縱向磁場對Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta鈷基高溫合金定向凝固組織的影響

張 超 劉 歡 蘭 健 余建波 楊志彬 任忠鳴

(1.江蘇科技大學張家港校區，江蘇 張家港 215600；2.上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點試驗室，上海 200072)

鈷基高溫合金具有抗高溫腐蝕、抗熱疲勞和高溫力學性能良好等優點，主要用于在1 100 ℃以下工作的航空發動機渦輪導向葉片等[1]。傳統鈷基高溫合金主要由面心立方奧氏體基體γ和一種或多種碳化物(主要是MC、M26C6和M6C型)組成，碳化物為主要強化相。與Ni基高溫合金相比，傳統的Co基高溫合金并不具有共格強化機制的γ/γ′雙相組織，因此高溫力學性能較差，中溫強度低[2- 3]。

2006年，日本學者Sato J等[4]在Co- 9Al- 7.5W三元合金中發現了高溫穩定的L12型結構的γ′- Co3(Al,W)相，使合金的耐溫能力提高了100～150 ℃。該合金與Ni基高溫合金的組織非常相似[5- 6]，可以通過共格強化來提高其高溫強度，因此受到了國內外學者的廣泛關注。國外學者Suzuki A等[7- 8]發現，在Co- Al- W基三元合金中添加2%(原子分數)Ta，γ′相析出溫度由1 000 ℃提高到了1 079 ℃，從而提高了合金的高溫強度。

目前國內外對鈷基高溫合金的研究主要集中在合金元素對力學性能和相穩定性的影響方面[7- 9]。上海大學鐘華等[10]通過施加強靜磁場，在凝固過程中無接觸地將高密度能量輸入合金中，從而控制和改變合金的凝固組織，最終達到改善性能的目的。本文通過改變縱向穩恒磁場的強度和試樣的抽拉速率對Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta鈷基高溫合金進行了定向凝固試驗，研究了磁場對定向凝固的Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金一次枝晶間距的影響。

1 試驗材料與方法

試驗用鈷基高溫合金選用純度為99.9%以上的Co、Al、W、Ta金屬原料配制，成分為(原子分數，%)8.8 Al，9.8 W，2 Ta ，Co 余量。在真空感應爐中熔煉，澆鑄成φ150 mm×260 mm的棒狀鑄錠，在其上切取尺寸為φ3.9 mm×130 mm的試樣，將表面用砂紙打磨，去除雜質和氧化層后，再用丙酮清洗后裝入內徑為4 mm的剛玉坩堝中。

磁場中的定向凝固試驗裝置主要由超導磁體和Bridgman定向凝固爐組成，其示意圖見圖1。超導強磁體可以產生縱向強靜磁場，磁體中心的磁場強度在0～6 T之間連續可調。試驗用加熱爐為自制石墨電阻爐，爐膛溫度最高可達1 700 ℃。用PID溫控儀和B型雙鉑銠熱電偶控制溫度，控溫精度為±1 ℃。冷卻池分為內外兩個腔體，內層冷卻介質為液態Ga- In- Sn合金，外層為循環水。試樣抽拉速度在0.5～15 000 μm/s之間連續可調。合金固- 液界面前沿的溫度梯度為50 K/cm。測量溫度梯度的方法為，采集固- 液界面前沿溫度的變化曲線，再根據公式GL=ΔT/ΔS(ΔT為溫度變化，ΔS為距離變化)計算出溫度梯度。為避免試樣氧化，在加熱爐內持續充入Ar氣，待試樣穩定生長60 mm后，迅速將試樣拉入液態金屬冷卻池中淬火，以保留固- 液界面生長形態。

將定向凝固試樣分別沿平行和垂直磁場方向剖開得到縱截面和距離固- 液界面4 mm處的橫截面，經打磨拋光，并用FeCl3(8 g)+HCl(14 ml)+H2O(21 ml)組成的腐蝕試劑進行腐蝕，采用Leica DM 6000型光學顯微鏡(OM)觀察凝固組織和固/液界面形貌。

圖1 縱向磁場中的定向凝固裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of directional solidifying device in longitudinal magnetic field

2 試驗結果

圖2為試樣抽拉速率為10 μm/s時，不同強度磁場中試樣穩恒生長區域的組織形貌。不施加磁場時，枝晶生長為典型的柱狀晶組織，二次枝晶臂較小。施加磁場后，二次枝晶臂逐漸粗大，從圖2(b)～2(e)中可以看出，當磁場強度為1 T時，二次枝晶臂最發達，一次枝晶間距顯著增大。

圖3為抽拉速率100 μm/s時，不同強度磁場中試樣定向凝固穩恒生長區域縱截面的顯微組織。由圖3(a)可以看出，不施加磁場時，以100 μm/s的拉速形成的的定向凝固組織為規則柱狀晶，且二次枝晶細密發達。施加0.5 T磁場后，磁場對糊狀區組織形貌無明顯影響。當磁場增大到1 T時，一次枝晶明顯粗化，二次枝晶臂也異常粗大。磁場強度進一步增大，一次枝晶得到細化，主干尺寸減小而二次枝晶臂發達。與前面較低拉速相比，當拉速 為100 μm/s時，磁場仍然顯著影響合金枝晶的生長，但與拉速更低時相比，磁場的影響已經明顯減弱。

