区域熔炼定向凝固制备镍基高温合金(4)
（4）稀土元素和Ru、Ir的应用。在第2, 3代单晶合金中,有许多添加了Y、La、Ce等稀土元素[4]。Y的加入( >200×10- 6)可以明显改善单晶合金的抗氧化性能[5],而且对热疲劳性能也有好处。俄罗斯的ЖС36合金不含Ta,只含2%的Re,但其持久强度却达到第2代单晶合金的水平,原因之一是加入了稀土元素。另外,值得注意的是,在发展第2, 3代单晶合金中,试用了1种非常特殊的元素Ru;General Electric和ONERA公司最先对添加Ru的合金进行了合金化实验[6]。通过实验可知,与Re相比, Ru最明显的优势是具有较低的密度和较低的TCP相析出的倾向;添加Ru的单晶高温合金表现出优异的高温蠕变性能。
1.1.2 相组成特征
镍基单晶高温合金是高度复杂化的合金,通常含有6～10个合金化元素。在显微组织正常的镍基高温合金中,主要是γ′相和γ相,还有几种相是在合金的服役过程中析出的。
（1）γ相。γ基体是通常含有较大数量固溶元素(如Co、Cr、Mo和W)的连续分布的面心立方结构的镍基奥氏体相。尽管Ni不具有高的弹性模量和低的扩散率,但γ相基体非常适用于在最苛刻的温度条件下工作的燃气涡轮发动机。
（2）γ′相。γ′相是一种以Ni3Al为基的金属间化合物,与基体一样都是面心立方结构,且两相的点阵常数相差很小,γ′相总是在γ基体上共格析出,是镍基高温合金中最重要的强化相。
（3）碳化物相。在以前的镍基单晶高温合金中,一般不含有碳化物相。但随着合金成分的不断发展,少量C的添加使单晶高温合金中出现了碳化物。碳化物的反应会影响合金基体的组织稳定性。
（4）TCP相。某些成分控制不当的合金在热处理或服役时会产生TCP有害相,只有四面体空隙。TCP有害相的特征,是沿着fcc基体的八面体的面以“编篮”网络的形式构成原子密排面。这种相通常呈薄片状,常常在晶界碳化物上形核。在镍基合金中最常见的是σ相和μ相。
1.2定向凝固技术简介[7]
1.2.1定向凝固原理
定向凝固是在凝固过程中采用强制手段在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固以获得具有特定取向柱状晶的技术。
定向凝固技术被广泛用于获得具有特殊取向的组织和优异性能的材料。应用定向凝固方法可以得到定向组织甚至单晶，明显地提高材料所需的性能。定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个凝固参数能够独立变化，成为凝固理论研究的重要手段。
定向凝固的原则：金属熔体中的热量必须按单一的方向排布，并垂直于生长中的固液界面。使合金按柱状或单晶的方式生长，原理如图1所示[24]
图1
定向凝固铸件的组织分为定向共晶、柱状和单晶。要得到特定的定向凝固组织需要满足的条件首先是要在开始凝固的部分形成稳定的凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒的游离，并为柱状晶提供了生长基础。其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定的方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织。同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面的前方不应该存在生核和晶粒游离现象。这可以通过以下的措施来实现。
（1）严格的单向散热。要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对组织侧面方向的散热，来防止界面前方型壁和附近的生核和长大。
（2）要有足够大的液相温度梯度和足够慢的固液界面向前推进的速度，这样就能够避免界面前方的生核现象。要提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质的污染。