利用引晶技術(shù)制備大尺寸鎳基單晶渦輪導(dǎo)向葉片

肖久寒, 姜衛(wèi)國(guó), 李凱文, 韓東宇, 王 棟, 王 迪,王 華, 陳立佳, 樓瑯洪

（1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114021；2.鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司，遼寧 鞍山 114021；3.沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870；4.濰坊科技學(xué)院，山東 壽光 262700；5.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心，沈陽 110016；6.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

鎳基單晶高溫合金由于具有良好的高溫力學(xué)性能和組織穩(wěn)定性，目前被廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)和陸基燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片[1-6]。相比于傳統(tǒng)等軸晶鑄造葉片，單晶葉片由于消除了晶界，其力學(xué)性能得到了顯著提高[7-12]。為了獲得良好的單晶鑄件，應(yīng)嚴(yán)格控制單晶取向，同時(shí)避免在定向凝固過程中形成凝固缺陷[13-16]。對(duì)于大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的渦輪葉片，很難通過調(diào)整凝固工藝參數(shù)來避免凝固缺陷的產(chǎn)生。因此，為了制備大尺寸鎳基單晶渦輪葉片，發(fā)展出了引晶技術(shù)[17-18]。引晶技術(shù)是將沿葉片生長(zhǎng)的主晶體引入易形成凝固缺陷位置，從而避免在葉片的高過冷區(qū)域形成凝固缺陷的方法。引晶技術(shù)具有生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)工藝目標(biāo)等特點(diǎn)。然而，由于引入晶體的冷卻速率較高，枝晶很可能發(fā)生偏離或扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致在引晶體和主晶體之間形成具有一定角度的搭接界面（小角度，甚至大角度晶界）[19]，進(jìn)而嚴(yán)重降低葉片性能[20]。因此，引晶結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)置會(huì)嚴(yán)重影響單晶葉片的質(zhì)量。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[21-22]，通常采用垂直或空間彎曲的引晶結(jié)構(gòu)制備大尺寸單晶葉片，這可以保證引晶結(jié)構(gòu)內(nèi)晶體的凝固前沿領(lǐng)先于葉片內(nèi)的主晶體。Ma 等[23]和Yoshinari 等[19]的研究結(jié)果表明，將引晶結(jié)構(gòu)設(shè)置在渦輪動(dòng)葉片的三角過渡段與緣板邊緣之間可以成功制備出完整的單晶葉片。Newell等[24]的研究結(jié)果表明，當(dāng)晶體沿凝固方向生長(zhǎng)時(shí)，晶體取向的演化是無規(guī)律的，即枝晶扭轉(zhuǎn)是隨機(jī)的。Hu 等[25]則認(rèn)為，單晶體沿凝固方向生長(zhǎng)時(shí)，其取向演化是沿單一方向偏離的。然而，由于在引晶結(jié)構(gòu)與葉片的連接處存在結(jié)構(gòu)和尺寸的突變，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)存在局部不穩(wěn)定，這可能導(dǎo)致在該區(qū)域產(chǎn)生凝固缺陷。為了解決該問題，有必要對(duì)引晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即在引晶結(jié)構(gòu)和葉片之間增加一個(gè)過渡結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的引晶結(jié)構(gòu)不僅可以使局部凝固條件更加穩(wěn)定，避免形成凝固缺陷，還可以減小枝晶的橫向擴(kuò)展距離，進(jìn)而降低主晶體與引晶體之間的搭接界面角度。Xiao 等[26-28]的研究結(jié)果表明，46°～68°擴(kuò)展角度及2 mm 厚度為較優(yōu)的引晶過渡結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本工作針對(duì)特定結(jié)構(gòu)的大尺寸單晶葉片，設(shè)計(jì)“傳遞+過渡”型引晶結(jié)構(gòu)，將設(shè)置引晶結(jié)構(gòu)的葉片與未設(shè)置引晶結(jié)構(gòu)的葉片進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，采用ProCAST 軟件模擬定向凝固過程中的溫度場(chǎng)演化過程，利用EBSD 技術(shù)對(duì)單晶葉片匯聚界面進(jìn)行取向測(cè)試，并進(jìn)一步探究引晶結(jié)構(gòu)對(duì)葉片凝固缺陷形成機(jī)制的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 葉片選擇及引晶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用典型的燃機(jī)用大尺寸雙聯(lián)導(dǎo)向葉片進(jìn)行引晶工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，葉片最大長(zhǎng)度為300 mm，葉片前緣弦寬為90 mm，葉片蠟?zāi)ば蚊踩鐖D1（a）所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)用渦輪導(dǎo)向葉片的實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)“傳遞+過渡”型引晶結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示，其中引晶傳遞結(jié)構(gòu)寬度設(shè)計(jì)為3 mm、厚度設(shè)計(jì)為2 mm，引晶過渡結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展角度設(shè)計(jì)為68°、高度設(shè)計(jì)為20 mm、厚度設(shè)計(jì)為2 mm。本實(shí)驗(yàn)中，由于單晶葉片的尺寸較大，故將一只葉片單獨(dú)組合成一個(gè)蠟型組。將引晶結(jié)構(gòu)分別設(shè)置在三角過渡段與下葉片前緣及下葉片前緣與上葉片前緣之間，盡可能保證引晶結(jié)構(gòu)與[001]凝固方向平行，且與兩側(cè)緣板之間距離相等。同時(shí)，選用無引晶結(jié)構(gòu)葉片進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，蠟?zāi)そM形貌如圖2 所示。

