温度场和溶质场耦合作用下单晶高温合金选晶机理研究

Ni-base single crystal superalloys are the key material of high-temperature components of advanced aircraft engine and gas turbine, which prepared by grain selection method were often with larger deviation angle, and result in significantly reduced mechanical properties. With the contents of refractory elements increases, single crystal orientation problem becomes more prominent. The main reason is the grain competitive growth mechanism during the procedure of grain selection is not very clear. In this project, the third generation single crystal superalloy will be selected as research object. By using directional solidification experiments and numerical modeling, the grain selection mechanism of single crystal superalloy under thermal field and solute concentration field coupling will be investigated. The mechanism of overgrowth between grains with different crystal orientation in spiral passage and the influence mechanisms of solidification parameters on the behavior of grains overgrowth will be analyzed. The model of grain selection in grain selection passage will be established. The successfully carry out of this project can consummate crystal growth and solidification theory, it also provides theoretical foundation for single crystal superalloy turbine blade casting with well orientation.

镍基单晶高温合金是先进航空发动机和燃气轮机热端部件的关键材料，选晶法制备过程中经常会造成单晶取向偏离角较大，使其力学性能显著降低。随着难熔元素含量的增加，单晶高温合金晶体取向控制问题变的更加突出，其主要原因是对单晶高温合金选晶机理的认识还不是很清楚。本项目拟以第三代镍基单晶高温合金作为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法，研究温度场和溶质场耦合作用下单晶高温合金选晶机理。分析温度场和溶质场耦合作用下选晶通道内不同取向晶粒竞争生长机制，探讨凝固参数对选晶通道内晶粒竞争生长的影响，建立选晶通道内晶粒竞争生长模型，揭示单晶高温合金选晶机理。本申请项目的顺利开展，可进一步完善晶体生长和凝固理论，为单晶高温合金叶片晶体取向控制提供理论依据。

镍基单晶高温合金是先进航空发动机和燃气轮机热端部件的关键材料，选晶法制备过程中经常会造成单晶取向偏离角较大，使其力学性能显著降低。随着难熔元素含量的增加，单晶取向控制问题变的更加突出，其主要原因是对单晶高温合金选晶机理的认识还不是很清楚。本项目以镍基单晶高温合金为研究对象，采用实验和数值模拟相结合的方法，开展温度场和溶质场耦合作用下单晶高温合金选晶机理研究，主要研究内容和结论具体如下。. （1）分析了抽拉速率V=100 μm/s、型壳保温温度T=1600 ℃条件下，选晶通道内的温度场和溶质场。结果表明：选晶通道内温度梯度随凝固过程进行逐渐降低；选晶通道内[001]取向晶粒枝晶尖端过冷度随取向偏离角增大而增大。. （2）分析了V=100 μm/s、T=1600 ℃条件下，选晶通道内晶粒组织演化、不同取向晶粒竞争生长。结果表明：引晶段内晶粒竞争生长过程中，择优取向晶粒能够淘汰非择优取向晶粒，引晶段的主要作用是优化晶粒取向；选晶段内晶粒竞争生长过程中，靠近选晶段内侧晶粒能够淘汰靠近选晶段外侧晶粒，成为最终单晶。. （3）分析了不同定向凝固参数下，选晶通道内温度场、溶质场、不同取向晶粒竞争生长。结果表明：当50≤V≤150 μm/s、1500 ℃≤T≤1700 ℃时，提高定向凝固抽拉速率或型壳保温温度均可优化引晶段内晶粒取向，进而优化最终单晶取向；定向凝固抽拉速率或型壳保温温度变化对选晶段内晶粒竞争生长没有明显影响。. （4）综合分析了选晶通道内温度场和溶质场、晶粒组织演化、晶粒竞争生长机制，以及定向凝固参数对选晶通道内温度场、溶质场、晶粒竞争生长的影响。结果表明：镍基单晶高温合金选晶过程是选晶通道几何结构约束、温度场、溶质场共同作用的结果。. 通过本项目研究，进一步明确了选晶过程中镍基单晶高温合金晶粒竞争生长机制，完善了定向凝固参数与单晶高温合金晶体取向之间的关系，丰富了单晶高温合金定向凝固理论，为工业生产中单晶高温合金涡轮叶片凝固缺陷的控制和制备取向良好的单晶提供了技术基础。