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精彩图集推荐导读：镍基单晶高温合金的发展概况，摘要：论述了单晶高温合金的制备方法，概述了单晶高温合金的发展历程以及合金成分的发展，最后介绍了我国高温合金的发展状况，合金成分关键词：镍基单晶高温合金，也是凝固高温合金由等轴晶经历了定向柱晶发展到单晶，早期研制的单晶合金称为第一代单晶合技术持续发展的结果，镍基单晶高温合金通常划分为五代，从而研制出第四代至第五代单晶高温合金，第二代和第三代单晶合金[2]相继出现，近期
镍基单晶高温合金的发展概况
镍基单晶高温合金的发展概况
黄爱华1，崔树森1，王少刚1，杨胜群1，刘秀玲2，于兴福1
有限责任公司，辽宁沈阳110043；（1.沈阳黎明航空发动机（集团）辽宁沈阳.沈阳铸造研究所，
摘要：论述了单晶高温合金的制备方法，凝固过程的控制。概述了单晶高温合金的发展历程以及合金成分的发展。最后介绍了我国高温合金的发展状况。
制备方法；合金成分关键词：镍基单晶高温合金；
既是发动机工作温度不断提高的要求，也是凝固高温合金由等轴晶经历了定向柱晶发展到单晶，
早期研制的单晶合金称为第一代单晶合技术持续发展的结果。镍基单晶高温合金通常划分为五代，
(Ru)，从而研制出第四代至第五代单晶高温合金。金[1]，随着铼(Re)元素的引入，第二代和第三代单晶合金[2]相继出现，近期开始在单晶合金中加入元素钌
镍基高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业领域，在航空发动机上
涡轮盘、燃烧室和压气机等部件。在整个高温合主要用于制作热端部件，如涡轮工作叶片、导向叶片、
镍基合金具有更好的高温性金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位，与铁基和钴基合金相比，
也决定能，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，可以说，镍基高温合金的发展决定了航空涡轮发动机的发展，
了航空工业的发展。采用定向凝固技术制备出的单晶合金，其使用温度已接近合金熔点的90%，成为当代先进航空发动机热端部件不可替代的重要结构材料。
铸件形成定向柱晶组织必须具备两个条件，一是热流必须垂直于晶体生长的固液界面单向流动;二是固液界前方的液体中没有稳定的晶核。Bridgman法就是一种广泛应用的由高温熔体生长单晶的方法。
单晶和定向柱晶凝固过程的唯一差别是单晶必须是由一个晶核长大而成的。获得单一晶核的方
两种方法各有优缺点、互相补充。法通常有两种：即选晶法和籽晶法，
（图1，只剩（1）螺旋生长法制备单晶的基本原理图2）,众多晶粒在经过螺旋形的单晶选择器后，
下生长最快的一个晶粒，从而形
图1单晶的螺旋生长法生产示意图图2单晶选择示意图
第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论文集
（图3）从而消除了在水冷底（2）籽晶法制备单晶的基本原理。籽晶在定向凝固过程中部分熔化，
座上自由形核。
型壳预热前型壳预热前合金浇注后型壳下降前
图3籽晶法制备单晶的基本原理
选晶法基于结晶择优生长原理只能制取〔001〕取向单晶，而不能控制铸件的横向取向和制取其它取向的单晶，制造螺旋选晶器的蜡模比较困难，但选晶法无需繁琐的籽晶制备过程。籽晶法能够任意控制单晶的三维取向，取向精度也较高，但所需籽晶往往要从选晶法制备的〔001〕单晶上切取，并且成功率不如选晶法高。
2单晶合金的凝固过程控制
也是杂晶、雀斑、疏松和枝晶发散等铸造单晶的定向凝固过程不仅是合金组织形成的基础环节，
