区域熔炼定向凝固制备镍基高温合金(7)
图7 区域熔化液态金属冷却法示意
1、铸锭 2、冷却剂 3、冷却水 4、隔热板 5、感应线圈 6、试样 7熔区 8、坩埚
该方法将区域熔化与液态金属冷却相结合，利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。定向凝固装置最高温度梯度可达1300K/cm ,最大冷却速度可达50K/s。
在ZLMC的基础上，人们研制出了光加热悬浮区域熔凝设备，本课题采用的就是是光加热悬浮区域熔凝法，图8[25]为悬浮区域熔炼法的工作示意图，其原理为，通过在生长界面附近产生一个温度梯度，控制或重新分配原材料的可溶性杂质或相。技术优势在于可以借助表面张力支持试样的熔化区域，试样轴是垂直的，因此这种技术不需要容器，可以很好的保证单晶的高纯度，而且可以消除器壁的形核倾向。同时没有电子束加热悬浮区熔炼技术的高电压电源系统，熔区不会因为液态金属的蒸发而产生电离现象造成区熔温度升高，即在单晶的生长过程中熔区非常稳定。由于该法在固液界面处存在较大的温度梯度，因此有利于经悬浮区熔融后形成单晶体。[26]
图8 光加热悬浮区域熔炼装置
1.3 镍基高温合金的制备
随着定向凝固技术的发展，高温合金也经历了从常规铸造到定向柱晶再到定向单晶的发展，其高温性能有了明显的提升。目前定向凝固方法制备单晶高温合金主要有两种途径：一种为选晶法——具有狭窄截面的选晶器只允许一个晶粒长出它的顶部，然后这个晶粒长满整个型腔，从而得到整体只有一个晶粒的单晶部件；另一种为籽晶法——将与铸造材料相同的籽晶安放在模壳最底端,具有一定过热的熔融金属在籽晶上部流过，使籽晶部分熔化，以避免由于籽晶表面不连续等造成的等轴晶行核；同时过热熔融金属的热量把模壳温度升高到了合金熔点以上，防止了再模壳壁上形成新的晶粒，然后在具有一定温度梯度的炉子中抽拉模壳，金属溶液就从剩余的籽晶部分发生外延生长，凝固三文取向和籽晶相同的单晶体[12]。
我们已经知道，由于晶粒的各向异性,单晶高温合金在生长中产生择优取向,多数面心立方的镍基高温合金以<001>为生长最快的择优方向。单晶高温合金的性能是各向异性的,在单晶叶片的制备中要求具有最小弹性模量方向的<001>与最大载荷方向一致,以减少热循环应力,但实际中往往获得择优取向与载荷方向严重偏离或非择优取向的单晶。轴向偏角增大,其强度和寿命的分散度均增大。
对于镍基高温合金虽然有一段较长时间的研究，对镍基单晶合金的理论研究也比较成熟。目前许多国外公司都能够量产质量性能合格的镍基单晶涡轮叶片，但是由于技术封锁，国内还没有单位能制备出质量合格的单晶叶片。本课题正是在这种背景下，提出通过定向凝固方法来制备镍基高温合金，在获得定向柱晶的基础上调整工艺参数，生长出具有<001>择优取向的单晶合金，为今后镍基单晶涡轮叶片的制备研究奠定基础。