碳对镍基单晶高温合金凝固缺陷影响的研究进展

王晓娟^1,2，刘林¹，黄太文¹，杨文超¹，岳全召¹，霍苗¹，张军¹，傅恒志¹

1. 西北工业大学凝固技术国家重点实验室2. 西安工程大学理学院

摘 要：镍基单晶高温合金因优异的高温力学性能而被广泛应用于先进航空发动机的涡轮叶片和导向叶片等热端部件中。近几十年来,随着单晶高温合金的发展,合金代次已由最初的第一代发展到第五代。在单晶高温合金逐代更替的过程中,一方面微量元素碳由最初的完全去除发展到后来的限量使用,另一方面难熔元素(W、Mo、Ta和Re)的加入量逐渐增加。这是因为碳的加入可以减少氧化物,提高合金的纯净度,改善合金的可铸性,其主要的作用是控制由难熔元素增加所引起的雀斑、缩松、杂晶和小角度晶界等凝固组织缺陷。目前,碳对镍基单晶高温合金中凝固缺陷影响的研究取得了一些进展,但也存在一定问题。研究表明雀斑的形成是糊状区液态金属流动所导致的枝晶生长停滞或枝晶熔断,通过碳的添加减缓液态金属流动以抑制雀斑的形成,但这一研究仅停留在定性阶段,在定量上仅有一些经验公式和判据,关于碳化物在糊状区的析出时间与析出量如何影响热质流动的证据欠缺,需进一步完善。研究发现缩松是凝固过程中固相和液相收缩率不同所引起的枝晶间的微小熔池,碳添加形成的适量碳化物可以通过后期生长填补枝晶间的孔洞以减少缩松,但此研究也只停留在实验现象和笼统的定性说明阶段,具体到碳化物添加量和缩松含量之间的关系还没有明确的规律,还需要深入探究。杂晶的形成与枝晶碎片、模壁过冷形核和籽晶回熔有关,碳的添加可以抑制热质流动,减少枝晶碎片,降低过冷形核,避免杂晶生成。小角度晶界的产生是由于枝晶弯曲和扭转变形,与热质流动无关,微量元素碳的添加虽然不能阻止这类缺陷出现,但可以起到晶界强化作用。目前,碳对杂晶和小角度晶界的影响无论从实验现象还是机理分析都非常欠缺,需要系统地进行研究。本文综述了碳对镍基单晶高温合金中凝固缺陷影响的研究进展,重点阐述了碳对凝固组织缺陷的影响规律以及机制,并提出了存在的问题及今后的研究趋势,以期为提高高温合金的力学性能和产品合格率奠定理论基础。

关键词：镍基单晶高温合金;碳;凝固缺陷;