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DD3高温合金的深过冷快速凝固及其快速凝固用特殊涂层

刘峰  
【摘要】: 采用复合熔盐和循环过热净化技术,研究了大体积DD3高温合金熔体获得稳定深过冷的净化机制及其过程。通过在铸型表面涂覆SiO2-ZrO_2-B_2O_3 (简写为Si-Zr-B)惰性形核复合涂层,有效地防止了铸型表面对净化后合金熔体的触发形核。研究了该涂层的溶胶-凝胶过程、复合方法、高温稳定性及其对DD3高温合金熔体的形核惰性。系统研究了DD3高温合金宽过冷度范围内的组织演化规律,重点分析了该合金在不同过冷度范围内发生的两类晶粒细化形成机制。探讨了DD3高温合金深过冷快速凝固组织中强化相?′的析出规律。最终实现了该合金在Si-Zr-B复合涂层中的深过冷快速定向凝固,分析了定向凝固组织及其力学性能。本文的主要结论如下: 由于Al, Ti等活泼组元的存在,传统熔融玻璃净化法和纯循环过热法不能使DD3高温合金熔体获得大的过冷度。复合熔盐净化剂主要通过净化剂与高温合金熔体内的异质核心间的物理、化学反应而达到净化目的,熔体所能获得的过冷度受净化剂成分、粘度及净化温度控制。在高纯氩气保护下,以30%CaF~(2+)30%AlF~(3+)10%Na3AlF6+20%KCl+10%NaCl (wt.%),及微量CaO、TiO_2、Al_2O_3配制而成的复合熔盐净化剂在最高1820K过热温度下可使DD3高温合金熔体最高获得250K的过冷度。 通过观察DD3高温合金凝固组织在宽过冷度(0-250K)范围内的演化过程,界定了过冷DD3高温合金熔体组织转化的特征过冷度ΔT1 (=30K)、ΔT2 (=78K)、ΔT3 (=153K)和ΔT* (=180K),并分析了对应过冷度区间的凝固组织,即: (1)ΔTΔT1 ,小过冷树枝晶; (2)ΔT1ΔTΔT2 ,第一类粒状晶;(3)ΔT2ΔTΔT3,大过冷树枝晶;(4)ΔTΔT*,第二类粒状晶。基于过冷熔体的形核与生长理论,其凝固组织决定于(1)过冷熔体中的形核,(2)扩散场、毛细作用和原子沉积动力学共同控制下的快速枝晶生长,(3)快速凝固后再辉对初生枝晶的作用。ΔTΔT3时,最终的凝固组织形貌与快速凝固过程中初生枝晶的组织特性存在必然联系。第一类粒状晶的形成归因于初生小过冷树枝晶在再辉过程中的重熔。ΔTΔT*后,再辉过程中凝固收缩和液固共存区内压力梯度所导致的枝晶间液相流动产生一定的累积应力作用于初生枝晶。该累积应力不仅促使枝晶网络变形、碎断,而且以应变能的形式储存在枝晶碎片中。本文通过对过冷DD3高温合金再辉过程中累积应力的计算,得到作用于初生枝晶的累积应力σs,可表示为:式中,gl是液相体积分数,gs是固相体积分数(gscoh gs fsR),gscoh是连续枝晶网络形成点对应的固相分数,fsR是再辉结束后固相分数,βs是快速凝固中液固收缩率,μ为液态合金的动力学粘度,a是再辉中液固共存区长度,λ2是枝晶二次间距,tf是总凝固时间,即再辉时间。进一步冷却过程中,枝晶碎片在其储存的应变能驱动下,发生高温回复和再结晶,使晶粒进一步细化。 结合经典形核与生长理论,DD3高温合金深过冷快速凝固组织中?′相的尺寸、形貌及分布规律亦受熔体过冷度控制。随熔体过冷度提高,快速凝固过程中?′形成元素(Al和Ti)在基体中的固溶度大大提高,进而增大了强化相?′析出的驱动力,提高其析出量,促使其细化;溶质分布随熔体过冷度提高而逐渐均匀化,?′相的析出均匀程度也相应提高;而且,快速凝固必然导致大量晶格缺陷如位错,以及晶界的形成,它们做为?′相析出的形核点,大大降低其临界形核功,从而有利于其析出。 利用溶胶-凝胶原理和熔模制壳技术,设计并首次制备出Si-Zr-B惰性形核复合涂层。由于H3BO3的引入,在Si-Zr-B凝胶中形成[BO4]-四面体,即Si-O-B链,从而将断开的Si-O---O-Si链连接起来,大大降低了Si-Zr-B涂层在高温的析晶量。Si-Zr-B复合涂层在1773+5K下保温30min,其析晶量仅为2vol.%。净化后的DD3高温合金在涂层型壳内获得最大250K的深过冷,结合经典形核理论的计算结果,Si-Zr-B惰性形核复合涂层对DD3高温合金熔体具有良好的形核惰性,完全适合其深过冷快速凝固。 通过确定过冷度下的人工激发形核,在高过冷度范围内实现了DD3高温合金熔体在Si-Zr-B惰性形核复合涂层中的深过冷快速定向凝固。其定向凝固组织的室温力学性能取决于由过冷度控制的凝固组织形态和?′相的强化作用。当DD3高温合金熔体在145K过冷度时形核并发生定向凝固,所获得定向柱晶组织的延伸率δ和抗拉强度σb高达27.0%和1040.4MPa,分别为普通铸态组织(δ=3.0%、σb=346.4Mpa)的9倍和3倍,稍高于传统定向凝固法得到的工业DD3单晶高温合金的力学性能(δ=25%、σb=1024MPa)。


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