晶體取向

晶體取向一般指的是共價晶體的方向性。即在某一特定方向上形成共價鍵。根據共價鍵的量子理論，共價鍵的強弱取決於電子云的交疊程度。由於非滿殼層電子分布的非對稱性，因而總是在電子云密度最大的方向成鍵。

基本介紹

• 中文名：晶體取向
• 外文名：Crystal orientation
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 釋義：共價晶體的方向性
• 典型：鎳基單晶高溫合金

取向的選擇

隨著飛機、艦船等對發動機推力和效率需求的不斷提高，發動機渦輪進口溫度急劇上升，推重比10 以上航空發動機渦輪前進口溫度已達1600 ～ 1650 ℃。為滿足不斷增長的渦輪進口溫度，各種高溫材料如鎳基高溫合金、金屬間化合物、陶瓷、C /C 複合材料等不斷獲得發展和套用。鎳基單晶高溫合金具有優良的拉伸、持久、抗氧化和抗腐蝕性能，近年來新型高代次的鎳基單晶高溫合金通過添加Re 大大提高了合金的蠕變強度，同時添加Ru 等難熔元素，進一步提高了合金的高溫性能和組織穩定性。結合氣冷結構和塗層技術，在1100 ℃左右溫度和高應力下鎳基單晶高溫合金仍可長時間服役。因此鎳基高溫合金在渦輪發動機中仍將有廣闊的套用前景。

鎳基單晶高溫合金是具有面心立方結構的固溶體，具有 001 > 方向的擇優取向，其主要特點是去除了易產生裂紋源的晶界，因此其高溫力學性能明顯提高。由於定向凝固和單晶葉片外形複雜，內部為複雜空心氣冷結構，製造過程中頻繁出現偏晶、雜晶、雀斑、小角晶界等缺陷，晶界的出現割裂了晶體的完整性，顯著降低了單晶合金的力學性能，導致葉片合格率降低。隨著單晶高溫合金的發展，不斷加入更多的難熔元素，第三代、第四代單晶高溫合金中難熔元素的總含量達到20% 以上。由於難熔元素具有低擴散係數，加劇了雜晶、雀斑等凝固缺陷的形成，同時使單晶葉片晶體取向的控制更加困難。而葉片結構的進一步複雜化及尺寸大型化等因素，使晶體取向的偏離已成為單晶葉片的一個重要缺陷。

微觀偏析

鎳基高溫合金在胞/枝界面狀態下，溶質的擴散速率遠小於界面的生長速率，從而造成元素在枝晶乾和枝晶間的偏析，進而引起一系列問題，包括形成大量低熔點共晶，強化相的分布不均勻，枝晶間縮松，晶粒生長偏離、雀斑等問題，因此對鎳基高溫合金的微觀偏析控制尤為重要。鎳基高溫合金中，Al，Ti，Nb，Ta 等通常為正偏析元素，在枝晶間富集; Re，W，Mo，Ru 為負偏析元素，富集於枝晶乾; Cr，Co 和Ni，其偏析係數接近於1，基本不存在枝晶偏析。

晶體定向生長中，在擇優取向方向具有較快的生長速度。

定向凝固過程中的枝晶偏析主要取決於溶質分配係數和擴散的均勻化效果。對於同一合金在相同的凝固條件下，其溶質分配係數恆定，因此元素偏析的變化主要取決於擴散的均勻化效果，而後者則主要取決於擴散時間和擴散距離。在相同的凝固速率下，擴散時間也是相同的，因此對 001 > 取向的晶體，主要是擴散距離的不同。在 001 > 取向晶體中，隨著取向偏離角的增大，一次枝晶間距在不斷地減小，較小的枝晶間距造成了擴散距離在不斷減小，所以元素的偏析程度減輕。對 011 > 晶體，雖然隨偏離角的增大，一次枝晶間距也在減小，元素的擴散距離在減小，可造成偏析程度減小，但 011 > 方向有2 個等同的擇優方向，[110]方向的枝晶可認為是由[001]和[010]方向的側枝生長組成的，前面對於 011 > 取向枝晶的生長演化也說明了這點。因此由於枝晶生長的錯綜複雜，造成溶質的偏析路徑雜亂，最終導致溶質元素的偏析程度有所增大。

籽晶法製備

籽晶法是將與所要製備的單晶部件具有相同材料的籽晶安放在型殼的最底部，然後將過熱的熔融金屬液澆注在籽晶上面，再適當地控制固液界面前沿液相中的溫度梯度和抽拉速率，得到晶體取向與籽晶取向一致的單晶。液態金屬澆入型腔後，籽晶被部分熔化，晶體生長沿與籽晶相同的結晶位向生長。籽晶法製備單晶的精度高，能控制單晶的三維取向，一般認為只要籽晶擇優取向與熱流方向一致，就可以抑制非擇優方向的晶粒而生成單晶。

當籽晶的 001 > 取向偏離角度較小時，一次枝晶乾基本平行於熱流方向，得到的單晶的淬火界面附近的枝晶也一樣。而當籽晶的 001 > 取向偏離較大時，獲得的枝晶生長方向也沿著初始籽晶的生長方向，其生長方向並未受熱流方向的影響。通過XRD 測試生長前後晶體的取向，發現晶體的取向並未發生明顯改變，說明籽晶法製備單晶過程中，晶體的取向和生長狀態，主要由籽晶的取向決定。

