【原】西工大《JMRT》：利用籽晶法高通量模组结构制备具有多个相同三维取向的单晶叶片

1.背景介绍

一般来说，制备单晶涡轮叶片有两种基本方法：选晶法和籽晶法。选晶法是通过由起始段和螺旋通道构成的晶粒选择器中晶粒间的竞争生长获得镍基单晶叶片。然而，选晶法制备的单晶叶片的取向并不精确，其只能将叶片的主取向限制在一定范围内，二次取向完全随机，极大的限制了镍基单晶高温合金的优异性能。因此，为了生产出高质量单晶叶片，并精确控制单晶叶片的三维取向，籽晶法逐渐引起了广泛的关注。但是，传统模组结构中叶片数量往往与籽晶数量相等，这使得对籽晶的需求很高，在较大数量需求下籽晶质量往往难以控制。此外，由于籽晶在切取时往往存在取向偏差，这种取向偏差传递给叶片之后，也会导致单晶涡轮叶片取向一致性的降低。

2.成果简介

日前，来自西北工业大学凝固技术国家重点实验室的杨文超教授和张军教授提出了一种新型籽晶法高通量模组结构，成功制备出了4片取向相同的单晶叶片。为了优化这一模组结构关键参数，作者主要通过ProCAST模拟仿真，研究了连接器高度和叶片放置角度对单晶生长的影响。结果表明，相比于60°和120°连接器，高度为50毫米的90°连接器可在获得较少叶片缘板杂晶的前提下，获得较高的温度梯度。在此基础上，作者进一步探究了不同放置角度对叶片组织生长的影响。发现当叶片放置于120°和270°时，可获得最平坦的液相等温线。但是，由于叶片平台薄边成核点与模具中心的距离差异，在120°下放置的叶片，杂散晶粒会更早的形核并更快横向扩展，从而占据缘板区域。因此，90^o的连接器和270^o的放置角为该高通量模具的最佳结构。最后，作者采用这一优化模组结构成功制作出了4片具有相同三维取向且无杂散晶粒的单晶叶片。该成果充分证明了该新型高通量模组的可行性，为三维取向获得良好控制的单晶叶片高通量制备提供了新思路。相关研究成果以“Orientation control of multiple single crystal blades using a novel high-throughput mold via seeding-grain selection technique”为题发表于期刊Journal of Materials Research & Technology上。论文的第一作者为博士研究生秦嘉润，通讯作者为杨文超教授和张军教授。

论文链接：

https:///10.1016/j.jmrt.2024.02.228

3. 图文解析

3.1 模组结构

图1展示了高通量模组的示意图，可见该蜡模主要由四个叶片、一个连接器和一个与籽晶相连的螺旋通道组成，通过连接器和螺旋通道，四个叶片的方向均由同一个籽晶控制。在此基础上，为了获得最优的模组结构，作者设计了三种不同高度的连接段以及12组叶片放置角度，并通过模拟手段对这两种重要的部件进行了模拟（如图2和图3所示）。

图1. 模组示意图 (a) 和主要部件的尺寸 (b)-(d)

图2. 120^o(a)、90^o (b) 和60^o (c) 连接器的尺寸

图3. 以30^o为间隔十二组叶片放置角度示意图 (a)-(l)

3.2 连接段高度

结合图4至图5，作者确定了三种连接段对组织生长及温度梯度的影响。结果表明，使用90^o连接段可以在保证较高温度梯度的基础上，抑制叶片缘板杂晶的形成。

图4. 120° (a)-(c)、90° (d)-(f)和60° (g)-(i) 连接器的晶体生长、温度梯度模拟

图5. 使用120° (a)、90° (b) 和60° (c) 连接器的叶片缘板组织模拟结果

3.3 叶片放置角度

如图6所示，作者系统对比了不同放置角度下叶片缘板杂晶面积，发现将叶片放置于270°时可以获得最少的缘板杂散晶粒。同时，为了解不同放置角度下叶片杂晶形成的差异原因，作者进一步比较了杂晶形核时间、生长速率以及叶片各区域温度梯度差异等因素，最终提出了放置角度对杂晶成核及生长影响的模型（图7）。

图6. 以不同角度放置的叶片的晶体生长情况 (a)-(l)和统计结果 (m)

图7. 叶片置于120° (a), (c) 和270° (b), (d) 时铸件的温度场

3.4 铸造过程

根据ProCAST模拟结果，作者最终选择使用90^o连接器和270^o放置角为该高通量模具的最佳结构，并使用该模具成功生产出了4片具有相同三维取向且完整的单晶叶片铸件。如图8至图9所示，可以明显看出，4个单晶叶片均具有与籽晶相同的[001]一次取向，且其二次枝晶取向也与叶片[010]方向呈现出平行趋势。通过其组织形貌可以看出，4片单晶叶片取向基本一致。

图8. 籽晶及叶片中心的一次取向测定

图9. 叶片缘板组织形貌及二次生长方向

通讯作者：

杨文超，西北工业大学材料学院、凝固技术国家重点实验室教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。主要从事铝合金、高温合金及其零件凝固成形基础和应用研究，承担国家自然科学基金、工信部强基工程、国家重点研发计划等纵向课题12项、中国航发集团等横向课题15项；入选中国科协青年人才托举工程、陕西省杰青和湖南省100个科技创新人才，获中国产学研合作创新奖、中国精品科技期刊顶尖学术论文奖、陕西省科学技术发明一等奖和陕西省航空学会青年科技奖；发表学术论文100余篇，授权国家发明专利18件。现任中国金属学会电磁冶金与强磁场材料科学分会委员，陕西省航空学会理事会理事，陕西省层状金属复合材料工程研究中心委员会委员等职。

张军，西北工业大学材料学院、凝固技术国家重点实验室教授，博导，中国机械工程学会高级会员及材料分会理事，国家自然科学基金学科评审专家，先进高温结构材料国家级重点实验室学术委员会委员。教育部高等学校教学信息化与教学方法创新指导委员会委员，中国高等教育学会工程教育专业委员会常务理事，中国教育发展战略学会理事，教育部本科教学工作审核评估专家、合格评估专家、工程教育认证专家。曾任西北工业大学教务处长、材料学院副院长、国家重点实验室副主任等。主要从事先进材料及其凝固技术和理论的教学与科研工作，获国家级教学成果奖一等奖1项，陕西省科学技术一等奖2项，教育部自然科学二等奖1项。发表学术论文350余篇，获国家发明专利40余项。先后承担国家自然科学基金重大和重点项目、国家973、国防973、国防863、国防基础科研、国防预研、航空基金等国家及省部级科研项目30余项，国家和省部级教育教学研究项目3项。