穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)控制單晶高溫合金中雜晶缺陷的機(jī)理研究

眾所周知，雜晶是大尺寸高溫合金單晶渦輪葉片的一個(gè)重要缺陷，嚴(yán)重影響其性能和壽命，制約了重型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展。基于此，利用穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)與定向凝固技術(shù)相結(jié)合的方法，開展了穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)下單晶高溫合金凝固過程中雜晶的形成規(guī)律的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于棒狀試樣，雜晶易于形成在枝晶偏離坩堝壁一側(cè)，而施加0.7T橫向磁場(chǎng)后，發(fā)現(xiàn)能夠有效地抑制了主要枝晶間距偏離坩堝壁一側(cè)雜晶的形成。橫向磁場(chǎng)引起的宏觀熱電磁對(duì)流減小了枝晶偏離坩堝壁一側(cè)溶質(zhì)富集和過冷度，最終抑制了雜晶的形成。而施加5 T的縱向磁場(chǎng)不能抑制雜晶的形成,而且增加了雜晶的形成傾向。根據(jù)理論計(jì)算和相關(guān)分析表明，磁場(chǎng)抑制了熔體流動(dòng)，進(jìn)而引起了主要枝晶偏離坩堝壁一側(cè)溶質(zhì)的富集，致使熔體過冷度增加所致。對(duì)于變截面試樣，在無磁場(chǎng)條件下，對(duì)于主要晶體取向平行于凝固方向時(shí)，變截面平臺(tái)兩側(cè)沒有雜晶形成；當(dāng)主要晶體取向偏離凝固方向15°時(shí)，雜晶僅在主要晶體取向匯聚變截面平臺(tái)的一側(cè)形成；當(dāng)主要晶體取向偏離凝固方向25°時(shí)，雜晶在兩側(cè)變截面平臺(tái)處形成。當(dāng)施加磁場(chǎng)后，發(fā)現(xiàn)12T的磁場(chǎng)通過改變截面平臺(tái)拐角處的過冷度，進(jìn)而抑制了變截面處雜晶的形成。此外，開展了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)兩種不同單晶高溫合金PWA1483 和 CMSX-4定向凝固微觀組織影響的研究。結(jié)果表明，在抽拉速度為50 μm/s的條件下，施加5 T磁場(chǎng)可以優(yōu)化一次枝晶間距，減小強(qiáng)化相的尺寸和增加其體積分?jǐn)?shù)，改善了其微觀偏析。研究發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)誘導(dǎo)的枝晶間熱電磁對(duì)流是改善單晶高溫合金微觀結(jié)構(gòu)的主要原因。本研究為利用穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)控制單晶高溫合金定向凝固過程中雜晶缺陷提供了一種新的方法。

大尺寸高溫合金單晶渦輪葉片是重型燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，而雜晶是單晶渦輪葉片的一個(gè)重要缺陷，嚴(yán)重影響其力學(xué)性能和使用壽命，成為制約重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的主要瓶頸。前期研究表明，穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)能夠控制金屬熔體流動(dòng)和固/液界面前沿晶體形核，有望成為一種控制單晶高溫合金中雜晶缺陷的方法。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目擬以鎳基單晶高溫合金為研究對(duì)象，定向凝固技術(shù)為主要手段，系統(tǒng)研究穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)下單晶高溫合金定向凝固中雜晶的形成規(guī)律，探索磁場(chǎng)下熔體流動(dòng)和形核過冷度的變化規(guī)律，闡明多種磁效應(yīng)共同作用下熔體流動(dòng)和形核過冷度與雜晶形成之間的關(guān)系，揭示磁場(chǎng)控制雜晶形成的作用機(jī)制，構(gòu)建穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)下單晶高溫合金中雜晶形成預(yù)測(cè)模型。本項(xiàng)目的成功實(shí)施將為有效利用穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)控制雜晶缺陷以及開發(fā)新的雜晶控制方法提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

粉末、鑄鍛、單晶高溫合金相關(guān)發(fā)展及應(yīng)用

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中，粉末高溫合金因其合金化程度高，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的鑄鍛高溫合金鑄錠偏析嚴(yán)重、熱加工性能差、成形困難等難點(diǎn)，主要用于渦輪盤、壓氣機(jī)盤、鼓筒軸、封嚴(yán)盤、封嚴(yán) 環(huán)、導(dǎo)風(fēng)輪以及渦輪盤高壓擋板等高溫承力轉(zhuǎn)動(dòng)部件，其中高性能發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵部件之一的渦輪盤件制造技術(shù)已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)志之一。

超塑性等溫鍛造的粉末高溫合金渦輪盤已 用于西方許多軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)（這是第四代乃至更高性能的先進(jìn)飛機(jī)的必要條件）。

在國(guó)內(nèi)，一直以來大噸位擠壓設(shè)備的缺乏使得擠壓 超塑性鍛造工藝無法實(shí)施，近期北重集團(tuán)3.6萬噸黑色 金屬垂直擠壓機(jī)的建造則意味著邁進(jìn)了重要的一步。加上鎳基單晶高溫合金（單晶體的晶界最少，從而可以達(dá)到高度的抗蠕變性能，因而高溫合金的單晶體鑄造是西方國(guó)家高技術(shù)出 口管制中的重點(diǎn)技術(shù)之一）的進(jìn)展，意味著高推重比的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有了一定的材料基礎(chǔ)。2100433B 解讀詞條背后的知識(shí) 上海英能合金 上海英能特種合金有限公司官方帳號(hào)

DD408單晶高溫合金DD8化學(xué)成分密度物理性能

一：牌號(hào)：DD408(DD8)單晶高溫合金二：化學(xué)成分：硫s（≤0.010）鈷co（8.00~9.00） 鎢w（5.60~6.40）錳mn（≤0.150）硅si(≤0.150) 鉻cr(15.50~16.50) 鐵fe(≤0.50）磷p（≤0.010）鎳ni（余量）碳...

