稳态磁场控制单晶高温合金中杂晶缺陷的机理研究

众所周知，杂晶是大尺寸高温合金单晶涡轮叶片的一个重要缺陷，严重影响其性能和寿命，制约了重型燃气轮机的发展。基于此，利用稳态磁场与定向凝固技术相结合的方法，开展了稳态磁场下单晶高温合金凝固过程中杂晶的形成规律的研究。实验结果表明，对于棒状试样，杂晶易于形成在枝晶偏离坩埚壁一侧，而施加0.7T横向磁场后，发现能够有效地抑制了主要枝晶间距偏离坩埚壁一侧杂晶的形成。横向磁场引起的宏观热电磁对流减小了枝晶偏离坩埚壁一侧溶质富集和过冷度，最终抑制了杂晶的形成。而施加5 T的纵向磁场不能抑制杂晶的形成,而且增加了杂晶的形成倾向。根据理论计算和相关分析表明，磁场抑制了熔体流动，进而引起了主要枝晶偏离坩埚壁一侧溶质的富集，致使熔体过冷度增加所致。对于变截面试样，在无磁场条件下，对于主要晶体取向平行于凝固方向时，变截面平台两侧没有杂晶形成；当主要晶体取向偏离凝固方向15°时，杂晶仅在主要晶体取向汇聚变截面平台的一侧形成；当主要晶体取向偏离凝固方向25°时，杂晶在两侧变截面平台处形成。当施加磁场后，发现12T的磁场通过改变截面平台拐角处的过冷度，进而抑制了变截面处杂晶的形成。此外，开展了强磁场对两种不同单晶高温合金PWA1483 和 CMSX-4定向凝固微观组织影响的研究。结果表明，在抽拉速度为50 μm/s的条件下，施加5 T磁场可以优化一次枝晶间距，减小强化相的尺寸和增加其体积分数，改善了其微观偏析。研究发现磁场诱导的枝晶间热电磁对流是改善单晶高温合金微观结构的主要原因。本研究为利用稳态磁场控制单晶高温合金定向凝固过程中杂晶缺陷提供了一种新的方法。

大尺寸高温合金单晶涡轮叶片是重型燃气轮机的关键部件，而杂晶是单晶涡轮叶片的一个重要缺陷，严重影响其力学性能和使用寿命，成为制约重型燃气轮机发展的主要瓶颈。前期研究表明，稳态磁场能够控制金属熔体流动和固/液界面前沿晶体形核，有望成为一种控制单晶高温合金中杂晶缺陷的方法。在此基础上，本项目拟以镍基单晶高温合金为研究对象，定向凝固技术为主要手段，系统研究稳态磁场下单晶高温合金定向凝固中杂晶的形成规律，探索磁场下熔体流动和形核过冷度的变化规律，阐明多种磁效应共同作用下熔体流动和形核过冷度与杂晶形成之间的关系，揭示磁场控制杂晶形成的作用机制，构建稳态磁场下单晶高温合金中杂晶形成预测模型。本项目的成功实施将为有效利用稳态磁场控制杂晶缺陷以及开发新的杂晶控制方法提供科学依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

粉末、铸锻、单晶高温合金相关发展及应用

在航空发动机的制造中，粉末高温合金因其合金化程度高，弥补了传统的铸锻高温合金铸锭偏析严重、热加工性能差、成形困难等难点，主要用于涡轮盘、压气机盘、鼓筒轴、封严盘、封严 环、导风轮以及涡轮盘高压挡板等高温承力转动部件，其中高性能发动机最关键部件之一的涡轮盘件制造技术已成为航空发动机的标志之一。

