阅读说明：本技术 镍基单晶高温合金中不同类型稳定晶界的制备方法 (Preparation method of different types of stable grain boundaries in nickel-based single crystal superalloy ) 是由 王尧 王栋 董加胜 姜祥伟 张健 楼琅洪 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种镍基单晶高温合金中不同类型稳定晶界的制备方法。该方法通过切割特定取向及夹角的籽晶对,在Bridgman定向凝固系统中制备镍基单晶高温合金,可有效控制制备的镍基单晶高温合金中含有对称(或非对称)倾侧或扭转晶界,且晶界角度可控制在0～90°之间的任意角度。本发明一方面解决了使用传统工艺针对不同类型晶界制备、提取以及检测难的问题,工艺简单可靠,成本低,适用性强。同时,通过使用本发明在镍基单晶高温合金引入特定类型与角度的晶界,以便于开展晶界结构、晶界能量以及晶界对单晶合金力学性能影响等相关研究。该方法在研究含小角晶界镍基单晶高温合金变形损伤机理及镍基单晶高温合金晶界容限方面具有广阔的应用前景。(The invention discloses a preparation method of different types of stable grain boundaries in a nickel-based single crystal superalloy. According to the method, the nickel-based single crystal superalloy is prepared in a Bridgman directional solidification system by cutting seed crystal pairs with specific orientations and included angles, the prepared nickel-based single crystal superalloy can be effectively controlled to contain symmetrical (or asymmetrical) tilting or twisting crystal boundaries, and the angle of the crystal boundaries can be controlled to be any angle between 0 and 90 degrees. On one hand, the invention solves the problem that the traditional process is difficult to prepare, extract and detect different types of crystal boundaries, and has the advantages of simple and reliable process, low cost and strong applicability. Meanwhile, the specific type and angle of the grain boundary is introduced into the nickel-based single crystal superalloy by using the method, so that the related researches such as the influence of the grain boundary structure, the grain boundary energy, the grain boundary on the mechanical property of the single crystal superalloy and the like can be conveniently carried out. The method has wide application prospect in the aspects of researching the deformation damage mechanism of the nickel-based single crystal superalloy containing the small-angle grain boundary and the tolerance of the grain boundary of the nickel-based single crystal superalloy.)

镍基单晶高温合金中不同类型稳定晶界的制备方法

技术领域

本发明涉及金属稳定晶界的制备技术领域，具体涉及一种镍基单晶高温合金中不同类型稳定晶界的制备方法。

背景技术

单晶高温合金具有优异的高温蠕变、疲劳及抗氧化性能，是制造现代航空发动机和燃气轮机涡轮叶片的关键材料。单晶高温合金叶片大多采用镍基合金，其制备通常采用镍基定向凝固技术。对于先进单晶高温合金叶片，特别是大尺寸燃机叶片而言，由于其形状、结构与冷却通道复杂，在定向凝固过程中通常会因为纵向温度梯度差的存在而导致枝晶发生偏转或弯折，进而不可避免地在叶片上产生小角晶界。单晶高温合金叶片中的小角晶界作为一种显微结构缺陷，在服役过程中，损伤往往率先出现在小角晶界位置，并沿小角晶界扩展，从而显著劣化材料力学性能。前期研究表明，具有5°横向小角晶界镍基单晶高温合金持久性能降低约8％～56％，当横向小角晶界角度超过10°时，镍基单晶高温合金持久性能将降低90％以上。需要指出的是，不同类型小角晶界对镍基单晶高温合金持久性能影响同样十分显著，含5°横向倾侧小角晶界镍基单晶高温合金持久性能降低约8％～27％，而含5°横向扭转小角晶界镍基单晶高温合金持久性能降低约40％～56％，含倾侧小角晶界单晶合金性能显著优于含扭转小角晶界单晶合金。单晶叶片中小角度晶界的存在将显著降低叶片安全服役时间，因此对单晶高温合金小角晶界稳定性进行全面评估，从而确定单晶高温合金小角晶界损伤机理和容限，对我国单晶高温合金在未来工业发展及国防建设领域的应用具有重要意义。

