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《定向凝固技術(shù)制取高溫合金單晶鑄件的思考》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、定向凝固技術(shù)制取高溫合金單晶鑄件的思考第l5卷第2期2o05年6月湖南工程學(xué)院JournalofHunanInstituteofEngineeringV01.15.No.2June.2005定向凝固技術(shù)制取高溫合金單晶鑄件的思考劉健,李理,曾斌,彭廣威(湘潭大學(xué)材料研究中心,湖南湘潭411105)摘要:回顧了單晶高溫合金的發(fā)展歷史,結(jié)合晶體學(xué)知識系統(tǒng)總結(jié)與分析了制取高溫合金單晶的兩種定向凝固技術(shù)的原理與晶體競爭生長機制.對兩種方法現(xiàn)有工藝的優(yōu)缺點進行了深入思考與比較,提出了兩種制取任何所希望取向理想單晶的新方法,旨在為
2、完善單晶高溫合金的制取工藝提供新思路.關(guān)鍵詞:定向凝固;單晶高溫合金;擇優(yōu)生長;選晶;籽晶中圖分類號:TG244.3文獻標識碼:A文章編號:1671—119x(2o05)O2—0049一O40引言自2O世紀8O年代初第一代單晶高溫合金研制成功之后,單晶高溫合金的發(fā)展甚為迅速.1988年,美國PW公司推出了工作溫度比第一代單晶高溫合金PWAI480約高30℃的PWA1484.繼之又出現(xiàn)性能水平相當?shù)腞eneN5,CMSX-_4等單晶高溫合金,稱為第二代單晶高溫合金.時隔不到5年,1993年12月和1994年l1月先后公布
3、了兩個標志著單晶高溫合金的發(fā)展進入新階段的第三代單晶高溫合金ReneN6,CMsX-10….一代又一代單晶高溫合金的相繼出現(xiàn)和應(yīng)用,為航空發(fā)動機和地面燃氣輪機的性能大幅度提高作出了重大貢獻.上個世紀90年代,幾乎所有先進航空發(fā)動機都采用單晶高溫合金.如推重比為10的發(fā)動機Fl19(美),F120(美),GE90(美),EJ200(英,德,意,西),M882(法),P2000(俄)等J在單晶高溫合金的生產(chǎn)和應(yīng)用蓬勃發(fā)展的同時,各國高溫合金同行們在單晶高溫合金強化機制,凝固理論,環(huán)境抗力,合金設(shè)計,工藝優(yōu)化等方面進行了愈加
4、深入的研究,為提高力學(xué)性能,工藝性能和環(huán)境性能作了巨大的努力.我國從70年代末開始研究單晶高溫合金及工藝,北京航空材料研究所,中國科學(xué)院金屬研究所,冶金部鋼鐵研究總院,西北工業(yè)大學(xué),上海交通大學(xué)等單位都對單晶高溫合金和工藝進行過卓有成效的研究,研制成功一批單晶高溫合金L3J,井獲得初步應(yīng)用,建立了一套單晶工藝及設(shè)備.在單晶高溫合金凝固理論,強化機制,取向控制以及數(shù)值模擬等方面進行過較深入的研究.但是無論是定向合金還是單晶高溫合金.性能水平都還落后于國際先進水平.為此,廖世杰教授于1987年首次提出了若干定量評估定向凝固
5、程度的參數(shù)L5J,不僅使定向凝固程度有了定量的描述,最重要的是可以更深層次地檢驗定向凝固是否成功,從而將定向凝固理論向前推進.影響單晶鑄件性能的因素主要是合金成分和制取工藝.在合金成分設(shè)計方面以日本金屬技術(shù)研究所提出的新成分設(shè)計流程和d電子合金設(shè)計法最為成熟【2J2.制取單晶高溫合金以正常凝固法中的定向凝固法應(yīng)用最為廣泛和最有效.固一液界面前沿液相中的溫度梯度GL和晶體生長速度R是定向凝固技術(shù)的重要工藝參數(shù),q.值是控制晶體長大形態(tài)的重要判據(jù).因此,如何控制好固一液界面溫度場從而獲得具有理想晶體形態(tài)的單晶是非常重要的.
6、當前很多人對固液界面溫度場進行了深入研究,并且建立了大量描述定向凝固固液界面溫度變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型.廖世杰等人先后建立了一種能夠精確描述一維和二維定向凝固過程中固液界面溫度場的理論模型L6-7j,并且由此模型推導(dǎo)出了一系列熱參數(shù),包括溫度梯度GL,凝固速度R,冷卻速度V以及界面特征溫度,這對于實時掌握動態(tài)的材料凝固過程從而采取相應(yīng)措施控制它獲得最佳凝固組織是非常有用的.盡管如此,但是綜觀單晶高溫合金定向凝固法的發(fā)展歷史,收稿日期:20o5—01—02作者簡介:劉健(1978一),男,碩士研究生,研究方向:定向凝固織構(gòu)湖
7、南工程學(xué)院2005焦不難發(fā)現(xiàn)由于工藝問題,單晶高溫合金的完整性一直不是很理想.本文的目的就是系統(tǒng)總結(jié)與分析前人的研究成果,再結(jié)合相關(guān)現(xiàn)代晶體學(xué)知識,在定向凝固工藝方面為單晶高溫合金的發(fā)展與完善提出新的見解.1單晶高溫合金定向凝固工藝的原理與晶體競爭生長機制分析1.1籽晶法首先將和所要鑄造的單晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模殼的最底部,然后將過熱的熔融金屬液澆注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰當?shù)乜刂乒桃航缑媲把匾后w中的溫度梯度和晶體的生長速度,金屬熔液就會從未被熔化的籽晶部分開始往金屬液中生長,并最終形成晶體取向與籽
8、晶相同的單晶,這就是籽晶法.我們知道,在一般的鑄造中,如果與金屬液直接接觸的模殼表面不是很連續(xù)或者加工后殘留有應(yīng)力的話,往往會引發(fā)再結(jié)晶進而發(fā)生等軸晶形核或者發(fā)生異質(zhì)形核.由于籽晶法結(jié)晶并不是過熱金屬液碰到籽晶立即進行,而是先使部分籽晶熔化,然后才開始形核,所以就避免了上述現(xiàn)象出現(xiàn)的可能.從晶體學(xué)角度來看,晶體的生長實際上是各族晶