圖1 蠟?zāi)Ｐ蚊布俺叽?（a）大尺寸雙聯(lián)導(dǎo)向葉片；（b）引晶結(jié)構(gòu)Fig. 1 Geometries and sizes of wax pattern （a）large size turbine guide vane；（b）grain continuator（GC）

圖2 大尺寸雙聯(lián)導(dǎo)向葉片蠟?zāi)＝M形貌 （a）無引晶結(jié)構(gòu)；（b）引晶結(jié)構(gòu)Fig. 2 Geometries of wax pattern clusters （a）large size turbine guide vane without GC；（b）large size turbine guide vane containing GC

1.2 單晶葉片的制備

利用熔模精密鑄造工藝制備單晶鑄件。首先，壓制大尺寸雙聯(lián)導(dǎo)向葉片蠟件，再將蠟件按圖2 所示組合為蠟?zāi)＝M。為了去除蠟?zāi)＝M表面油脂，使用專用清洗液對(duì)蠟?zāi)＝M進(jìn)行清洗，隨后將蠟?zāi)＝M送至制殼車間進(jìn)行型殼制備。制殼過程如下：將蠟?zāi)＝M完全浸入配制好的EC95 料漿中（采用雙面層制殼工藝），隨后將不同粒徑的Al2O3剛玉砂均勻地撒在蘸好料漿的蠟?zāi)＝M上（砂粒粒徑隨制殼層數(shù)的增加而增大），重復(fù)蘸漿、撒砂過程直至陶瓷型殼厚度達(dá)到約6 mm。預(yù)先去除冒口和底盤位置多余型殼，然后將陶瓷型殼冒口朝下放入脫蠟釜內(nèi)進(jìn)行脫蠟，脫蠟溫度設(shè)置為170 ℃，脫蠟時(shí)間設(shè)置為15 min，保證脫蠟釜內(nèi)壓力達(dá)到0.6 MPa。將脫蠟后的陶瓷型殼置于馬弗爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，其目的是去除型殼內(nèi)壁殘余蠟料并增加型殼強(qiáng)度，燒結(jié)溫度設(shè)置為900 ℃，燒結(jié)時(shí)間4 h，葉片型殼形貌如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)合金選用典型的第一代抗熱腐蝕單晶高溫合金DD413，其化學(xué)成分如表1 所示。采用螺旋選晶法制備單晶葉片鑄件。采用高速凝固法（high rate solidification，HRS）對(duì)單晶葉片鑄件進(jìn)行定向凝固。將陶瓷型殼固定在冷卻室的水冷銅盤上，隨后將型殼升至真空環(huán)境的加熱室內(nèi)。以15 ℃/min 的加熱速率將陶瓷型殼加熱至1500 ℃，保溫10 min，以獲得均勻的溫度場(chǎng)，隨后進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度設(shè)置為1520 ℃。采用3 mm/min 的抽拉速率進(jìn)行定向凝固。

