磁場作用下鎳基高溫合金定向凝固的研究進展

趙 勇，蘇海軍，張 軍，劉 林，傅恒志

(西北工業大學，凝固技術國家重點實驗室，西安 710072)

0 引 言

鎳基高溫合金具有較高的高溫強度，良好的抗氧化、耐腐蝕性能以及優異的組織穩定性，是航空發動機和地面燃氣輪機高溫熱端部件，特別是渦輪葉片主流使用的核心關鍵材料[1]。定向凝固技術通過控制單向熱流，消除了橫向晶界，極大提升了高溫合金的力學性能，是目前發動機定向柱晶和單晶葉片常用的制備技術。通常，高溫合金的力學性能不僅與合金成分、凝固工藝參數有關，還與枝晶間距、析出相等[2](如圖1所示)密切相關。為了進一步改善和提高合金的承溫能力，研究人員主要通過添加難熔元素[3]或優化凝固工藝[4-6]的方法來提高高溫合金的力學性能。

圖1 鎳基高溫合金定向凝固組織示意

隨著難熔元素含量的不斷增加，單晶高溫合金代次不斷提高，目前已經發展到了第六代[3]；但大量難熔元素的添加導致合金密度不斷增大，組織易產生嚴重的成分偏析并析出有害相，這使得通過該途徑提高合金高溫性能受到一定限制。與此同時，定向凝固技術不斷取得新進展。傳統定向凝固方法由Bridgman發明[7]，其基本原理是用隔熱擋板將上部加熱區和下部冷卻區隔開而形成一維溫度梯度，鑄件在上部加熱區發生熔化，在下部經歷強制冷卻，通過定向抽拉獲得單向排列的凝固組織。在此基礎之上發展了快速凝固技術(high rate solidification，HRS)，目前已較為成熟，但其溫度梯度和冷卻速率較小，因此凝固組織粗大、枝晶偏析嚴重，影響了合金綜合性能的提高[8]。隨后，液態金屬冷卻法(liquid metal cooling，LMC)[4]、區域熔化液態金屬冷卻法(zone melting liquid metal cooling，ZMLMC)[9]、氣冷法(gas cooling casting，GCC)[10]等先進定向凝固技術被相繼開發出來。這些技術的溫度梯度進一步增大，然而在應用于工業生產時也會產生部分不利影響，如鑄造污染、非均勻溫度場以及雜晶等[5,11-12]。此外，這些技術的開發理念主要基于提高溫度梯度、改變冷卻速率，但受實際工藝條件的限制，溫度梯度和冷卻速率難以進一步提高。因此，發展一種新的技術解決上述問題以制備出高質量的合金鑄件，是國內外科研工作者面臨的一個主要難題。

磁場作為一種外加物理場，主要以力和能的形式無接觸地作用于材料凝固過程，能夠在不改變合金成分和凝固工藝的基礎上實現組織和性能的優化，因此近幾十年來得到了長足的發展，并形成了材料電磁加工這一極具發展前景的新工藝，目前已成功應用于單晶硅材料的工業生產[13-14]。近十年來，國內外研究者開始將磁場引入到高溫合金的定向凝固過程中，對磁場作用下高溫合金的組織與性能開展了大量研究，并取得了豐碩的研究成果。磁場控制定向凝固是除了改變溫度梯度和冷卻速率以外的一種極具前景的新思路，有望成為制備高性能高溫合金鑄件的新途徑。因此，作者系統闡述了磁場控制定向凝固的效應和機制，綜述了近十年來磁場作用下高溫合金定向凝固的研究進展，重點介紹了磁場對高溫合金凝固組織、凝固缺陷和蠕變性能的影響規律。在此基礎上，展望了高溫合金磁場定向凝固技術的發展趨勢和研究方向。

1 磁場作用下的典型效應

磁場對合金凝固過程中的傳熱、傳質和對流會產生重要影響，進而影響合金的凝固組織和成分分布。根據磁場強度和方向是否發生變化將磁場分為靜磁場和動磁場兩類。與導電熔體相互作用時，靜磁場的典型效應主要表現為磁阻尼效應和熱電磁效應，而動磁場主要表現為電磁攪拌效應。