现有针对单晶高温合金晶界制备的相关研究，多是围绕多晶材料或双晶材料开展的。多晶材料中晶界类型和晶界角度均存在随机性，无法开展系统的定量研究工作。尽管当前使用籽晶法制备双晶合金的晶界角度可以得到控制，但是，晶界类型仅局限于倾侧晶界或混合晶界，依旧无法全面系统地开展有针对性的研究工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种镍基单晶高温合金中不同类型稳定晶界的制备方法，通过切取不同取向籽晶向镍基单晶高温合金中引入不同类型与角度的稳定人工晶界，该方法可在单晶高温合金中精确地制备指定类型及特定角度的人工晶界。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种镍基单晶高温合金中不同类型稳定晶界的制备方法，该方法通过切取不同取向的一对籽晶以及对籽晶摆放方向进行调整，并采用Bridgman定向凝固工艺，在镍基单晶高温合金中形成所需类型和角度的人工晶界。该方法包括如下步骤：

(1)从单晶高温合金板上切取具有特定取向的一对圆柱状籽晶；籽晶切取方向与籽晶特定取向相同或呈所需角度，所切取的两个籽晶的尺寸相同。

(2)将圆柱状籽晶随形机加至其具有金属光亮表面，使用金相腐蚀剂对籽晶表面进行腐蚀，以再次确认枝晶取向与角度；随后将籽晶置入酒精中并使用超声波清洗仪处理待用；

(3)将两个籽晶按照所需方向分别置入型壳底部的双晶板的籽晶口，并将涂料注入籽晶口内壁与籽晶之间的空隙中，涂料注入高度不小于3mm，对籽晶进行固定；待涂料凝固后，将暴露在外籽晶口外的籽晶表面清理干净；

(4)使用步骤(3)中装配好籽晶的带有双晶板的型壳，采用Bridgman定向凝固工艺，获得含有所需要类型和角度晶界的镍基单晶高温合金。

该方法中，通过调整从单晶高温合金板上切取籽晶的取向，以及调整籽晶置入双晶板上籽晶口的方向，实现不同类型晶界的制备。

该方法中，通过从单晶高温合金板上切取籽晶的取向，以及籽晶置入双晶板上籽晶口的旋转角度，实现0～90°晶界的制备。

该方法能够在镍基单晶高温合金中形成的晶界类型为倾侧Ⅰ类晶界、倾侧Ⅱ类晶界或扭转类晶界。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明开发了一种通过切取不同取向籽晶向镍基单晶高温合金中引入稳定不同类型与角度人工晶界的方法，适用于全面评估单晶高温合金中小角晶界稳定性以及镍基单晶合金对小角晶界容限等，具有重要的科学意义及工程价值。

