定向凝固鎳基合金DZ444聲學特性的各向異性

羅忠兵，張嘉寧，金士杰，林 莉

(大連理工大學 無損檢測研究所，遼寧 大連 116085)

鎳基高溫合金廣泛應用于航空、航天、能源動力等領域，如航空發動機和燃氣輪機的燃燒室、渦輪葉片、導向器等熱端部件[1-2]。通過定向凝固技術消除橫向晶界，以及后續出現的單晶高溫合金和熱障涂層等技術，顯著提高了部件使用溫度和服役性能。然而，復雜的制造過程中，高溫合金部件不可避免地產生宏微觀缺陷，高溫、高應力、大范圍循環載荷作用下極易產生疲勞、蠕變、腐蝕等損傷[3-4]。因此，為保證關鍵部件的制造質量和服役安全，必須進行有效的質量檢測和性能評價。

基于超聲波的無損評價技術通過檢測信號的時、頻域分析，能夠建立超聲參量與材料特性的映射關系進而反映缺陷和損傷情況，廣泛應用于高性能制造領域[5-9]。然而，實現鎳基合金微小缺陷和損傷的有效評價并非易事，原因有二：一是鎳基奧氏體彈性各向異性顯著，定向凝固柱狀晶或單晶組織特殊，導致聲傳播行為明顯區別于大多數多晶金屬，后者晶粒尺寸較超聲波波長的比值均小于0.1，屬瑞利散射范疇，可視為各向同性[10]。二是實際構件幾何形狀多樣，除合金凝固方向外其余方向并不控制，第二晶向在0°至90°之間隨機變化[11]，超聲檢測聲波入射角度也是隨機的，因此，聲傳播行為同時受到材料晶體取向和構件幾何形狀的影響，導致結構噪聲、波型轉換等現象[6]。研究證實鎳基單晶合金在不同晶體取向上聲速和聲衰減系數差異明顯[6,12-13]，但對定向凝固合金報道較少，特別是其聲學特性各向異性機制尚不明確，直接影響定量檢測與評價結果的可靠性。

本實驗以DZ444定向凝固鎳基高溫合金為對象，結合晶體取向和微觀組織分析，對與凝固方向成不同夾角片狀試樣的時域(縱波聲速和聲衰減系數)、頻域(表面回波及一次底波的主頻變化、表觀積分反射系數)聲學特性進行了研究，為鎳基高溫合金質量檢測和性能評價提供支撐。

1 實驗材料及方法

實驗采用DZ444定向凝固鎳基高溫合金的鑄態棒狀試樣(直徑為16mm)，其主要化學成分(質量分數/%)為：C 0.12, Cr 15.6, Co 10.6, Mo 2.0, W 5.3, Al 3.2, Ta 0.1, Ti 4.4, Hf 0.2, B 0.1, Ni余量。如圖1所示，利用線切割技術制備平面法線方向與柱狀晶凝固方向夾角φ分別為0°，45°，90°的3種試樣，厚度5mm左右。利用SHIMADZU XRD-6000型X射線衍射儀(XRD)、Zeiss Supra 55型場發射掃描電鏡(SEM)、Oxford電子背散射衍射儀(EBSD)、Leica MEF-3型光學顯微鏡等測定試樣的晶體取向、微觀組織和成分分布。所用的腐蝕劑為4g CuSO4+10mL HCl+20mL H2O。采用超聲脈沖回波法對3個方向試樣的縱波聲速和聲衰減系數進行測量。探頭晶片直徑6mm，標稱中心頻率為10MHz，沿片狀試樣平面法向入射。采用Olympus-5800型超聲脈沖發射接收儀和DPO-4032數字示波器進行信號的發射與采集。

