单晶叶片 - 简介

　　单晶叶片英文名称：single crystal blade
　　定义：只有一个晶粒的铸造叶片。 定向结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的综合性能。 单晶叶片整个铸件由一个晶粒组成的铸造高温合金。这是继定向凝固铸造高温合金之后，进一步提高合金强度和使用温度的一条途径。单晶叶片铸件的理想组织是叶根、叶身和叶冠，都由毫无缺陷的多相单晶体组成。晶体取向应是〈100〉方向，并与叶片主应力轴方向之间的偏离不应大于10度。单晶铸件可以用与定向凝固相同的设备和工艺制备，与定向凝固铸件的区别只在于在水冷底盘的上部加入选晶器或仔晶，以便控制单一晶体进入铸件。简史初期的单晶铸造高温合金采用普通铸造高温合金成分，在此情况下，单晶铸造高温合金与定向凝固铸造高温合金相比，除了改善横向强度和塑性外，其他性能并无明显改善。20世纪70年代末，出现了去掉晶界强化(见高温合金晶界强化)元素的单晶铸造高温合金，如美国的PwAl480、NASAIRl00。碳、硼、锆、铪等晶界强化元素去除后，提高了合金的初熔温度，从而允许提高固溶处理温度，获得更细小、弥散的Y’相(见高温合金材料的金属间化合物相)，使合金的潜力得到更充分发挥。经过20多年的发展，出现了20多种单晶铸造高温合金。这些合金可以分为三代：第一代以PwAl480为代表，其承温能力比最好的定向凝固铸造高温合金PwAl422有25℃的优势；第二代以PwAl484为代表，比第一代又提高了25℃；正在研制的是第三代单晶合金。
　　

单晶叶片 - 制造工艺

1.籽晶法

　　首先将和所要铸造的单晶部件具有相同材料的的籽晶安放在模壳的最底部,然后将过热的熔融金属液浇注在籽晶上面,使籽晶部分熔化,再恰当地控制固液界面前沿液体中的温度梯度和晶体的生长速度,金属熔液就会从未被熔化的籽晶部分开始往金属液中生长,并最终形成晶体取向与籽晶相同的单晶。

2.选晶法

　　选晶法是单晶高温合金叶片制备中最基本的工艺方法. Higginbotham把常用的单晶选晶器结构归纳为四种类型:螺旋型、倾斜型、转折型、尺度限制型(缩颈型)随着单晶高温合金研究的发展,螺旋型选晶器逐渐淘汰掉其他三种选晶器,成为目前应用最广泛也是最成功的选晶器类型。 选晶法的原理就是利用选晶器的这种狭窄界面,只允许一个晶粒长出它的顶部,然后这个晶粒长满整个型腔,从而得到单晶体. 其晶体竞争生长机制是:螺旋结构总的攀升走向正好与散热方向相反,致使螺旋体内散热均匀,因此在整个螺旋形生长过程中,位向最适合生长的那个晶粒将其他众多的初生晶粒一一淘汰,不断长出枝晶并最终进入试样本体成为单晶铸件. 至于镍基单晶合金，在镍的Gamma固溶态中，有大量分散结晶构造稍为不同的Gamma基本态，只要将这种结晶单晶化，在定向凝固合金中，增加Gamma基本态，提高高温强度。镍基单晶合金基本上消除定向凝固高温合金的限制。F119的涡轮叶片是用第三代单晶作的，DD3可能是第一代。