2、通过切取不同取向的籽晶并对籽晶摆放角度进行调整，可精确地制备指定类型及特定角度的人工晶界，从而解决了使用传统工艺针对不同类型晶界制备、提取以及检测难的问题。

3、结合单晶高温合金自身具有枝晶结构的特点，本发明可精确制备两种倾侧类晶界和一种扭转类晶界。

4、本发明可精确控制所制备晶界的角度，实现0～90°范围内任意选择。

5、本发明工艺简单可控、对设备要求低，成本低廉，并可用于其它单晶合金的人工晶界制备，适用范围广。

附图说明

图1为具有枝晶结构的镍基单晶高温合金晶界分类示意图；其中：(a)倾侧Ⅰ类晶界两侧枝晶状态；(b)倾侧Ⅱ类晶界两侧枝晶状态；(c)扭转类晶界两侧枝晶状态；

图2为倾侧Ⅰ类晶界籽晶制备及安装示意图；

图3为使用籽晶制备的DD10单晶高温合金人工倾侧Ⅰ类晶界金相组织；其中：(a)(001)面；(b)(100)面；

图4为使用籽晶制备的DD10单晶高温合金人工倾侧Ⅰ类晶界扫描电镜形貌组织；其中：(a)(001)面；(b)晶界周围组织局部放大；

图5为制备的角度为θ倾侧Ⅰ类稳定人工晶界TEM组织；其中：(a)TEM晶界及周围组织形貌；(b)晶界处HRTEM形貌；(c)图5(b)中选区A的放大组织；

图6为倾侧Ⅱ类晶界籽晶制备及安装示意图；

图7为使用籽晶制备的DD10单晶高温合金人工倾侧Ⅱ类晶界金相组织；其中：(a)(100)面；(b)(001)面；

图8为使用籽晶制备的DD10单晶高温合金人工倾侧Ⅱ类晶界扫描电镜形貌组织；其中：(a)(100)面；(b)晶界周围组织局部放大；

图9为扭转类晶界籽晶制备及安装示意图；

图10为使用籽晶制备的DD10单晶高温合金人工扭转类晶界金相组织；其中：(a)(010)面；(b)(001)面；

图11为使用籽晶制备的DD10单晶高温合金人工扭转类晶界扫描电镜形貌组织；其中：(a)(010)面；(b)晶界周围组织局部放大；

图12为制备的角度为θ扭转类稳定人工晶界TEM组织；其中：(a)TEM晶界及周围组织形貌；(b)晶界处HRTEM形貌；(c)图12(b)中选区B的放大组织；

图13为含不同角度倾侧Ⅰ类晶界DD10单晶高温合金双晶板宏观腐蚀照片；其中：(a)双晶板正面；(b)5°双晶板横截面。

具体实施方式

按照晶界两侧晶格的旋转方式不同，可将晶界分为倾侧晶界和扭转晶界两类。结合单晶高温合金具有枝晶结构的特点，可将单晶高温合金中的晶界进一步细分为倾侧Ⅰ类、倾侧Ⅱ类、扭转晶界三类，其晶界两侧晶格的旋转方式以及枝晶排列状态如图1所示。

下面结合实施例和附图对本发明进一步描述。

以下各实施例均选取第一代抗热腐蚀镍基单晶高温合金DD10为对象进行描述。

实施例1：

本实施例为制备DD10单晶高温合金中角度为θ的倾侧Ⅰ类稳定人工晶界的方法。

从取向理想的单晶高温合金板上沿[001]方向切取圆柱状籽晶棒，并使用线切割在切取单晶棒的一端截面上沿[100]方向做好标记，如图2所示。继续使用线切割将籽晶棒切割成籽晶，并在每个籽晶截面上严格执行沿[100]方向做好标记。将切取的相邻籽晶组合成籽晶对并机加至具有金属光亮表面的籽晶，使用金相腐蚀剂对籽晶表面进行腐蚀，再次确认枝晶取向与角度。随后将籽晶置入酒精中使用超声波清洗仪处理待用。将等高的籽晶对标记面朝上，且使标记线同向保持平行装入双晶板籽晶口，选择其中一个籽晶以[001]方向为轴，稳定旋转角度θ(见图2)，将涂料沿籽晶口和籽晶间隙灌入约3mm高度，对籽晶进行固定，待涂料凝固后，将暴露在外的籽晶截面清理干净。使用装好籽晶的双晶板型壳，采用Bridgman定向凝固工艺，最终得到含角度为θ的倾侧Ⅰ类稳定人工晶界DD10镍基单晶高温合金。

对获得角度为θ的倾侧Ⅰ类稳定人工晶界进行检测，金相观察显示(图3)，枝晶差异面为(001)面，二次枝晶角度差为θ。此时一次枝晶角度差约为1°左右。进一步使用扫描电子显微镜观察发现，晶界两侧γ′相排列角度差为θ(图4)。对制备的倾侧Ⅰ类稳定人工晶界处原子排列状态进行表征(图5)，倾侧晶界是由两侧刃位错所夹的阶梯状过渡区所组成的。

