高铼单晶高温合金杂晶的形成与晶粒竞争生长机制研究

镍基单晶高温合金定向凝固过程中常常出现杂晶，由此引入新的晶界破坏了单晶的完整性，使单晶铸件的力学性能显著下降。随着单晶高温合金难熔元素含量的增加和铸件结构的复杂化，该问题在单晶制备中变的更加突出，其主要原因在于铸件截面突变处的溶质场和热场更加复杂，对杂晶形成及竞争生长机理等科学问题尚不清楚。本申请项目在高温度梯度定向凝固条件下，采用高铼的镍基单晶高温合金，制备截面突变和取向偏离枝晶的单晶合金试样，结合数值模拟计算，探明高温度梯度条件下杂晶的形成和生长特点；利用双籽晶引晶实验来考察不同取向晶粒的竞争淘汰生长过程，弄清楚晶体取向、强制热流、凝固速率和横截面积等因素在晶粒竞争生长过程中的作用，获得杂晶在单晶中的生长规律，建立不同取向枝晶的生长模型。本项目所建立的晶粒竞争淘汰生长规律，可以进一步完善晶体生长和凝固理论；提出的杂晶控制工艺参数，可为高Re单晶叶片制备中杂晶的控制提供理论依据。

杂晶是镍基单晶高温合金制备中的一个重要缺陷，杂晶的出现重新引入了大量不规则的晶界，割裂了晶体的完整性，显著降低了单晶合金的力学性能。本研究以高Re的镍基高温合金为对象，考察了单晶高温合金定向凝固中杂晶的形成特点，以及拉晶速率、铸件截面尺寸因素对杂晶的影响，探索了晶粒间的竞争淘汰生长机制。取得的主要成果如下：.（1）晶体的择优取向偏离热流生长的单晶高温合金，在择优取向的发散端由于溶质的富集容易形成杂晶。.（2）获得了叶片铸件凝固过程中温度场的变化规律。随着凝固过程进行，叶身区域固液界面“下凹”的程度逐渐增加，同时叶片凝固过程中固液界面向叶身较薄的一侧倾斜。叶片叶身与缘板连接处由于热节的存在，延缓了原始晶粒向缘板边缘的生长，导致缘板边缘处杂晶的形成。.（3）拉晶速率和铸件结构变化对杂晶形成的影响。随着抽拉速率的增大，凝固界面下凹，杂晶数量增多、尺寸增大；随着缘板的增大，杂晶数量、尺寸和占据的空间都逐渐增大。.（4）建立了晶粒的二维竞争生长模型。晶粒汇聚竞争生长时，非择优取向枝晶阻挡择优取向枝晶的生长。发散生长时，在发散区择优取向枝晶的分枝使晶界向非择优取向移动，择优晶粒淘汰非择优晶粒。.（5）探索了三维晶粒竞争生长机制。取向偏离角的大小决定了择优取向与非择优取向枝晶尖端的过冷度，旋转角的大小决定了择优取向枝晶在非择优取向枝晶发散区的形成新枝晶的空间大小。当旋转角和偏离角较大时，择优取向的晶粒在发散区形成新的一次枝晶从而淘汰非择优取向。 . 本项目获得了工艺参数对先进单晶高温合金杂晶形成和生长的影响及晶粒的竞争淘汰生长机制，可为单晶叶片制备中杂晶的控制提供理论指导和技术支持。.本项目共发表论文12篇，其中SCI收录6篇，EI收录8篇，单篇最高他引7次，申报国家发明专利1项，参加国内外学术报告3人次，培养研究生3名，博士后1名。