稳态磁场控制单晶高温合金中杂晶缺陷的机理研究

Single crystal superalloy turbine blade with a large size is a key component of industrial gas turbines, while stray grain as a key defect is seriously affecting the mechanical properties of single crystal blade, and is a major bottleneck restricting the development of industrial gas turbines. Preliminary results indicate that steady magnetic field significantly controls the melt flow and nucleation in front of solid-liquid interface and is expected to be an ideal method for controlling stray grain formation during directional solidification of superalloy. This project mainly explores the formation mechanism of stray grain for single crystal superalloy during directional solidification in high magnetic field based on preliminary results. The melt flow and undercooling in high magnetic field during directional solidification are investigated. The relationships between the melt flow, nucleation undercooling and stray grain will be clarified under the multi magnetic effects of the magnetic field. The control mechanism of stray grain for directionally solidified single crystal superalloy in the magnetic field will be revealed and its model will be established. This project aims to provide a new method and scientific basis for effectively applying the magnetic field to control stray grain formation and obtain high performance single crystal blades during directional solidification, which has important theoretical significance and application value.

大尺寸高温合金单晶涡轮叶片是重型燃气轮机的关键部件，而杂晶是单晶涡轮叶片的一个重要缺陷，严重影响其力学性能和使用寿命，成为制约重型燃气轮机发展的主要瓶颈。前期研究表明，稳态磁场能够控制金属熔体流动和固/液界面前沿晶体形核，有望成为一种控制单晶高温合金中杂晶缺陷的方法。在此基础上，本项目拟以镍基单晶高温合金为研究对象，定向凝固技术为主要手段，系统研究稳态磁场下单晶高温合金定向凝固中杂晶的形成规律，探索磁场下熔体流动和形核过冷度的变化规律，阐明多种磁效应共同作用下熔体流动和形核过冷度与杂晶形成之间的关系，揭示磁场控制杂晶形成的作用机制，构建稳态磁场下单晶高温合金中杂晶形成预测模型。本项目的成功实施将为有效利用稳态磁场控制杂晶缺陷以及开发新的杂晶控制方法提供科学依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

众所周知，杂晶是大尺寸高温合金单晶涡轮叶片的一个重要缺陷，严重影响其性能和寿命，制约了重型燃气轮机的发展。基于此，利用稳态磁场与定向凝固技术相结合的方法，开展了稳态磁场下单晶高温合金凝固过程中杂晶的形成规律的研究。实验结果表明，对于棒状试样，杂晶易于形成在枝晶偏离坩埚壁一侧，而施加0.7T横向磁场后，发现能够有效地抑制了主要枝晶间距偏离坩埚壁一侧杂晶的形成。横向磁场引起的宏观热电磁对流减小了枝晶偏离坩埚壁一侧溶质富集和过冷度，最终抑制了杂晶的形成。而施加5 T的纵向磁场不能抑制杂晶的形成,而且增加了杂晶的形成倾向。根据理论计算和相关分析表明，磁场抑制了熔体流动，进而引起了主要枝晶偏离坩埚壁一侧溶质的富集，致使熔体过冷度增加所致。对于变截面试样，在无磁场条件下，对于主要晶体取向平行于凝固方向时，变截面平台两侧没有杂晶形成；当主要晶体取向偏离凝固方向15°时，杂晶仅在主要晶体取向汇聚变截面平台的一侧形成；当主要晶体取向偏离凝固方向25°时，杂晶在两侧变截面平台处形成。当施加磁场后，发现12T的磁场通过改变截面平台拐角处的过冷度，进而抑制了变截面处杂晶的形成。此外，开展了强磁场对两种不同单晶高温合金PWA1483 和 CMSX-4定向凝固微观组织影响的研究。结果表明，在抽拉速度为50 μm/s的条件下，施加5 T磁场可以优化一次枝晶间距，减小强化相的尺寸和增加其体积分数，改善了其微观偏析。研究发现磁场诱导的枝晶间热电磁对流是改善单晶高温合金微观结构的主要原因。本研究为利用稳态磁场控制单晶高温合金定向凝固过程中杂晶缺陷提供了一种新的方法。