大尺寸变截面单晶的枝晶生长行为与杂晶控制

Growth of single crystal and inhibition of stray grains in the large dimensional platform are the most important technologies during the production of single crystal turbine blade. In our previous study, it was shown that the platform dimension had significant influence on the dendrite growth and stray grain formation, which was associated with the different evolutions of thermal condition in these different dimensional platforms. Based on these results, in present study, a typical second generation Ni-base superalloy was used, and a model of typical turbine blade shape with different platforms was designed. The behavior of dendrite growth and the formation of stray grains in the platforms with different dimension were studied by both experimental investigation and a ProCAST simulation based on a Cellular Automaton Finite Element (CAFE) model. According to these results, the effect of platform dimension on the dendrite growth and the stray grain formation and the mechanism of the stray grains formation on the microscopic and mesoscopic scale were examined. Furthermore, the formation of stray grains in response to platform dimension and solidification condition was investigated to propose a effective method to produce single crystal without stray grains in the model with different platforms. These results aim at providing the theoretical instruction and technical support for the industrial production of single crystal components with complex geometry shape in future.

大尺寸变截面缘板的单晶生长技术和杂晶控制技术是制备单晶叶片的核心技术。前期研究结果表明，缘板的尺寸效应对枝晶生长和杂晶形成有重要影响，而这种尺寸效应与不同尺寸的缘板中温度场的演化过程密切相关。本项目拟在已有的工作基础上，以具有重大应用背景的第二代含Re单晶高温合金及变截面单晶试样为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法，通过对大尺寸变截面单晶高温合金的枝晶生长行为的研究，揭示单晶在变截面处枝晶生长行为、组织演化特征，探讨变截面尺寸效应与枝晶生长行为及杂晶形成的协同作用关系，从微观尺度和介观尺度分别阐明杂晶等凝固缺陷的形成机理。在此基础上，建立杂晶等凝固缺陷与变截面尺寸、工艺参数间的响应关系，提出适合不同尺寸变截面单晶生长的凝固工艺参数和杂晶控制策略，为今后制备具有复杂几何结构的单晶叶片提供理论指导和技术支持。

本项目采用数值模拟和实验验证相结合的方法，通过对大尺寸变截面单晶高温合金的枝晶生长行为的研究，揭示单晶在变截面处枝晶生长行为、组织演化特征，探讨变截面尺寸效应与枝晶生长行为及杂晶形成的协同作用关系，从微观尺度和介观尺度分别阐明杂晶等凝固缺陷的形成机理。在此基础上，建立杂晶等凝固缺陷与变截面尺寸、工艺参数间的响应关系，提出适合不同尺寸变截面单晶生长的凝固工艺参数和杂晶控制策略。.缘板中枝晶生长主要受固液界面前沿温度场的分布和缘板几何尺寸控制。在小尺寸缘板中，原始晶粒以二次、三次等高次枝晶长入，边缘处不会出现杂晶。其中，在缘板内侧，原始晶粒分出垂直一次枝晶的二次枝晶，横向长入缘板；在二次枝晶干上，又分出与一次枝晶生长方向相同的三次枝晶，长满整个缘板。而在外侧，垂直一次枝晶的二次枝晶横向长入缘板的同时，在靠近中心位置和边缘处的二次枝晶干分别分枝出与一次枝晶平行的三次枝晶。而在边缘的三次枝晶干上，又分出了与二次枝晶平行且生长方向相反的高次枝晶，向缘板中心长入，并与中心位置的三次枝晶相接触，形成复杂的枝晶回路。.随着缘板尺寸的增加，杂晶逐渐在大尺寸缘板边角处形成，并且杂晶的数量随缘板尺寸增加而增加。在缘板内侧边角处首先形成了大量细小、取向随机的杂晶，通过竞争生长，少数杂晶以枝晶方式长入缘板，将原始晶粒抑制在缘板中心。而随着缘板尺寸的继续增加，在缘板内、外侧边角都开始出现大量细小、取向随机的杂晶形核。同时，随着缘板尺寸的增加，杂晶数量越来越多，在缘板中占据的空间也逐渐增加，而原始晶粒占据的空间则相应缩小。此外，杂晶在缘板的形核位置具有各向异性，靠近内侧的边角处更容易有杂晶的形核。这主要与缘板的凝固顺序有关。.定向凝固工艺对缘板杂晶形成有重要影响。随着抽拉速率的提高，液相等温线由倾斜变成凹陷，导致缘板边角过冷度增加，容易引起杂晶形成。此外，随着抽拉速率提高，缘板中原始晶粒尺寸减小。.杂晶形成与凝固顺序有重要关系。采用引晶辅助系统可以改变缘板凝固顺序，将原始晶粒引入缘板，可以有效抑制缘板的杂晶形成，获得单晶。辅助系统的几何尺寸对缘板杂晶影响很大，合理的辅助系统可以更有效抑制缘板杂晶。