單晶鎳基高溫合金是一種合金材料。

中文名稱

單晶鎳基高溫合金

英文名稱

single crystal nickel based superalloy

定　　義

采用特殊方法，使熔融高溫鎳基合金在凝固過程中只產(chǎn)生一個(gè)晶核，定向生長(zhǎng)，最后由一個(gè)晶粒組成的晶體。其使用溫度比普通鎳基鑄造高溫合金大幅提高。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級(jí)學(xué)科），金屬材料（二級(jí)學(xué)科），特殊用途金屬材料（三級(jí)學(xué)科），高溫合金（四級(jí)學(xué)科）

單晶爐是一種在惰性氣體（氮?dú)?、氦氣為主）環(huán)境中,用石墨加熱器將多晶硅等多晶材料熔化,用直拉法生長(zhǎng)無錯(cuò)位單晶的設(shè)備。

購(gòu)買技術(shù)主要要求

1.單晶爐裝料量（單臺(tái)機(jī)產(chǎn)能多少） 2. 能拉多長(zhǎng)、幾寸的硅棒 3. 拉制晶棒的成品率是多少4拉出硅棒品質(zhì)（少子壽命、電阻率、碳氧含量、位錯(cuò)密度） 5設(shè)備制造工藝控制保證 6自動(dòng)化控制程度 7設(shè)備主要關(guān)鍵部件的配置等 。

單晶爐型號(hào)定義

單晶爐型號(hào)有兩種命名方式，一種為投料量，一種為爐室直徑。比如85爐，是指主爐筒的直徑大小，120、150等型號(hào)是由裝料量來決定的

單晶爐主要需要控制的方面

一、晶體直徑（尺寸）

二、溫度（功率控制）

三、原料（硅料）

四、泄漏率，氬氣質(zhì)量等

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單晶爐熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)與仿真

單晶直徑在生長(zhǎng)過程中可受到溫度，提拉速度與轉(zhuǎn)速，坩堝跟蹤速度與轉(zhuǎn)速，保護(hù)氣體的流速等因素的影響。其中溫度主要決定能否成晶，而速度將直接影響到晶體的內(nèi)在質(zhì)量，而這種影響卻只能在單晶拉出后通過檢測(cè)才能獲知。溫度分布合適的熱場(chǎng)，不僅單晶生長(zhǎng)順利，而且品質(zhì)較高；如果熱場(chǎng)的溫度分布不是很合理,生長(zhǎng)單晶的過程中容易產(chǎn)生各種缺陷,影響質(zhì)量，情況嚴(yán)重的出現(xiàn)變晶現(xiàn)象生長(zhǎng)不出來單晶。因此在投資單晶生長(zhǎng)企業(yè)的前期，一定要根據(jù)生長(zhǎng)設(shè)備，配置出最合理的熱場(chǎng)，從而保證生產(chǎn)出來的單晶的品質(zhì)。在晶體生長(zhǎng)分析與設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真是相輔相成的，其過程可以分為兩個(gè)部分：

（1）在第一階段,利用引上法晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行數(shù)值模擬參數(shù)的調(diào)整。

（2）在第二階段,利用數(shù)值模擬是用來確定最佳的晶體生長(zhǎng)工藝參數(shù)。

數(shù)值仿真是用來獲得廉價(jià)的，完整的和全面細(xì)節(jié)的結(jié)晶過程，以此方法用來預(yù)測(cè)晶體生長(zhǎng),改善晶體生長(zhǎng)技術(shù)。數(shù)值模擬是當(dāng)實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用太昂貴或無法常規(guī)進(jìn)行時(shí)一種非常有用或必不可少的方法。舉例來說，對(duì)于無經(jīng)驗(yàn)人員，可以形象化展示熔體流動(dòng)的歷史點(diǎn)缺陷和熱應(yīng)力細(xì)節(jié)。所以數(shù)值仿真是一種達(dá)到較高生產(chǎn)率和較好滿足市場(chǎng)對(duì)晶體直徑，質(zhì)量要求的最好辦法。面向過程的仿真軟件FEMAG為用戶提供了可以深入研究的數(shù)值工具,用戶通過有效的計(jì)算機(jī)模擬可以設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作流程。通過對(duì)單晶爐熱場(chǎng)的仿真計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)單晶爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在拉晶過程中以仿真結(jié)果設(shè)定合理的理論拉晶曲線，就可以在實(shí)際生產(chǎn)中是完全可以生長(zhǎng)出合格的單晶棒。