圖1 DZ444合金片狀試樣切割示意圖Fig.1 Schematic diagram of DZ444 superalloy sheet specimens

2 實驗結果及討論

2.1 不同方向試樣晶體取向分析

為了確認DZ444定向凝固鎳基高溫合金鑄態試樣的生長方向，防止產生較大的角度偏離影響后續測試，分別利用XRD和EBSD對0°方向試樣進行測定，并與45°和90°方向試樣進行對比分析，如圖2和圖3所示，0°方向試樣XRD譜只有(001)晶面對應的衍射峰，即該試樣平面法向對應晶向為[001]，與圖3(a)中EBSD反極圖顯示結果一致。歐拉角測定表明，晶粒間取向差別很小，都分布在[001]周圍，最大角度偏差約為6°。利用Y(或X)方向的晶粒取向分布圖可以對0°方向試樣的晶粒尺寸進行測量，如圖3(c)所示，柱狀晶粒橫截面直徑約為300μm，且X方向晶粒取向無擇優分布，表現為多晶特征。

圖2 DZ444合金不同方向試樣XRD譜Fig.2 XRD spectra of DZ444 superalloy specimens in different directions

圖3 DZ444試樣EBSD分析 (a)0°，45°，90° 3個方向試樣反極圖；(b)0°試樣Z向晶粒取向分布圖；(c)0°試樣X向晶粒取向分布圖Fig.3 EBSD analysis for DZ444 specimens (a)inverse pole figure(IPF) of specimens in 0°,45°,90° directions respectively;(b)grain orientation distribution in Z direction of 0° specimen;(c)grain orientation distribution in X direction of 0° specimen

45°與90°方向試樣的XRD結果相似，但與0°方向試樣明顯不同：前兩者均有兩個衍射峰，分別對應(111)和(001)晶面，且衍射峰強度明顯低于0°方向(001)晶面衍射峰，即使是(111)晶面衍射峰，其峰強也僅為0°方向(001)晶面衍射峰的1/2。這說明由于與凝固方向偏離一定角度，擇優生長已經不再存在。進一步利用EBSD對上述3個方向試樣進行分析，測試區域約為1mm2。由圖3(a)可以看出，45°方向試樣晶粒取向在X/Y方向隨機分布，無明顯擇優取向，但在Z方向存在一定的擇優取向，傾向于沿[111]方向，與圖2中XRD結果一致。同時也可看出，90°方向試樣的晶粒在X方向存在擇優取向，沿[001]方向，即定向凝固方向，而在Z/Y方向上擇優取向并不明顯，與圖2的XRD結果有所不同，原因可能主要在于XRD和EBSD的測試范圍與位置稍有差別，導致測試結果稍有不同。需要指出的是，兩種技術提供的取向分布僅反映了樣品表面的信息，厚度方向情況仍需進一步分析。

2.2 微觀組織和成分分析

圖4為3個方向試樣的金相組織圖。如圖4(a)所示，0°方向試樣為十字枝晶組織，一次枝晶干、二次枝晶干區域較亮，枝晶間較暗，部分枝晶相互平行；圖4(c)中90°方向試樣同樣表現出典型的枝晶形態，枝晶干相互平行，與0°方向試樣具有很好的對應性。超聲波的傳播行為尤其是散射衰減嚴重依賴于散射體與超聲波波長的比值，從而對應不同的內在機制[10]，因此，必須對如枝晶、第二相等的幾何尺寸進行表征。對枝晶臂間距測量后發現，一次枝晶臂間距約為367μm，二次枝晶臂間距約為33μm。對于45°方向試樣(圖4(b))，組織為十字枝晶的45°截面，呈菱形規則分布。利用SEM觀察枝晶干與枝晶間的微觀特征，如圖5所示，兩者微觀組織差異較大。其中，枝晶干微觀組織較為均勻，沉淀相γ′平均尺寸約為0.3μm，近似呈正方形均勻分布在基體相γ中(圖5(a))，而枝晶間γ′相的尺寸與分布都不太均勻(圖5(b))，γ′相最大尺寸接近0.5μm，一部分呈正方形，另一部分呈蝶狀。同時，枝晶間也存在少量碳化物、縮松及粗大的花瓣狀共晶組織(圖5(c),(d))。