表1 鎳基單晶高溫合金DD413 的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of DD413 nickel-based single-crystal superalloy（mass fraction%）

圖3 大尺寸雙聯(lián)導(dǎo)向葉片型殼形貌 （a）無引晶結(jié)構(gòu)；（b）引晶結(jié)構(gòu)Fig. 3 Geometries of ceramic shell molds （a）large size turbine guide vane without GC；（b）large size turbine guide vane containing GC

1.3 晶體取向及性能測(cè)試

定向凝固完成后，對(duì)單晶鑄件進(jìn)行脫殼處理，切除多余澆道。對(duì)鑄件進(jìn)行吹砂處理，除去表面殘余型殼，降低鑄件表面粗糙度。隨后，對(duì)鑄件進(jìn)行宏觀腐蝕，觀察葉片宏觀組織，并確認(rèn)葉片凝固缺陷，腐蝕液采用體積比為 4∶1 的鹽酸和雙氧水混合溶液，腐蝕時(shí)間5 min。利用線切割設(shè)備在葉片匯聚界面位置切取EBSD 樣品，樣品尺寸為2 mm×10 mm×5 mm。依次采用150#、240#、400#、800#、1200#、2000#水磨砂紙對(duì)樣品進(jìn)行研磨處理和機(jī)械拋光，隨后對(duì)磨拋好的表面進(jìn)行振動(dòng)拋光，去除樣品表面應(yīng)力。采用TESCAN MIRA3 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡并配合NordlysNano 電子背散射衍射探頭對(duì)樣品進(jìn)行EBSD 實(shí)驗(yàn)，掃描步長(zhǎng)設(shè)置為16 μm。隨后，利用CHANNEL 5 軟件對(duì)測(cè)得的EBSD 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同時(shí)，利用線切割設(shè)備在葉片基體及匯聚界面位置切取片狀持久樣品，不同位置切取的樣品應(yīng)相互平行，盡可能保證樣品長(zhǎng)度方向與葉片應(yīng)力軸方向平行，且匯聚界面處于持久樣品標(biāo)距段的中間位置。隨后對(duì)樣品進(jìn)行真空熱處理，固溶處理：RT，時(shí)效處理隨后，對(duì)熱處理后的樣品進(jìn)行機(jī)械加工，樣品尺寸如圖4 所示。高溫持久條件選擇低溫高應(yīng)力（760 ℃/790 MPa）和高溫低應(yīng)力（980 ℃/248 MPa）兩種，以評(píng)估單晶葉片的可用性。

圖4 片狀持久樣品示意圖Fig. 4 Schematic diagram of stress rupture specimen

1.4 ProCAST 軟件模擬

利用商業(yè)有限元模擬軟件ProCAST 模擬實(shí)驗(yàn)葉片在定向凝固過程中的溫度場(chǎng)，模擬的邊界條件、初始條件及熱物理性能參數(shù)如表2 和表3 所示，隨后，通過Visual-Viewer 后處理軟件觀察實(shí)驗(yàn)葉片的溫度場(chǎng)演化。

表2 ProCAST 軟件模擬計(jì)算所設(shè)置的邊界條件和初始條件Table 2 Boundary conditions and initial conditions used in ProCAST simulation

表3 ProCAST 軟件模擬計(jì)算所設(shè)置的材料熱物理參數(shù)Table 3 Thermophysical properties of superalloy used in ProCAST simulation

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工藝制備的大尺寸導(dǎo)向葉片單晶完整性對(duì)比