超塑性等温锻造的粉末高温合金涡轮盘已 用于西方许多军用飞机发动机（这是第四代乃至更高性能的先进飞机的必要条件）。

在国内，一直以来大吨位挤压设备的缺乏使得挤压 超塑性锻造工艺无法实施，近期北重集团3.6万吨黑色 金属垂直挤压机的建造则意味着迈进了重要的一步。加上镍基单晶高温合金（单晶体的晶界最少，从而可以达到高度的抗蠕变性能，因而高温合金的单晶体铸造是西方国家高技术出 口管制中的重点技术之一）的进展，意味着高推重比的航空发动机制造有了一定的材料基础。2100433B 解读词条背后的知识 上海英能合金 上海英能特种合金有限公司官方帐号

DD408单晶高温合金DD8化学成分密度物理性能

一：牌号：DD408(DD8)单晶高温合金二：化学成分：硫s（≤0.010）钴co（8.00~9.00） 钨w（5.60~6.40）锰mn（≤0.150）硅si(≤0.150) 铬cr(15.50~16.50) 铁fe(≤0.50）磷p（≤0.010）镍ni（余量）碳...

单晶镍基高温合金是一种合金材料。

中文名称

单晶镍基高温合金

英文名称

single crystal nickel based superalloy

定　　义

采用特殊方法，使熔融高温镍基合金在凝固过程中只产生一个晶核，定向生长，最后由一个晶粒组成的晶体。其使用温度比普通镍基铸造高温合金大幅提高。

应用学科

材料科学技术（一级学科），金属材料（二级学科），特殊用途金属材料（三级学科），高温合金（四级学科）

单晶炉是一种在惰性气体（氮气、氦气为主）环境中,用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化,用直拉法生长无错位单晶的设备。

购买技术主要要求

1.单晶炉装料量（单台机产能多少） 2. 能拉多长、几寸的硅棒 3. 拉制晶棒的成品率是多少4拉出硅棒品质（少子寿命、电阻率、碳氧含量、位错密度） 5设备制造工艺控制保证 6自动化控制程度 7设备主要关键部件的配置等 。

单晶炉型号定义

单晶炉型号有两种命名方式，一种为投料量，一种为炉室直径。比如85炉，是指主炉筒的直径大小，120、150等型号是由装料量来决定的

单晶炉主要需要控制的方面

一、晶体直径（尺寸）

二、温度（功率控制）

三、原料（硅料）

四、泄漏率，氩气质量等

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单晶炉热场的设计与仿真

单晶直径在生长过程中可受到温度，提拉速度与转速，坩埚跟踪速度与转速，保护气体的流速等因素的影响。其中温度主要决定能否成晶，而速度将直接影响到晶体的内在质量，而这种影响却只能在单晶拉出后通过检测才能获知。温度分布合适的热场，不仅单晶生长顺利，而且品质较高；如果热场的温度分布不是很合理,生长单晶的过程中容易产生各种缺陷,影响质量，情况严重的出现变晶现象生长不出来单晶。因此在投资单晶生长企业的前期，一定要根据生长设备，配置出最合理的热场，从而保证生产出来的单晶的品质。在晶体生长分析与设计中，实验与数值仿真是相辅相成的，其过程可以分为两个部分：

（1）在第一阶段,利用引上法晶体生长实验来进行数值模拟参数的调整。

（2）在第二阶段,利用数值模拟是用来确定最佳的晶体生长工艺参数。

数值仿真是用来获得廉价的，完整的和全面细节的结晶过程，以此方法用来预测晶体生长,改善晶体生长技术。数值模拟是当实验的费用太昂贵或无法常规进行时一种非常有用或必不可少的方法。举例来说，对于无经验人员，可以形象化展示熔体流动的历史点缺陷和热应力细节。所以数值仿真是一种达到较高生产率和较好满足市场对晶体直径，质量要求的最好办法。面向过程的仿真软件FEMAG为用户提供了可以深入研究的数值工具,用户通过有效的计算机模拟可以设计和优化工作流程。通过对单晶炉热场的仿真计算，优化设计单晶炉的机械结构，在拉晶过程中以仿真结果设定合理的理论拉晶曲线，就可以在实际生产中是完全可以生长出合格的单晶棒。