圖4 DZ444不同方向試樣的金相組織 (a)0°；(b)45°；(c)90°Fig.4 Metallography microstructures of DZ444 specimens in different directions (a)0°;(b)45°;(c)90°

圖5 DZ444合金微觀組織 (a)枝晶干；(b)枝晶間；(c)共晶；(d)縮孔和碳化物Fig.5 Microstructures of DZ444 alloy (a)dendritic arm;(b)interdendritic;(c)eutectic;(d)shrinkage and carbide

合金凝固過程中容易發生枝晶偏析，對0°方向試樣枝晶組織的化學成分進行了能譜分析，結果如表1所示。W元素在枝晶干偏聚，含量比枝晶間高出3.81%；Mo,Ti元素則在枝晶間偏聚。研究表明，Mo是有效的固溶強化元素，能夠降低合金層錯能，從而提高持久性能[14]；Ti是MC類型碳化物形成元素，促進MC析出，起到晶界強化的作用[15]。這些元素含量的差別導致枝晶間和枝晶干耐腐蝕能力不同進而造成襯度的不同，同時，上述組織特征也會在不同程度上影響超聲波的傳播行為。

表1 DZ444合金一次枝晶干與枝晶間成分(質量分數/%)Table 1 Compositions of dendrite arm and interdendritic in DZ444 alloy (mass fraction/%)

2.3 時域頻域聲學特性

材料的聲學特性是材料超聲無損評價的基礎。其中，縱波聲速v和聲衰減系數α可通過時域信號計算得到：

(1)

(2)

式中：d為試樣厚度;Δt為兩次底面回波的聲時差；A1和A2分別為一次底面回波與二次底面回波的幅度，對應計算結果如圖6所示。不同方向試樣對應的縱波聲速差別較大，0°方向試樣的聲速最小，約為5533m/s，45°方向試樣的聲速最大，約為6595m/s，較0°方向試樣高出約19%，而90°方向試樣聲速大小居中，約為5634m/s。聲衰減系數變化規律卻明顯不同，隨著φ的增大而逐漸增大，0°方向試樣的聲衰減系數最小，90°方向試樣的聲衰減系數最大，兩者差值約為0.19dB/mm。

圖6 DZ444三個方向試樣的聲速和聲衰減系數Fig.6 Wave velocity and attenuation coefficient of DZ444 specimens in three directions

頻域聲學信息同樣可以加深對材料特性的理解。通過傅里葉變換得到的幅度譜(圖7)及在此基礎上定義的表觀積分背散射系數在一些研究中已經被證實行之有效[16]。這里借鑒后者思路，利用一次底面回波和二次底面回波的功率譜在有效頻帶內的面積差值與有效頻帶值作比，反映不同頻率成分能量衰減的分布情況，獲得表觀積分反射系數(apparent integral reflection coefficient,AIR)，如圖8(a)所示。對10MHz檢測頻率下表面回波及一次底波的幅度譜進行分析(圖7)，發現3個方向試樣的一次底波幅值和主頻較表面回波有明顯變化，定量提取一次底波相對于表面回波的主頻偏移量、幅值差值連同AIR一并作于圖8(b)，可以看出三者均隨φ的增大而增大，其中90°方向主頻偏移較0°方向增加了約0.63MHz，達5倍之多。

圖7 DZ444三個方向試樣的超聲表面回波與一次底波幅度譜Fig.7 Amplitude spectra of ultrasonic surface echo and 1st backwall echo

2.4 聲學特性各向異性機制討論

圖9 45°方向試樣晶體取向分布示意圖Fig.9 Schematic diagram of crystal orientation distribution of 45° specimen