在取向偏離角較小時，引晶獲得的胞晶的生長方向與熱流方向平行。隨著籽晶取向偏離角的增大，籽晶的枝晶乾與最大熱流方向的夾角也不斷增大，但在隨後生長的胞晶方向發生明顯的改變。胞晶乾的生長方向均沿著平行熱流方向生長，與枝晶的生長方向沿著擇優取向生長顯著不同，胞晶的生長方向由熱流方向決定而與晶體取向無關。

工藝參數關係

拉晶速率和溫度梯度是定向凝固的重要參數，對凝固界面形態、凝固組織及凝固缺陷等具有很大的影響。近年來研究發現拉晶速率和溫度梯度等參數的變化，對晶體取向的分布具有重要影響。在抽拉速率很低的穩定條件下，界面的速率近似等於試樣( 坩堝) 或爐體的移動速率，界面保持平直; 抽拉速率增大後界面會出現明顯的滯後現象，界面形狀也會發生變化，溫度梯度發生變化，導致生長方向發生偏離。

由於溫度梯度較低，同時採用了較快的抽拉速率，導致了單晶較高的生長速率。在淬火界面可以發現凝固界面是呈下凹狀的，由此導致了獲得的單晶的取向比初始籽晶的取向有了較大的偏離。凝固界面下凹，可造成晶體取向的偏離，進一步說明了定向凝固過程中，要保持較好的晶體取向，即要保持凝固界面的平直性。

同時發現合金成分的變化對晶體的取向分散度有一定的影響。英國帝國理工大學在對CMSX-4 合金( 高W，Ta，不含C) 與CM186LC 合金( 低W，Ta，含0. 07% C)的對比研究中發現，CM186LC 合金中偏離 001 >取向10°晶粒數多於CMSX-4 合金; 相反，CMSX-4 合金偏離大於10°的晶粒數較多。其原因可能是加入碳後枝晶間碳元素的富集改變了枝晶尖端附近的液固界面能所致。

總結和展望

隨著單晶高溫合金的發展，更多的難熔元素如Re，Ru 等添加進了單晶高溫合金，進一步提高了其高溫力學性能，但同時也帶來一系列問題，如雜晶形成，晶體取向的控制更加困難等等。同時單晶葉片複雜的幾何形狀，造成模殼的幾何形狀也需不斷變化，致使定向凝固時輻射擋板與模殼的間隙不斷變化，導致凝固時固液界面的波動，因此不太可能在鑄件任何部位都保持完整的 001 > 晶體學取向。因此，單晶葉片取向偏離在某種程度上是難以防止的。這就需要獲得晶體取向偏離軸向不同角度時其對高溫力學的影響規律，以制定合格鑄件對於取向偏離的容忍度。由於晶體的取向和凝固組織密切相關，獲得晶體取向與凝固組織和析出相的關係，有助於進一步從原理上澄清晶體取向和力學性能的關係。

對高溫合金晶體取向的研究及控制已經取得很多成果，總結起來，主要有以下幾點:

( 1) 鎳基單晶高溫合金晶體取向具有顯著的各向異性。不同取向單晶的高溫拉伸性能、抗蠕變、低周疲勞等性能均有明顯不同， 001 > 取向單晶具有較高的綜合力學性能。

( 2) 晶體取向與鎳基單晶高溫合金凝固組織密切相關。不同取向的枝晶生長規律不同，造成各異的枝晶組織形態和枝晶間距，溶質元素在不同取向的偏析程度不同。

( 3) 螺旋選晶器引晶段的主要作用是最佳化晶粒取向，以便獲得取向良好的 001 > 取向的晶粒。螺旋段的主要作用是確保一個晶粒進入鑄件，其幾何參數對最終單晶取向沒有明顯影響。螺旋選晶器引晶段頂端最後保留的晶粒取向將直接決定最終單晶鑄件的晶體取向。

(4) 籽晶法製備單晶過程中，在枝晶界麵條件下晶體的取向和生長狀態，主要由籽晶的取向決定。在胞晶界面狀態下，胞晶的生長方向仍由熱流方向決定。籽晶法能獲得取向度較高的單晶。

(5) 較高的溫度梯度和合適的拉晶速率，保持平整的凝固界面，有助於獲得取向偏離較小的單晶。

對晶體取向的研究，應注意以下幾個方面:

(1) 進一步研究晶體取向與凝固組織的關係，弄清楚晶體界面演化過程中晶體取向的轉變特點。

(2) 研究工藝參數對單晶高溫合金晶體生長取向的影響。進一步探索螺旋選晶器結構參數最佳化對晶體取向控制的作用規律。

在較大範圍內改變凝固界面前沿的溫度梯度，系統研究溫度梯度對晶體取向控制的作用。探索變截面造成的溫度場和溶質場變化等因素對晶體取向的作用，建立相關模型，採用計算機模擬與實驗對比實現精確控制取向的目的。

(3) 研究晶體取向在晶粒生長中的作用。單晶製備中不可避免產生小角度晶界、雜晶等，研究晶體取向在螺旋選晶和晶粒淘汰中的作用機制，對控制凝固缺陷形成具有重要意義。