上海交大《Acta Materialia》：镍基高温合金单晶雀斑形成机制！

近期，上海交通大学材料科学与工程学院的李建国教授团队与莱斯特大学董洪标教授团队合作发表关于镍基高温合金单晶雀斑形成机制的研究成果，研究成果以为“Solute enrichment induced dendritic fragmentation in directional solidification of nickel-basedsuperalloys”为题，在金属领域顶刊Acta Materialia上发表。文章第一作者博士生任能，通讯作者李军副教授。此成果也是该团队在今年三月份Acta Materialia （https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116620）文章研究的进一步深入拓展。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117043

镍基高温合金因其在高温和应力作用下的优异的高温强度、良好的抗氧化、抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能以及断裂韧性等综合性能，被广泛地用来制造航空发动机、工业燃气轮机叶片以及其他热端部件。涡轮叶片也被认为是航空发动机中最重要的部件之一。目前叶片主要采用熔模铸造+定向凝固的方法来制备。在通过熔模铸造制造涡轮叶片的过程中，通常可以发现雀斑——呈链状分布的没有特定取向的等轴晶粒。在高温合金铸件中，晶粒取向和晶界会对铸件的机械性能和应力断裂寿命产生尤为显著的影响，雀斑晶粒的出现严重地破坏了铸件微观组织的完整性。虽然对高温合金已有较多研究，但是凝固过程中的雀斑链形成机理还仍不明确。

本文研究者进一步发展了包含熔化机制的元胞自动机-欧拉多相流多场耦合模型，模拟镍基高温合金定向凝固中热质对流形貌，以及树枝晶的生长和熔断。该模型用于模拟高温合金CMSX-4的定向凝固过程，重现了同步辐射原位观测实验结果，展示了凝固过程中的熔体流动、熔体过冷度以及溶质分布的演变过程，揭示了树枝晶生长和熔化机制。

图1 计算域和定解条件以及模拟和实验得到的微观组织对比

图2 模拟和实验得到的枝晶尖端速率以及雀斑晶粒对比

研究发现，径向热流导致树枝晶在径向的生产速率产生差异，进而引起了糊状区内的流动，使得被排出的溶质迁移至树枝晶生长速率更快的近壁处，进而形成溶质富集的偏析通道。当溶质富集到一定程度时，尽管树枝晶顶部周围仍保持一定的过冷度并可以持续生长，但偏析通道内的溶质富集引起树枝晶的重熔。树枝晶的一次臂或二次臂主干完全熔化时，枝晶尖端则与树枝晶主干分离而形成枝晶碎片，这些碎片即雀斑晶粒。

图3 定向凝固过程中的枝晶熔断

模拟结果还显示，尽管偏析通道中下部发生了枝晶的重熔甚至是熔断，枝晶尖端仍可以在较大的过冷度下持续向上和向内生长，因此枝晶碎片很难被完全熔化，而是趋向于旋转至任一角度，并随温度的进一步降低而留在近壁处的偏析通道内。

尽管偏析通道产生了成分过冷，但由于定向凝固特定的温度分布以及通道内强烈的熔体对流，难以提供足够的过冷度使新的晶粒形核。

图4 通道内的溶质分布以及熔体内过冷度分布

本文研究了高温合金在定向凝固过程中发生的传热、流动、传质和枝晶生长及熔断，探讨了各物理场所扮演的角色及其相互作用，了解了布里奇曼法中的一些工艺参数对微观组织产生的作用，为涡轮叶片定向凝固的工艺设计提供了一定的理论基础。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。