镍基高温合金

    镍基高温合金是指可在650-1,200℃范围内使用，以镍为基体的奥氏体型合金，约有40%的高温合金为镍基合金。按照工艺，可将其分为变形、铸造（定向、单晶、共晶）、弥散强化、粉末合金四类。其中铸造镍基高温合金广泛用于制造燃气涡轮发动机导向叶片、涡轮转子叶片以及航天、能源、石油化工等领域的高温构件。

    采用传统的高速凝固法（HRS）制备单晶叶片，随着凝固界面的推进，通过热传导和热辐射所引起的散热，导致凝固界面前端的温度梯度急剧下降。此外，单晶工业燃气轮机叶片的尺寸和重量通常是航空发动机叶片的数倍，这使得铸件缺陷的预防更加复杂。

    改善温度梯度是减少或消除铸件缺陷的有效途径。液态金属冷却（LMC）技术作为一种强大的定向凝固（DS）技术，有望用于制造单晶（SC）涡轮叶片。大量研究证明， 采用LMC工艺制备大尺寸工业燃气轮机单晶叶片，具有较高温度梯度，较细的枝晶，较少的凝固缺陷，降低凝固偏析和提高力学性能等优点。因此，在过去的几十年中， LMC工艺在镍基单晶高温合金制备中的应用日益得到关注。

    高速凝固法 （HRS） 和液态金属冷却法（LMC）对比

    北京航空材料研究院（BIAM）研制出了适用于高温结构材料的第一代耐高温腐蚀镍基单晶高温合金DD488。为了研究不同的凝固工艺对DD488合金的微观组织和持久性能的影响，研究人员通过高速凝固法和液态金属冷却法制备DD488合金，并对两种工艺所制备的合金的微观组织和持久性能进行了对比研究。研究结果表明，采用液态金属冷却法制备的DD488合金的一次枝晶间距（236.8μm）小于高速凝固法制备的DD488合金（323.9μm），热处理后的合金中γ‘相的体积分数高于高速凝固法制备的合金，且持久性能（110.0 h）高于高速凝固法制备的合金（76.8 h）。论文下载见末[1]。

    液态金属冷却法（LMC）工艺参数探索

    沈阳铸造研究所有限公司的研究团队采用DZ466高温合金利用液态金属冷却（LMC）技术制备重型燃气轮机大型叶片，研究了陶瓷壳强度和一些重要的工艺参数，如保温温度、保温时间和抽拉速度等对叶片成型的影响。研究结果表明，中等强度陶瓷型壳（高温抗弯强度为 8 MPa，热冲击后抗弯强度为 12 MPa，残余抗弯强度为20 MPa） 可以防止叶片的断裂和跑火。适当的加热炉温度（上区1,520 ℃，下区1,500 ℃）可以消除宽角度晶界、晶粒偏斜和壳裂纹引起的跑火。浇注后的保温时间（3-5 min）可以促进晶粒的竞争生长，避免柱状晶粒沿晶粒方向<001>发生较大偏离，晶粒结构平直，分布均匀。此外，为了避免流纹的形成并保证叶片表面的光滑，需要保证抽拉率不大于晶粒的生长速度。研究还发现，叶片微观组织的枝晶间距随着凝固速度的增加而减小，随着凝固位置与激冷盘距离的增加而增大。论文下载见末[2]。

    长期时效过程中的界面位错网演变

    沈阳工业大学材料学院的研究团队在1,100℃下，通过FE-SEM对镍基单晶高温合金DD5长期热时效过程中的界面位错网的演变进行了研究，研究结果表明：在时效的早期阶段，错配位错形成，然后在（001）界面发生取向重排，矢量方向从< 110 >变为< 100 >方向。位错反应会形成不同类型的方形或矩形位错网。随着热时效时间的延长，四组位错组成的方形位错网可以转化为八角形位错网，再通过位错反应形成其他方形位错网。由四组位错组成的矩形位错网可以转化为六边形位错网。界面位错网促进γ’相的形筏过程。位错网间距越来越小，导致晶格错配度从-0.10%增加到-0.32%。论文下载见末[3]。

    相关研究内容论文下载

    上述研究内容的相关论文均发表在2019年第一期的China Foundry杂志上，欢迎大家下载引用。论文链接如下：

    铸造世界网

    http://www.foundryworld.com/english/foundry/index.asp?leib=2

    [1] Liang Luo, Cheng-bo Xiao, *Jing-yang Chen, et al.

    Effect of directional solidification process on

    microstructure and stress rupture property of a

    hot corrosion resistant single crystal superalloy. China Foundry,2019,16（1）： 8-13.

    http://ff.foundryworld.com/uploadfile/2019012455957969.pdf

    [2] *Xiao-fu Liu, Yan-chun Lou, Bo Yu,et al.

    Directional solidification casting technology of

    heavy-duty gas turbine blade with liquid metal

    cooling （LMC） process. China Foundry, 2019,16（1）： 23-30.

    http://ff.foundryworld.com/uploadfile/2019012455699977.pdf

    [3] Qiang Gao, *Li-rong Liu, Xiao-hua Tang, et al.

    Evolution of interfacial dislocation networks

    during long term thermal aging in Ni-based

    single crystal superalloy DD5. China Foundry, 2019,16（1）： 14-22.

    http://ff.foundryworld.com/uploadfile/2019012455829917.pdf

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