利用落管研究微重力条件下镍基单晶高温合金凝固组织及缺陷形成机理

镍基单晶高温合金是先进航空航天发动机和燃气涡轮发动机关键材料，其合金元素种类多、含量高，定向凝固制备时极易发生成分偏析，导致析出强化相分布不均匀、枝晶间缩孔、杂晶、雀斑和凝固裂纹等缺陷，从而严重影响合金性能。研究表明重力对合金凝固过程与缺陷形成有重要影响，但在常规地面条件下难以清晰揭示凝固过程中的重力效应及其作用规律。而在微重力环境中，重力对熔体的作用以及对凝固过程的影响大大降低。故此，本项目拟利用50 米落管形成的微重力效应，研究镍基单晶高温合金在重力和微重力环境下枝晶生长形貌和特征参数的差异以及成分偏析和缺陷形成的异同，揭示重力对枝晶生长过程和成分偏析等现象的影响及其在凝固缺陷形成中的作用。本项目研究不仅将揭示重力在合金凝固生长过程的具体影响和作用机制，还将展示合金在微重力条件下的凝固特点和固有属性，对制备大尺寸高质量的镍基单晶高温合金，防止凝固缺陷的形成具有重要的理论意义和应用价值。

镍基单晶高温合金是先进航空航天发动机和燃气涡轮发动机关键材料，制备时极易产生各种凝固缺陷，从而严重影响合金性能。研究表明重力对合金凝固过程与缺陷形成有重要影响，但在常规地面条件下难以清晰揭示凝固过程中的重力效应及其作用规律。而在微重力环境中，重力对熔体的作用以及对凝固过程的影响大大降低。因此，本项目设计并制备了W、Ta、Al和Ti元素等含量不同的二元至五元镍基单晶合金，利用50米落管形成的微重力效应，对其在重力和微重力环境下枝晶生长形貌和特征参数的差异以及成分偏析的异同进行了研究，以揭示重力对枝晶生长过程和成分偏析等现象的影响及其在凝固缺陷形成中的作用。此外，本项目还制备其它几种合金开展了微重力和重力凝固研究：利用Al-Ni共晶合金研究了浮力对流对溶质输运的影响；利用Al-Cu合金分析了重力在枝晶、等轴晶混合组织形成过程中的作用；以DZ483镍基高温合金为对象进行了实验与计算，研究凝固了偏析对糊状区液相密度的影响；以SRR99合金为对象，研究了微重力环境对实际镍基单晶高温合金凝固行为的影响。研究表明：1、微重力环境既可使枝晶间距增大，也可使其减小；既可使微观偏析得到改善，也可使其加重，这与溶质元素的密度、数量、溶质分配行为等有关。各种元素综合作用，改变固液界面前沿溶质密度，从而改变局部浓度分布，使生长速度、元素扩散及过冷度发生改变，造成枝晶结构、枝晶间组织及析出相形貌、尺寸和数量发生变化。2、浮力对流不一定增大有效扩散系数，也可能减小有效扩散系数，特别是枝晶间局部扩散系数，这与局部溶质浓度有关，也可能与径向温度梯度有关。3、Al和W分别由于较轻或较重而引发浮力对流，并造成宏观偏析。但同样较轻的Ti或较重的Ta却没有观察到这种趋势，这可能与重力条件下Ti和Ta加速凝固过程有关。因此，Al和W更容易造成通道效应，而Ti和Ta则会降低其偏析程度。4、在重力环境中一旦产生等轴晶，若其密度较低，则会上浮至熔体上方，为向上生长的柱状晶所排斥；若其密度较重，则可能为向上生长的柱状晶所吞并形成杂晶缺陷。5、由于溶质偏析糊状区内的液相存在密度反转，在重力作用下可产生热溶质对流，使合金具有雀斑形成趋势。合金中碳化物在略低于合金液相线温度下析出，可缓解液相密度的快速降低，这一效应可用于避免雀斑的出现。这也为通过改变合金的含碳量来控制MC的析出从而避免雀斑的出现提供了一种思路。