圖4為抽拉速率為20 μm/s時，Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金在不同強度磁場中定向凝固穩恒生長區域橫截面處的顯微組織。從圖4可以看出，未施加磁場時，合金二次枝晶對稱生長。施加磁場后，枝晶明顯粗大，并伴隨有邊緣三次枝晶的生長。磁場強度繼續增大時，合金二次枝晶生長不對稱，如圖4(c)和4(d)所示。當磁場強度增加到4 T時，枝晶又變得規則，且數量增加。

圖2 抽拉速率為10 μm/s時在不同強度的磁場中定向凝固的Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金縱截面固- 液界面附近的微觀組織Fig.2 Longitudinal microstructures near the solid- liquid interface in the Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta alloy directionally solidified in magnetic fields of different intensities at a withdrawal velocity of 10 μm/s

圖3 抽拉速率為100μm/s時在不同強度的磁場中定向凝固的Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金縱截面固- 液界面附近的微觀組織Fig.3 Longitudinal microstructures near the solid- liquid interface in the Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta alloy directionally solidified in magnetic fields of different intensities at a withdrawal velocity of 100 μm/s

圖5為在不同強度磁場中，抽拉速率分別為5、10、20、50和100 μm/s時合金一次枝晶間距的變化。可以看出，隨著磁場強度的增大，Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金一次枝晶間距先增大再減小，當磁場強度為1 T時，一次枝晶間距達到最大值。繼續增加磁場強度，合金一次枝晶間距減小。圖5中缺少部分抽拉速率為5和10 μm/s時的一次枝晶間距數據。這是因為在此條件下合金定向凝固組織發生了CET轉變，枝晶雜亂無章，不能反映出合金一次枝晶間距的變化規律，因此未統計一次枝晶間距。

圖4 抽拉速率為20 μm/s時在不同強度磁場中定向凝固的Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金的橫截面微觀組織Fig.4 Cross microstructures near the solid- liquid interface in the Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta alloy directionally solidified in magnetic fields of different intensities at a withdrawal velocity of 20 μm/s

圖5 磁場強度對定向凝固Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金固- 液界面處一次枝晶間距的影響Fig.5 Primary dendrite spacings near the solid- liquid interface in the directionally solidified Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta alloy as a function of magnetic field intensity

3 分析與討論

以上試驗結果表明，Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金在定向凝固過程中，一次枝晶間距隨磁場強度的增加先增大后減小。一次枝晶間距與合金成分C0、溶質原子擴散系數D、液相線斜率m、合金的固- 液界面能等體系的內在特性有關，也受凝固速率V、溫度梯度G等外部條件的影響。Hunt[11]考慮了枝晶陣列內溶質原子的分布，給出了如式(1)所示的一次枝晶間距模型：

定向凝固過程中，一次枝晶尖端排出溶質原子的速率大于高次分枝[15]。枝晶前沿和枝晶間溶質原子的濃度主要取決于枝晶尖端排出的溶質原子在各個方向的傳輸。對Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金而言，當枝晶陣列向上定向凝固時(生長方向與重力方向相反)，枝晶間富含Al溶質的液體將形成由下而上的自然對流。無磁場時，自然對流所形成的環流在平行于枝晶主干的平面內流動。在定向凝固過程中施加靜磁場將在枝晶周圍引發熱電磁對流，并且是在垂直于枝晶主干的平面內流動。靜磁場對導電流體的運動有抑制作用，其抑制效果與流動的形式有關。

靜磁場能有效抑制自然對流，而對熱電磁對流的抑制作用較弱。磁場對渦流的抑制如圖6所示。當流動被促進時，從枝晶間排出的溶質Al原子形成對流運動，枝晶間溶質原子含量及濃度梯度隨磁場強度增大而減小，由式(1)可知，一次枝晶間距將增大。另一方面，熱電磁對流為平行于磁場方向的渦流，不易受到靜磁場的抑制。當渦流角動量與坩堝軸向平行時，還會引發二次流，將影響軸向溶質原子的傳輸。熱電磁對流引起的二次流可使枝晶間的溶質原子向外排出，使枝晶間溶質原子含量減少，導致一次枝晶間距增大。此外，高次枝晶的生長受熱電磁對流的強烈影響。二次枝晶臂前端存在流動，可加速二次枝晶的橫向生長，能使其在枝晶間距調整過程中更快地鎖閉落后枝晶。此外，三次分枝的形貌隨磁場強度的提高而變化，這種改變可能使三次枝晶不能向上發展為一次枝晶。隨著磁場強度的繼續增大，磁場阻礙流動，枝晶間溶質原子濃度增大，由式(1)可知，一次枝晶間距將減小。總之，磁場中高次分枝形貌的變化也可導致Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金一次枝晶間距增大。

圖6 施加靜磁場后熔體內渦流的演化[16]Fig.6 Evolution of eddy current in melt after application of static magnetic field[16]

4 結論

Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta鈷基高溫合金在外加縱向靜磁場中定向凝固時，在相同抽拉速率和相同的溫度梯度下，隨著磁場強度的增加，熱電磁對流逐漸增強，從而提高了Al溶質在枝晶尖端的濃度或減小其在枝晶間的濃度，導致Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金的一次枝晶間距增大，并且在磁場強度為1 T時達到最大，此時的三次枝晶也最為發達；當磁場進一步增強時，自然對流被磁場抑制，枝晶尖端Al溶質的濃度降低，從而導致Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金的一次枝晶間距減小。因此，在磁場中定向凝固的Co- 8.8Al- 9.8W- 2Ta合金一次枝晶間距隨著磁場強度的增加先增大后減小。

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