圖5 為經(jīng)宏觀腐蝕后的大尺寸雙聯(lián)導(dǎo)向葉片鑄件形貌。由圖5 可以看出，未采用引晶技術(shù)制備的雙聯(lián)單晶導(dǎo)向葉片，在兩只葉片（Vane1 和Vane2）葉身中部均形成了較寬的平行于[001]凝固方向的雜晶缺陷，且雜晶與主晶體存在明顯襯度差，說明雜晶與主晶體之間存在較大空間取向差。因此，在未設(shè)置引晶結(jié)構(gòu)的條件下生長(zhǎng)單晶，葉片的單晶完整性受到了嚴(yán)重破壞（圖5（a））。而對(duì)于采用引晶技術(shù)制備的雙聯(lián)單晶導(dǎo)向葉片，兩只葉片（Vane1 和Vane2）的葉身及緣板位置均未形成明顯的宏觀凝固缺陷，葉片整體呈現(xiàn)單一襯度的金屬光澤，說明該葉片具有良好的單晶完整性（圖5（b））。導(dǎo)致上述兩葉片單晶完整性差異的根本原因是由于設(shè)置引晶結(jié)構(gòu)后，改變了葉片整體的凝固路徑，并改善了葉片前緣位置原本不利的溫度場(chǎng)，降低了雜晶缺陷形成的傾向性，從而獲得良好單晶性完整的葉片。

2.2 不同工藝制備的大尺寸導(dǎo)向葉片單晶完整性對(duì)比

2.2.1 匯聚界面的取向差測(cè)試

圖6 為實(shí)驗(yàn)用大尺寸雙聯(lián)導(dǎo)向葉片中Vane 1葉片鑄件的宏觀形貌。其中， 晶粒A 和晶粒C 為主晶體，即沿葉片兩側(cè)緣板生長(zhǎng)的晶體，而晶粒B 為雜晶（自發(fā)隨機(jī)形核）或引晶體（沿引晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)至葉身），黃色實(shí)線表示主晶體與雜晶或主晶體與引晶體的匯聚界面，分別用GBⅠ和GBⅡ表示。利用EBSD 技術(shù)分別對(duì)不同工藝制備的Vane 1 葉片的GBⅠ和GBⅡ進(jìn)行晶體取向測(cè)量，測(cè)量結(jié)果分別如圖7 和圖8 所示。可以發(fā)現(xiàn)，未采用引晶工藝制備的大尺寸雙聯(lián)單晶渦輪導(dǎo)向葉片，沿兩側(cè)緣板生長(zhǎng)的主晶體與沿引晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的引晶體交匯后形成的兩個(gè)搭接界面GBⅠ和GBⅡ的角度分別為30.3°和29.2°，即形成雜晶缺陷；而采用本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的“傳遞+過渡”結(jié)構(gòu)引晶工藝制得的大尺寸雙聯(lián)單晶渦輪導(dǎo)向葉片，沿兩側(cè)緣板生長(zhǎng)的主晶體與沿引晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的引晶體交匯后形成的兩個(gè)搭接界面GBⅠ和GBⅡ的角度分別為1.5°和2.7°，即小角度晶界（LABs）。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[20]，界面兩側(cè)取向差小于6°的晶界對(duì)合金性能影響很小。因此，采用引晶技術(shù)可成功制備出滿足性能要求的大尺寸單晶葉片。

圖6 Vane1 葉片鑄件宏觀形貌 （a）無引晶結(jié)構(gòu)；（b）引晶結(jié)構(gòu)Fig. 6 Morphologies of Vane 1 castings （a）without GC;（b）with GC

圖7 無引晶結(jié)構(gòu)Vane 1 葉片的匯聚界面取向差 （a）一次取向分布圖；（b）二次取向分布圖，；（c）取向差分布圖；（1）GBⅠ；（2）GBⅡFig. 7 Misorientation of convergent interface in Vane 1 casting without GC （ a） primary orientation distribution map；（b）secondary orientation distribution map；（c）misorientation profile；（1） GBⅠ；（2） GBⅡ

圖8 引晶結(jié)構(gòu)Vane 1 葉片的匯聚界面取向差 （a）一次取向分布圖；（b）二次取向分布圖；（c）取向差分布圖；（1）GBⅠ；（2）GBⅡFig. 8 Misorientation of convergent interface in Vane 1 casting containing GC （a）primary orientation distribution map；（b）secondary orientation distribution map；（c）misorientation profile；（1） GBⅠ；（2）GBⅡ