1.1 靜磁場下的典型效應

靜磁場是指磁場強度和方向保持不變的磁場，主要通過永磁體或直流電流產生。將靜磁場作用于合金的凝固過程時，主要存在兩種效應，即磁阻尼效應和熱電磁效應。

1.1.1 磁阻尼效應

磁阻尼效應是指磁場抑制流體流動的一種效應，又稱電磁制動或電磁閥(electromagnetic braking，EMB)效應。在合金凝固過程中，由于溫度梯度和濃度梯度的存在，金屬液不可避免地會產生自然對流，同時其他外界擾動也會使金屬液流動[15]；液態金屬流切割磁感線會在金屬液內部形成感應電流。作為導電熔體，液態金屬與外加磁場相互作用就會產生電磁制動力[16]。電磁力的產生基于兩個基本定律：一是流動的液態金屬與磁場相互作用產生感應電流，二是載流導體與磁場相互作用產生洛倫茲力(又稱電磁制動力)。數學表達式分別為

j=σ(V×B)

(1)

F=j×B=σ(V×B)×B

(2)

式中：j為感應電流；B為磁場強度；V為流體運動速度；σ為電導率；F為電磁制動力。

如圖2所示，洛倫茲力方向與金屬液流動方向相反，這會使熔體的對流減弱，在足夠強的磁場下甚至可以完全抑制對流。UTECH等[17]已從理論和實驗證明了EMB效應對熔體自然對流的抑制作用。

圖2 運動的載流導體與磁場作用示意

EMB效應的阻尼效率用Hartmann數Ha表征，表達式為

Ha=(σ/η)1/2BL

(3)

式中：η為動力黏度；L為特征長度。

已有研究表明，Ha約為240時能夠有效抑制自然對流，但針對不同的合金體系，此數值有所差異[18]。

1.1.2 熱電磁效應

圖3 Seebeck效應示意

在合金定向凝固過程中，糊狀區固相和液相枝晶的熱電流可分別表示為

(4)

(5)

式中：σL，σS分別為液相和固相的電導率；fL和fS分別為液相和固相的體積分數；SS和SL分別為固相和液相的熱電勢。

在定向凝固過程中，產生的熱電磁力分別作用于固相枝晶和枝晶間液相。熱電磁力驅動枝晶間熔體流動，形成熱電磁對流效應(thermoelectric magnetic convection，TEMC)，如圖4所示。

圖4 枝晶間區域熱電磁對流示意

1.2 動磁場的電磁攪拌效應

磁場強度和方向發生變化的磁場統稱為動磁場，常見的有交變磁場、脈沖磁場和行波磁場等。在電磁冶金領域，一般通過施加變化的磁場來驅動流體流動，從而達到改善凝固組織和偏析的目的。

在動磁場作用下，金屬內電磁現象可用麥克斯韋方程組[20]描述：

(6)

式中：E為感應電場強度；t為時間。

根據電磁場理論，在凝固過程中施加變化的磁場后，熔體中會產生感應電流，感應電流和外加磁場相互作用就會產生電磁力。由磁流體力學理論可知，電磁力作用于金屬熔體會使熔體產生對流，作用于固相會使固相受力，從而對凝固組織和偏析產生影響。電磁力驅動熔體流動可用Navier-Stokes(N-S)方程[21]來描述：

(7)

式中：ρ為熔體密度；u為熔體瞬時速度；p為壓力；ν為熔體運動學黏度；FV為體積力，包括重力和電磁力等。

2 靜磁場下高溫合金定向凝固的組織、缺陷與性能

近年來，由于超導磁體和超低溫冷卻技術的發展，磁場強度大于2 T的強靜磁場得到了商用。研究者們開始將靜磁場(0～14 T)應用于高溫合金的定向凝固過程，并取得了大量研究結果。

2.1 靜磁場下高溫合金定向凝固的組織特點

2.1.1 一次枝晶間距

一次枝晶間距是高溫合金定向凝固過程中的重要結構參數。已有研究一致認為，在相同的熱處理條件下，一次枝晶間距越小，合金的力學性能越好，尤其是在拉伸強度和延展性方面[22]。

多項研究[10, 22-25]表明，磁場能夠顯著影響高溫合金的一次枝晶間距。ZHANG等[22]研究發現，在溫度梯度180 K·cm-1、抽拉速率40 μm·s-1條件下，施加6 T的縱向強磁場可以使定向凝固DZ417G高溫合金的一次枝晶間距減小約22%，細化效果顯著，但磁場強度大于6 T時枝晶間距又開始變大。LI等[26]研究了縱向弱磁場(B≤ 0.5 T)對不同直徑DZ417G鎳基高溫合金試樣一次枝晶間距的影響，發現隨著磁場的增強，一次枝晶間距也呈現出先減后增的變化規律。另外，橫向磁場也可以細化一次枝晶間距。LI等[27]和董建文等[28]研究表明，隨著橫向磁場強度的增大(B≤ 0.5 T)，DZ417G高溫合金的一次枝晶間距逐漸減小，但沒有呈現先減后增的規律。

