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

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)磁場能夠控制金屬熔體流動和固/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象，定向凝固技術(shù)為主要手段，系統(tǒng)研究穩(wěn)態(tài)磁場下單晶高溫合金定向凝固中雜晶的形成規(guī)律，探索磁場下熔體流動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和形核過冷度與雜晶形成之間的關(guān)系，揭示磁場控制雜晶形成的作用機(jī)制，構(gòu)建穩(wěn)態(tài)磁場下單晶高溫合金中雜晶形成預(yù)測模型。本項(xiàng)目的成功實(shí)施將為有效利用穩(wěn)態(tài)磁場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)用價值。

眾所周知，雜晶是大尺寸高溫合金單晶渦輪葉片的一個重要缺陷，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?；诖耍梅€(wěn)態(tài)磁場與定向凝固技術(shù)相結(jié)合的方法，開展了穩(wěn)態(tài)磁場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。橫向磁場引起的宏觀熱電磁對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，磁場抑制了熔體流動，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。對于變截面試樣，在無磁場條件下，對于主要晶體取向平行于凝固方向時，變截面平臺兩側(cè)沒有雜晶形成；當(dāng)主要晶體取向偏離凝固方向15°時，雜晶僅在主要晶體取向匯聚變截面平臺的一側(cè)形成；當(dāng)主要晶體取向偏離凝固方向25°時，雜晶在兩側(cè)變截面平臺處形成。當(dāng)施加磁場后，發(fā)現(xiàn)12T的磁場通過改變截面平臺拐角處的過冷度，進(jìn)而抑制了變截面處雜晶的形成。此外，開展了強(qiáng)磁場對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)磁場誘導(dǎo)的枝晶間熱電磁對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。

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)動部件，其中高性能發(fā)動機(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)動機(jī)制造有了一定的材料基礎(chǔ)。2100433B 解讀詞條背后的知識 上海英能合金 上海英能特種合金有限公司官方帳號

DD408單晶高溫合金DD8化學(xué)成分密度物理性能

一：牌號：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)生一個晶核，定向生長，最后由一個晶粒組成的晶體。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)（一級學(xué)科），金屬材料（二級學(xué)科），特殊用途金屬材料（三級學(xué)科），高溫合金（四級學(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,用直拉法生長無錯位單晶的設(shè)備。

購買技術(shù)主要要求

1.單晶爐裝料量（單臺機(jī)產(chǎn)能多少） 2. 能拉多長、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、位錯密度） 5設(shè)備制造工藝控制保證 6自動化控制程度 7設(shè)備主要關(guān)鍵部件的配置等 。

單晶爐型號定義

單晶爐型號有兩種命名方式，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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單晶爐熱場的設(shè)計(jì)與仿真

單晶直徑在生長過程中可受到溫度，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才能獲知。溫度分布合適的熱場，不僅單晶生長順利，而且品質(zhì)較高；如果熱場的溫度分布不是很合理,生長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)象生長不出來單晶。因此在投資單晶生長企業(yè)的前期，一定要根據(jù)生長設(shè)備，配置出最合理的熱場，從而保證生產(chǎn)出來的單晶的品質(zhì)。在晶體生長分析與設(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部分：

（1）在第一階段,利用引上法晶體生長實(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工藝參數(shù)。

數(shù)值仿真是用來獲得廉價的，完整的和全面細(xì)節(jié)的結(jié)晶過程，以此方法用來預(yù)測晶體生長,改善晶體生長技術(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)行時一種非常有用或必不可少的方法。舉例來說，對于無經(jīng)驗(yàn)人員，可以形象化展示熔體流動的歷史點(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)率和較好滿足市場對晶體直徑，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。通過對單晶爐熱場的仿真計(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)中是完全可以生長出合格的單晶棒。