2.2.2 高溫持久性能

圖9 為引晶結(jié)構(gòu)Vane 1 葉片基體及匯聚界面樣品的持久性能。由圖9 可以看出，在中溫高應(yīng)力（760 ℃/790 MPa）條件下，GBⅠ和GBⅡ樣品的持久壽命相對(duì)于葉片基體分別下降了10.1%和7.5%，斷后伸長(zhǎng)率分別下降了6.4%和2.4%；而在高溫低應(yīng)力（980 ℃/248 MPa）條件下，GBⅠ和GBⅡ樣品的持久壽命相對(duì)于葉片基體分別下降了9.8%和14.2%，斷后伸長(zhǎng)率分別下降了7.1%和8.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小角度晶界樣品相較于完整單晶樣品，其高溫持久性能稍有降低，性能折損可控制在15%以內(nèi)。而對(duì)于渦輪葉片用材料來說，其安全及可靠性要求極為嚴(yán)格，材料設(shè)計(jì)壽命遠(yuǎn)大于實(shí)際使用壽命[29-30]。因此，采用引晶技術(shù)制備的大尺寸單晶葉片可以滿足使用需求。

圖10 為采用引晶結(jié)構(gòu)制備的Vane1 葉片持久樣品斷口形貌。其中，圖10（a）和（d）為葉片基體樣品斷口， 圖10（b）和（e）為GBⅠ樣品斷口，圖10（c）和（f）為GBⅡ樣品斷口。可以看出，在中溫高應(yīng)力（760 ℃/790 MPa）條件下，葉片基體、GBⅠ和GBⅡ樣品的斷裂方式均是以類解理斷主，韌窩斷裂為輔的混合斷裂。其中，類解理斷裂約占整個(gè)斷口面積的3/4，而韌窩斷裂約占整個(gè)斷口面積的1/4。斷口內(nèi)類解理區(qū)出現(xiàn)了典型的河流花樣和類解理臺(tái)階，而在韌窩區(qū)域出現(xiàn)了典型的韌窩及撕裂棱。在中溫高應(yīng)力（980 ℃/248 MPa）條件下，葉片基體和GBⅠ樣品的斷裂方式均為韌窩斷裂，屬于典型的微孔聚集型斷裂，斷口內(nèi)可見大量微洞及第二相粒子，而GBⅡ樣品的斷裂方式不同于葉片基體和GBⅠ樣品，其斷口中心位置出現(xiàn)了較多的小斷面及孔洞，為典型的類解理特征，而斷口四周則為“韌窩+撕裂棱”特征的韌性斷裂區(qū)域。因此，對(duì)GBⅡ樣品，其斷裂方式為同時(shí)存在類解理斷裂和韌窩斷裂的混合斷裂。GBⅡ樣品出現(xiàn)類解理斷裂的原因可能是在高溫下，由于小角度晶界的存在，晶體缺陷可通過晶界快速遷移，使樣品內(nèi)部形成大量微孔，部分微孔發(fā)生聚集形成較大孔洞，這些孔洞可作為裂紋萌生的起源，引起局部應(yīng)力集中，進(jìn)而降低了裂紋擴(kuò)展的門檻值。當(dāng)外加應(yīng)力超過裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力時(shí)，多個(gè)微孔同時(shí)萌生裂紋并快速擴(kuò)展，產(chǎn)生河流花樣，臨近的裂紋相遇后形成了大量的小斷面。由圖9（a）可知，GBⅡ樣品的持久壽命相對(duì)于葉片基體樣品下降了最多，達(dá)到了14.2%，這可能是由于GBⅡ樣品與GBⅠ和葉片基體樣品的持久斷裂機(jī)制不同導(dǎo)致的。

圖10 引晶結(jié)構(gòu)Vane 1 葉片基體及匯聚界面樣品的持久斷口形貌 （a），（d）基體；（b），（e）GBⅠ；（c），（f）GBⅡFig. 10 Fracture surfaces of stress rupture specimens of base metal and convergent interface in Vane 1 casting containing GC（a）,（d）base metal；（b）,（e）GBⅠ；（c）,（f）GBⅡ