超聲波在材料中的衰減主要包括散射衰減和吸收衰減[10]。其中，多晶金屬的聲衰減主要為散射衰減，體現了聲傳播過程中異質界面對聲能的散射消耗。單晶金屬衰減與上述又有所不同，原因是晶界(或相界)數量明顯減少，主要體現為吸收衰減，反映聲波在晶粒內部傳播過程中的弛豫。對于鎳基高溫合金又有所不同，原因在于其中含有大量微小的γ′相。按照經典散射理論，微米級聲阻抗界面尺寸遠小于毫米級超聲波波長，單個粒子的影響可以忽略不計，但大量粒子對散射衰減的貢獻仍須考慮[8]。因此，鎳基高溫合金單晶的聲衰減應為吸收衰減和散射衰減之和(為后續方便，這里統稱為單晶衰減)。溫仲元等[12]發現鎳基高溫合金單晶中縱波聲衰減系數呈各向異性，前期針對粗晶奧氏體不銹鋼單個晶粒的研究也同樣證實[20]，[111]取向晶粒的聲衰減系數最小，[001]最大，[101]居中。這里0°方向試樣雖然存在與超聲波傳播方向平行的縱向晶界，但對聲傳播行為影響較小，與單晶[001]取向接近，因此時域聲衰減系數為0.43dB/mm，頻域對應的主頻偏移、幅值差值和AIR(圖8(b))均體現為單個晶粒的貢獻。

90°和45°方向試樣則必須考慮晶界的影響。如上所述，90°方向試樣單位聲程內枝晶數目最多，是多個取向隨機分布晶粒的綜合行為，在各自單晶衰減的基礎上，時域和頻域聲衰減參量較0°方向均有明顯增加，說明90°方向試樣在吸收衰減降低的同時晶界散射衰減貢獻進一步增強，提高了整體衰減系數。與之相比，45°方向試樣的衰減反映了近[101]和[111]方向的單晶衰減和多晶的散射衰減，吸收衰減比例雖有所增加，但由于單位聲程內枝晶數目減少，聲波相對于晶界的入射角度變為45°，聲能損失程度降低，對散射衰減的貢獻減小，因此兩者之和相對于0°方向增加幅度不大，總體低于90°方向。

進一步對頻域衰減特性進行分析，圖8(b)中主頻偏移量、幅值差值、AIR與上述時域聲衰減系數的演變規律一致，但不同頻率成分的衰減程度卻有所差別，以90°方向試樣高頻衰減最為嚴重，表現為主頻偏移最大，約0.75MHz?？偨Y可知，不同方向試樣聲衰減特性變化實質反映了單個晶粒衰減(包括吸收衰減和第二相粒子的散射衰減)和多個晶粒散射衰減控制機制的過渡與轉變，歸因于柱狀晶特殊的晶粒取向分布和晶界結構特征。著眼于鎳基合金關鍵構件的高性能制造和服役安全，必須綜合考慮材料組織形態、構件幾何形狀的差異，根據聲傳播行為尤其是聲學性能之間的差異制定相應的規范標準，才能實現有效的質量檢測和性能評價。

3 結論

(1)DZ444定向凝固鎳基高溫合金0°方向試樣的晶粒取向均為[001]，晶粒間取向差角小于6°，柱狀晶粒橫截面直徑約為300μm，垂直凝固方向上晶粒取向無擇優分布。

(3)隨著φ的增加，DZ444合金的時域聲衰減系數和頻域主頻偏移、幅值差值以及表觀積分反射系數均隨之增加，原因在于0°方向主要是單晶衰減，包括吸收衰減和第二相粒子的散射衰減，而45°與90°方向合金中晶界散射衰減的貢獻逐漸增強。

(4)DZ444合金聲學特性的各向異性反映了單晶衰減和多個晶粒散射衰減控制機制的過渡與轉變，歸因于柱狀晶特殊的晶粒取向分布和晶界結構特征，這與單晶合金聲學特性各向異性具有本質不同。