以上結果表明，在高溫合金定向凝固過程中施加橫向/縱向靜磁場時，隨著磁場強度的增大，一次枝晶間距均發生顯著變化。在一定條件下，對縱向磁場而言，一次枝晶間距隨磁場強度的增大呈現先減小后增大的變化規律；橫向磁場的施加會顯著降低一次枝晶間距。磁場對枝晶間距的影響還取決于溫度梯度、生長速率[28]和試樣尺寸等因素。當試樣尺寸一定時，合理優化溫度梯度、抽拉速率和磁場強度，可以獲得更加細小的一次枝晶。

2.1.2 柱狀枝晶向等軸晶轉變

在高溫合金定向凝固過程中施加橫向/縱向磁場還可誘發柱狀枝晶向等軸晶的轉變，即CET轉變。通常，當溫度梯度和抽拉速率一定時，在較低的磁場強度下柱狀枝晶生長良好，隨著磁場強度的增大，糊狀區柱狀枝晶所受熱電磁力增大，枝晶端部與根部形成扭矩，使得枝晶碎斷而發生CET轉變，形成等軸晶[10,25-26]。目前，研究者們普遍認為熱電磁力作用于固相枝晶是發生CET轉變的主要原因。

XUAN等[10]在DZ417G高溫合金定向凝固過程中施加縱向靜磁場，發現在溫度梯度150 K·cm-1、抽拉速率10 μm·s-1條件下，磁場強度為0.6 T時試樣邊緣開始出現等軸晶粒，且隨著磁場的增強，等軸晶數量不斷增加，在6 T磁場下等軸晶充滿整個試樣。YU等[25]在定向凝固過程中施加縱向靜磁場，同樣引起DZ417G合金枝晶碎斷及CET轉變的發生，并且隨磁場強度的增大和抽拉速率的降低，CET轉變增強。

此外，在高溫合金定向凝固過程中施加旋轉電磁場也會誘發CET轉變。與靜磁場誘發CET轉變不同，旋轉電磁場主要使枝晶前沿產生強制對流，破壞枝晶的生長；部分破碎的枝晶發生重熔并成為有效的晶核，生長為等軸晶[29]。

總之，在定向凝固過程中，對于定向或單晶高溫合金，CET轉變的發生是不利的，應當通過調整工藝參數來避免這種轉變；對于等軸晶高溫合金，通過外加磁場誘發CET轉變，無疑是一種獲得等軸晶組織的新方法。

2.1.3 γ′析出相和γ/γ′共晶

在定向凝固過程中，施加磁場可以降低固相轉變期間γ′相的形核活化能，從而顯著細化枝晶干γ′相[30-32]；磁場作用下產生的熱電磁對流可以有效減輕元素的微觀偏析，從而顯著降低因偏析而產生的γ/γ′共晶的含量[24,30]，這在一定程度上可以縮短后期熱處理所需的時間。XUAN等[24]研究發現，在溫度梯度120 K·cm-1、抽拉速率50 μm·s-1條件下，施加5 T的縱向磁場可使PWA1483和CMSX-4單晶高溫合金中γ′相尺寸分別減小46%和40%，同時枝晶間γ/γ′共晶相的尺寸明顯減小，且含量分別減少約49%和44%。REN等[30]研究發現，在溫度梯度70 K·cm-1，抽拉速率分別為40，80 μm·s-1條件下，施加8 T的縱向強磁場可將單晶高溫合金中γ′相尺寸分別減小約65%和61%，細化效果顯著。

2.1.4 碳化物

在凝固過程中施加磁場還可以降低初生碳化物的含量[2,30]。REN等[2]對PWA1483單晶高溫合金施加1.5 T的縱向磁場后，其組織中的碳化物體積分數從原先的0.7%降到0.6%左右；碳化物含量的降低是由于磁場的熱電磁對流效應提高了成分的均勻性。但是目前，關于磁場對碳化物的作用機理還不是很清楚，有待進一步研究。

2.2 靜磁場對高溫合金凝固缺陷的影響

在單晶或定向葉片的制備過程中，缺陷控制一直都是研究者關注的重點。新近發現的磁場對缺陷的影響效應為高溫合金缺陷控制提供了新的方法。

2.2.1 對縮孔的影響

在定向凝固期間，枝晶間區域殘余液相的凝固收縮是導致縮孔的主要原因[33]。XUAN等[24]研究發現，在PWA1483和CMSX-4合金定向凝固期間施加強磁場能夠明顯降低縮孔的尺寸和含量。