缺陷产生的过程，因此无论是改善合金的组织还是消除或减轻缺陷都需要调整凝固工艺来实现。而不在固液界面Copley等分析了杂晶形成的原因后指出，当凝固潜热能够已凝固部分传导出去，附近积累多余的热量时，杂晶就不会形成。即当凝固速率式中为固态热导率为界面附近固相中的温度梯度，吟为凝固潜热。/吟（1）满足式时，可有效地防止杂晶的形成。（1）
偏析元素，因而密度较低，小于糊状区顶部液相的密度，即形成所谓的密度反转，是一种不稳定状态。这个密度差驱使低部液相向上喷射，折断了枝晶，尤其是二次枝晶的端部，形成了可作为等轴晶晶核
要避免形成雀斑链，就必须降低糊状区的高度，以的碎屑，于是产生了雀斑链。在给定的合金成分下，
而当时，防止发生密度反转。因此存在一个临界温度梯度，当时，不出现雀斑链，如果
局部凝固时间足够短，也可阻止因密度差而引起的喷射，所以当凝固速率
斑链。吟满足式（2）时，也不出现雀（2）Duhl分析了雀斑的成因，指出由于定向凝固过程中糊状区底部的液相富集了Al、Ti等较轻的正式中：吟为不产生雀斑链的临界局部凝固时间，吟为结晶温度间隔为糊状区中的温度梯度。
避免杂晶当凝固工艺所选的和位于图4所示的定向凝固区时，可保证单晶凝固顺利进行，
和雀斑链形成。
温在实现单晶稳定态凝固从而避免晶粒缺陷后，需进一步选择准确的凝固参数以改善组织结构，
容易调节的凝固参数只有凝固速率R，度梯度通常受设备导热能力限制，难以大范围改变，根据
随的增大，胞状、枝状等类型。平界面凝固过冷理论，在温度梯度不变时，凝固界面形态依次为平面、
镍基单晶高温合金的发展概况
图4保证单晶顺利凝固温度梯度和凝固速率的允许选择
很不经济，实际生产中常见时不产生显微偏析，可以获得较为均匀的组织，但是要求较低的凝固速率，
的是枝晶凝固，枝晶间距是最基本的组织参数。
单晶高温合金的性能是各向异性的，并且由于是一种名义上的单晶体，其中包含了第二相、枝晶等大量的亚结构因素，这些亚结构对材料的力学性能产生显著的影响，因而不同晶体取向的区别不仅包括晶体学方面的差异，更具有组织方面的不同。
实际生产中，受零件结构形状、内腔型芯结构形状及工艺、型壳工艺、零件组合方案、凝固设备条
工艺参数需要反复摸索，不断细微调整。件等多方面因素影响，单晶零件的制备过程是复杂而繁琐的，
以单晶涡轮叶片为例，其结构形状由下到上分为：榫头、下椽板、叶身、上椽板、叶冠。叶片内腔多为肋条式薄片状，由硅基或铝基型芯形成，型芯的成型工艺对其性能影响很大，性能不好造成的型芯断漏和变形也是影响单晶制备的制约因素。型壳的性能也是影响单晶制备的关键因素。零件的组合方案及熔铸工艺与单晶炉结构条件密切相关，目前真空定向（单晶）炉主要有两种冷却形式：水冷法与液态金属冷却法。生产中常用的真空定向（单晶）炉主要由加料室、真空熔炼室(包括坩埚、型壳加热器)、
加热器隔离阀、铸型室、水冷结晶器及冷却系统组成。根据组合方案及组重确定选用的坩埚结构大小，
合理的工艺方案、参数选用，的形式，调整水冷结晶器的下降速度及冷却系统的进水温度和压力等等。
同时合金熔先进的炉体、设备、自动化控制系统配备等是获得优质高性能单晶合金铸件的必要保障；
炼技术提升、纯净化程度提高、合金成分元素及配比的不断改进是发展单晶高温合金铸件的基础。3单晶高温合金的发展历程
单晶高温合金是先进航空发动机的关键材料，多年来各国十分重视镍基单晶合金的研制和开发[3]，采用镍基单晶高温合金制造涡轮叶片已成为当前先进航空发动机的标志之一。F119、GE90、EJ200、M88-2、P2000等先进航空发动机无一例外地选用了单晶合金作为叶片材料。与多晶高温合金相比，单晶合金的主要优势在于：淤高的初熔温度容许合金进行充分的固溶处理，从而获得高的蠕变强度；于没有易成为裂纹起始位置的晶界；盂由于&001&晶体取向的低弹性模量而具有高的热疲劳抗力。单晶高温合金也将是今后相当长时期内先进航空发动机的关键材料，20世纪70年代以来，国际上对其他
