温时间以熔解破碎枝晶。采用预埋籽晶的方法制备模壳，消除籽晶与模壳间隙，避免熔体浇注过程中进入回熔界面以下的过冷间隙形成杂晶，也是本方法能够成功制备单晶铸件的一个重要原因。

采用倾斜籽晶法只需调控〈001〉取向籽晶与铸件熔模之间的位向关系，即可实现精确控制单晶铸件三维晶体取向的目的。相比常规的籽晶法，本方法使用〈001〉取向的籽晶可以制备任意取向的单晶铸件，且籽晶与铸件熔模位向关系方便检验，能够降低籽晶法制备单晶叶片的工艺复杂度。同时，〈001〉取向籽晶相比其他特定取向的籽晶更易获得，且籽晶取向偏离也容易检测。本工作统计了8个采用倾斜籽晶法制备单晶高温合金的结果，发现全部获得了单晶铸件，表明本方法具有较高的单晶成品率。因此，倾斜籽晶法制备单晶叶片具有显著的工程化应用价值。

4 结论

（1）采用籽晶法制备单晶时将〈001〉取向籽晶倾斜放置45°成功制备出了〈011〉取向的单晶铸件。

（2）倾斜籽晶和常规籽晶均可以分为完全熔化区、糊状区、热影响区和原始组织区，各区域分界线与籽晶轴向垂直。

（3）倾斜籽晶法制备单晶过程中在保温阶段籽晶回熔界面处温度高于模壳，定向凝固初期温度场演化速率逐渐提高。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52301064)

湖南省自然科学基金项目(2022JJ40439)