2.3 ProCAST 軟件模擬大尺寸單晶葉片的凝固過程

圖11 為大尺寸雙聯(lián)單晶渦輪導(dǎo)向葉片的定向凝固過程模擬結(jié)果。其中，圖11（a）為無引晶結(jié)構(gòu)葉片凝固過程模擬結(jié)果，圖11（b）為采用引晶技術(shù)制備單晶葉片的凝固過程模擬結(jié)果。可以看出，對(duì)于無引晶結(jié)構(gòu)葉片，晶體分別沿兩側(cè)緣板生長(zhǎng)至Vane 1 葉片前緣，而后發(fā)生橫向擴(kuò)展并匯聚形成一個(gè)整體，隨后以整體形式繼續(xù)向上生長(zhǎng)。同時(shí)，繼續(xù)分別沿兩側(cè)緣板生長(zhǎng)至Vane 2 葉片前緣，并再次發(fā)生橫向生長(zhǎng)并結(jié)合為一個(gè)整體。最后，以整體形式生長(zhǎng)至葉片最頂端。值得注意的是，當(dāng)模擬時(shí)間為4421.4995 s 及6098.5015 s 時(shí)，分別在Vane 1 和Vane 2 葉片前緣位置形成了局部過冷區(qū)，導(dǎo)致在該區(qū)域極易發(fā)生過冷形核，形成雜晶缺陷。而對(duì)于設(shè)置了引晶結(jié)構(gòu)的葉片，生長(zhǎng)至三角過渡段的晶體分別沿兩側(cè)緣板及引晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)至葉片前緣位置，且由于引晶結(jié)構(gòu)尺寸較小，厚度較薄，合金液熱量散失較快，冷卻速率較大，導(dǎo)致引晶結(jié)構(gòu)內(nèi)的凝固前沿始終領(lǐng)先于兩側(cè)緣板的凝固前沿。由于Vane 1 葉片前緣與水平方向成一定夾角，故晶體首先沿大緣板生長(zhǎng)至葉片前緣（葉片大緣板與前緣交匯位置高度最低），隨后與沿引晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)至葉片前緣的引晶體發(fā)生匯聚，隨著凝固進(jìn)行，引晶體會(huì)與沿小緣板生長(zhǎng)的晶體發(fā)生匯聚（葉片小緣板與前緣交匯位置高度最高），并以整體形式繼續(xù)沿Vane 1 葉片生長(zhǎng)。與此同時(shí)，再次分別沿兩側(cè)緣板及引晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)至Vane 2 葉片。在引晶結(jié)構(gòu)葉片的整個(gè)凝固過程中，均未形成局部過冷區(qū)，這大大降低了形成凝固缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。上述模擬結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)所制得的單晶葉片實(shí)際情況良好吻合。因此，采用引晶技術(shù)制備大尺寸單晶葉片可有效避免凝固缺陷的形成，使葉片具有良好的單晶完整性。

圖11 大尺寸雙聯(lián)單晶渦輪導(dǎo)向葉片的定向凝固過程模擬結(jié)果 （a）無引晶結(jié)構(gòu)葉片；（b） 引晶結(jié)構(gòu)葉片F(xiàn)ig. 11 Simulation results of directional solidification process of large size turbine guide double vane castings （a）vane without GC；（b）vane containing GC

3 結(jié)論

（1）采用引晶技術(shù)可有效避免雜晶缺陷的形成，并可成功制備出單晶完整性良好的大尺寸雙聯(lián)渦輪導(dǎo)向葉片，但在葉片主晶與引入晶體之間仍會(huì)形成小角度晶界缺陷。

（2）對(duì)引晶技術(shù)制備的大尺寸單晶導(dǎo)向葉片（Vane 1）的匯聚界面角度分別為1.5°和2.7°，即小角度晶界。小角度晶界位置的高溫持久性能雖稍有降低（壽命損失小于15%、斷后伸長(zhǎng)率損失小于7%），但仍可滿足葉片的使用性能。

（3）根據(jù)ProCAST 軟件對(duì)大尺寸雙聯(lián)單晶導(dǎo)向葉片凝固過程的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在設(shè)置引晶結(jié)構(gòu)后，優(yōu)化了葉片的原始凝固路徑，改善了葉片前緣位置的過冷條件，降低了雜晶缺陷的形核概率，有效避免了雜晶缺陷的形成。