根據凝固原理，強磁場所引發的熱電磁對流能夠促使熔體流動并進入枝晶間區域，增加凝固補縮，從而減小縮孔的尺寸。另一方面，如前所述，磁場能夠減小一次枝晶間距，由文獻[24]中的公式

dpore=φlλ/2

(8)

式中：dpore為縮孔的直徑；φl為最終的共晶液相體積分數；λ為一次枝晶間距。

可知縮孔尺寸隨一次枝晶間距的減小而減小。因此，可以認為熱電磁對流是導致縮孔含量降低的主要原因。

2.2.2 對雜晶的影響

在定向凝固過程中，單晶高溫合金中的雜晶仍然是一個尚未解決的缺陷。在合適的工藝參數(溫度梯度、抽拉速率)范圍內，一定強度磁場的施加不僅不會破壞枝晶組織的生長，其凝固組織仍為單晶組織，還可以有效抑制雜晶的形成[34-36]。在溫度梯度50 K·cm-1、抽拉速率100 μm·s-1條件下，施加0.7 T的橫向弱靜磁場能夠明顯抑制合金邊緣側雜晶的形成[36]；另外，施加12 T的縱向強磁場也能夠顯著抑制截面突變處雜晶的產生[34]。可見橫向弱磁場和縱向強磁場都能對雜晶的形成起到抑制作用。

在橫向弱磁場作用下，溶質會沿著TEMC的方向運動，降低邊緣側溶質的含量以及過冷度，抑制非均勻形核并促進二次等高次枝晶的生長，從而抑制邊緣側雜晶的形成[36]。而在縱向強磁場作用下，固液界面能增加，增大了形核的臨界過冷度，使得非均勻形核變得困難[34]。

2.2.3 對雀斑的影響

雀斑是單晶鑄件中的一種典型凝固缺陷。在一定工藝參數下，在高溫合金定向凝固過程中施加一定強度的磁場也會引起雀斑的產生[10,18,25,27]。XUAN等[10]在溫度梯度150 K·cm-1、抽拉速率10 μm·s-1條件下，在DZ417G合金定向凝固過程中施加縱向磁場發現，磁場強度為0.6 T時合金糊狀區邊緣處開始出現雀斑。YU等[25]也發現，在縱向強磁場下，DZ417G合金邊緣易出現雀斑。

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減輕元素偏析、縮短糊狀區長度以及抑制枝晶間對流可以降低雀斑出現的概率[1]。NIU等[37]研究發現，在較強磁場作用下，糊狀區會隨著磁場強度的增大而變長。磁場較弱時，TEMF驅動枝晶間溶質向熔體邊緣遷移，從而形成雀斑；磁場較強時，一方面糊狀區變長，另一方面發生了CET轉變，TEMF驅動糊狀區域內等軸晶粒旋轉，引起固液界面失穩和宏觀偏析，從而形成雀斑。

磁場下定向凝固鎳基高溫合金雀斑缺陷的產生也與抽拉速率有關，目前只在低抽拉速率下發現雀斑，關于較高抽拉速率下雀斑的形成傾向還需進一步研究。

2.3 靜磁場對高溫合金蠕變性能的影響

航空發動機和地面燃氣輪機渦輪葉片都對高溫合金的蠕變性能提出了嚴格的要求，因此提高合金蠕變性能一直都是研究的重點。

在合適的工藝參數范圍內，磁場能夠顯著改變高溫合金的凝固組織，控制凝固缺陷，從而改善高溫合金的蠕變性能。REN等[2]研究發現：將靜磁場應用于定向凝固過程可以改善單晶高溫合金的蠕變性能。利用磁場效應，在合適的凝固參數下可以獲得比未施加磁場時高近5倍的蠕變壽命；磁場輔助凝固還增加了合金的斷后伸長率，在磁場強度0.5 T、抽拉速率25 μm·s-1下，斷后伸長率增加了70%。磁場下高溫合金性能的改善與磁場的施加提高了多尺度溶質分布的均勻程度、降低了γ′相尺寸、減少了碳化物及共晶相的含量有關。目前關于磁場對高溫合金性能的影響研究還不夠充分，其作用機制尚不明確，有待進一步研究。