如：定向共晶合金、难熔金属基合金、高温材料也一直在进行研究，金属间化合物基合金、陶瓷材料。
但目前都因某些关键问题未获解决还不能顺利付诸实际应用。迄今还没有一类材料能像镍基单晶高
单晶合金仍将是航空发动机的关键材料。图温合金这样具有良好的综合性能。在今后相当长时期内，5是镍基高温合金发展的基本趋势。20世纪60年代，美国普惠公司的VerSnyder等人发现，普通铸造高温合金中和应力轴垂直的晶高温变形时作用在晶界是高温变形时裂纹起始的主要场所。若使晶界平行于应力主轴方向定向排列，
界上的应力会最小，从而延缓裂纹形核而提高蠕变持久寿命。在这种思想指导下发明了定向凝固技术，这是高温合金发展中的一个里程碑。
第十二届全国铸造年会暨2011中国铸造活动周论
图5镍基高温合金发展的基本趋势
在MAR-M200合金基础上研制成的定向凝固高温合金PWA1422具有良好的中、高温蠕变断裂
我国的DZ22强度和塑性，而且热疲劳性能比原合金约高5倍，在先进航空发动机上获得了广泛应用。
合金就是以PWA1422为原型而研制的。定向凝固技术的出现为发展完全消除晶界的单晶高温合金创造了条件。结果1968年，普惠公司的Gell和Leverant对比研究了Mar-M200单晶和定向柱晶的组织和性能，与柱晶Mar-M200相比，单晶Mar-M200的蠕变、只是改却发现，疲劳以及抗氧化性能没有任何提高，
发现在定向凝固合金中加入Hf可以提高横向性能。进了横向强度和延性。而几乎同时，
因此当时未能获得实际应用。1975年，由于单晶的成品率较低，而性能又没有明显提高，Jackson
合金在980益的持久寿命与细小酌忆相的体积分数有关，而增等人在研究Mar-M200+Hf合金时发现，
去除C、加细小酌忆相数量的关键在于提高合金固溶温度。B、Zr、Hf等晶界强化元素后,合金的初熔点提
单晶的优势才显露出来。高,可以在更高的温度下进行固溶处理，去除C、1980年，Gell等人根据这些研究工作，提出了单晶高温合金成分设计的基本原则：B、Zr、增加难熔元素Ta的含量，Hf等降低合金初熔温度的元素，提高固溶温度。按这样的原则研制出了单晶合金PWA1480，其承温能力比定向合金PWA益，并立即应用于PW2037、JT9D-7R4
等军用和商用航空发动机，投入航线使用。单晶高温合金从此进入一个蓬勃发展的时期。
早期研制的单晶高温合单晶高温合金通常划分为若干代，现在已有第五代单晶高温合金的提法。
（Re）金称为第一代单晶合金。其承温能力比定向凝固高温合金约高30益。随着铼元素引入镍基单晶
高温合金，承温能力比第一代单晶合金分别约高30益和60益的第二代单晶合金和第三代单晶合金相
（Ru）继出现。近期开始在单晶合金加入另一个元素钌，从而开始研制出第四代单晶合金甚至第五代单
晶高温合金。
4单晶高温合金成分的发展
由于单晶中不存在晶界，并应用在较为苛刻在单晶的成分设计中，要兼顾合金性能和工艺性能，
合金的化学成分具有如的环境下，所以引入了某些具有特殊作用的合金元素。随着单晶合金的发展，
引入Ru、下变化趋势[4]：引入Re元素，Ir等铂族元素，增加难熔元素W、Mo、Re、Ta的含量；难熔元素的
“限量使用”；降低Cr含量从而允许加入更多其他的加入总量增加，C、B、Hf等元素从“完全去除”转为
合金化元素而保持组织稳定。
第一代为14.6wt%，引入Re元素，难熔元素的加入总量增加。以CMSX系列单晶合金为例，第二
代为16.4wt%，而第三代高达20.7wt%。其中Re元素增加的幅度很大。难熔元素Re对单晶合金蠕变强
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