3 動磁場對高溫合金定向凝固組織與缺陷的影響

除了靜磁場，將動磁場(交變磁場、脈沖磁場、行波磁場)應用于高溫合金的定向凝固過程也陸續受到研究者的關注。通過動磁場與合金熔體的電磁作用來調控熔體的流動狀態和行為，可以達到控制或改善凝固組織與偏析的目的。

3.1 交變磁場的影響

現有的定向凝固設備通常有感應加熱和電阻加熱兩種方式。在感應加熱定向凝固過程中，交流電通過感應線圈產生的交變磁場也會對合金的凝固組織產生影響。作者課題組[38]通過改變石墨套厚度獲得了不同強度的交變磁場，并研究了該交變磁場下DD90單晶高溫合金的凝固組織以及熔體內磁場和流場的分布，發現隨著石墨套厚度的增加(即磁場強度的減小)，熔體內的磁場強度、熔體流動均逐漸減弱，這導致凝固后一次枝晶間距變大、共晶組織含量增加；此外，隨著磁場強度的減小，各元素的偏析逐漸加重，γ′析出相的尺寸逐漸增大。這主要是因為石墨套厚度越小，熔體流動越強，使得冷卻速率和過冷度增大，從而促進了γ′相的析出。以上結果表明，在感應加熱定向凝固過程中，選擇合適的石墨套厚度，有利于控制單晶高溫合金的凝固組織和微觀偏析。

3.2 脈沖磁場的影響

ZHANG等[40-41]研究了低壓脈沖磁場對K4169高溫合金定向凝固組織的影響，發現低壓脈沖磁場的施加會破壞柱狀晶的生長，使柱狀晶向等軸晶轉變；模擬結果表明，CET轉變的發生歸因于低壓脈沖磁場引起的磁振動和熔體對流的耦合效應。利用低壓脈沖磁場控制定向凝固來誘發CET轉變，有望成為一種新的細晶工藝。

3.3 行波磁場的影響

行波磁場是通過向線圈施加頻率為50 Hz的三相交流電感應產生的，其強度由電流控制，并且可以通過調節線圈的相序來改變磁場的方向。行波磁場主要通過施加三相電流實現空間變化磁場來改變金屬液流動，從而對合金的凝固組織產生影響。

LI等[42]將行波磁場引入到CMSX-4高溫合金的定向凝固過程，發現在凝固過程中施加一定強度的行波磁場可以顯著減少雀斑缺陷的產生。雀斑缺陷的形成主要是由糊狀區液相發生密度反轉引發的熱溶質對流造成的。在施加行波磁場后，洛倫茲力作用在糊狀區液相上，改變了糊狀區液相的流動行為，從而降低了雀斑缺陷的形成概率。

4 結束語

磁場控制高溫合金定向凝固能夠顯著影響合金的顯微組織、典型缺陷和力學性能。在靜磁場下，通過合理控制磁場強度、溫度梯度和抽拉速率等參數，可以顯著細化一次枝晶間距和γ′相尺寸，降低碳化物和共晶相的含量，提高溶質分布的均勻性，從而顯著改善高溫合金的蠕變性能,提高蠕變壽命。靜磁場還可以抑制雜晶缺陷的產生，降低縮孔的含量和尺寸，但在低抽拉速率下也可能會誘發雀斑缺陷。對動磁場而言，交變磁場對高溫合金的鑄態組織影響顯著，脈沖磁場控制定向凝固會顯著影響元素的微觀偏析，行波磁場的施加可以降低雀斑缺陷的形成概率。

磁場控制定向凝固為制備高質量合金鑄件提供了新的方法和途徑，具有良好的應用前景。盡管目前關于磁場對高溫合金定向凝固過程的影響研究已經取得較大進展，但面向國家重大戰略需求，未來仍有大量工作需要進一步開展。

(1)發展大尺寸、復雜形狀高溫合金件的磁場定向凝固技術，探明不同磁場類型和施加方式對復雜變截面高溫合金凝固組織的作用機理。

(2)系統開展磁場作用下單晶高溫合金葉片等復雜結構件的凝固缺陷形成規律和高溫力學性能研究，揭示磁場對復雜結構高溫合金件中典型缺陷的抑制作用機理以及高溫斷裂影響機制。

(3)發展更為精確的計算機模擬方法，深入開展磁場、溫度場、溶質場、應力場等多場耦合作用下熔體流動、溶質傳輸規律及多尺度凝固組織演變規律的模擬研究。

(4)發展磁場控制高溫合金定向凝固過程的同步輻射技術，實現對磁場作用下凝固組織演變和缺陷形成規律的實時觀測。