实施例2：

本实施例为制备DD10单晶高温合金中角度为θ的倾侧Ⅱ类稳定人工晶界的方法。

准备理想的单晶高温合金板，沿[001]方向，向[010]方向倾斜角度θ/2切取圆柱状籽晶棒，并使用线切割在切取单晶棒的一端截面上沿[100]方向做好标记，如图6所示。继续使用线切割将籽晶棒切割成籽晶，并在每个籽晶截面上严格执行沿[100]方向做好标记。将切取的相邻籽晶组合成籽晶对机加至具有金属光亮表面的籽晶，使用金相腐蚀剂对籽晶表面进行腐蚀，再次确认枝晶取向与角度。随后将籽晶置入酒精中使用超声波清洗仪处理待用。将等高的籽晶对标记面朝上，且使两个标记线保持平行且呈对向装入双晶板籽晶口，即两个籽晶的[001]方向夹角为θ(见图6)，将涂料沿籽晶口和籽晶间隙灌入约3mm，对籽晶进行固定，待涂料凝固后，将暴露在外的籽晶截面清理干净。使用装好籽晶的双晶板型壳，采用Bridgman定向凝固工艺，最终得到含角度为θ的倾侧Ⅱ类稳定人工晶界DD10镍基单晶高温合金。

对获得角度为θ的倾侧Ⅱ类稳定人工晶界进行检测，金相观察显示(图7)，枝晶差异面为(100)面，一次枝晶角度差为θ。此时二次枝晶角度差约为1°左右。进一步使用扫描电子显微镜观察发现，晶界两侧γ′相排列角度差为θ(图8)。

实施例3：

制备DD10单晶高温合金中角度为θ的扭转类稳定人工晶界的方法。

准备理想的单晶高温合金板，沿[001]方向，向[010]方向倾斜角度θ/2切取圆柱状籽晶棒，并使用线切割在切取单晶棒的一端截面上沿[100]方向做好标记，如图9所示。继续使用线切割将籽晶棒切割成籽晶，并在每个籽晶截面上严格执行沿[100]方向做好标记。将切取的相邻籽晶组合成籽晶对机加至具有金属光亮表面的籽晶，使用金相腐蚀剂对籽晶表面进行腐蚀，再次确认枝晶取向与角度。随后将籽晶置入酒精中使用超声波清洗仪处理待用。将等高的籽晶对标记面朝上，且使两个标记线呈反向并保持平行装入双晶板籽晶口(见图9)，将涂料沿籽晶口和籽晶间隙灌入约3mm，对籽晶进行固定，待涂料凝固后，将暴露在外的籽晶截面清理干净。使用装好籽晶的双晶板型壳，采用Bridgman定向凝固工艺，最终得到含角度为θ的扭转类稳定人工晶界DD10镍基单晶高温合金。

对获得角度为θ的扭转类稳定人工晶界进行检测，金相观察显示(图10)，枝晶差异面为(010)面，一次枝晶角度差为θ。此时二次枝晶角度差约为1°左右。进一步使用扫描电子显微镜观察发现，晶界两侧γ′相排列角度差为θ(图11)。对制备的扭转类稳定人工晶界处原子排列状态进行表征(图12)，可见扭转晶界是由两侧螺位错所夹阶梯状单排原子组成的。

实施例4：

开展DD10单晶高温合金不同角度倾侧Ⅰ类稳定人工晶界制备。

从取向理想的单晶高温合金板上沿[001]方向切取圆柱状籽晶棒，并使用线切割在切取单晶棒的一端截面上沿[100]方向做好标记，如图2所示。继续使用线切割将籽晶棒切割成籽晶，并在每个籽晶截面上严格执行沿[100]方向做好标记。将切取的相邻籽晶组合成籽晶对机加至具有金属光亮表面的籽晶，使用金相腐蚀剂对籽晶表面进行腐蚀，再次确认枝晶取向与角度。随后将籽晶置入酒精中使用超声波清洗仪处理待用。将等高的籽晶对标记面朝上，且使标记线同向保持平行装入双晶板籽晶口，选择其中一个籽晶以[001]为轴，分别稳定旋转角度5°、10°和15°，将涂料沿籽晶口和籽晶间隙灌入约3mm，对籽晶进行固定，待涂料凝固后，将暴露在外的籽晶截面清理干净。使用装好籽晶的双晶板型壳，采用Bridgman定向凝固工艺，最终分别制备三块不同角度的倾侧Ⅰ类稳定人工晶界DD10镍基单晶高温合金双晶板。

使用盐酸双氧水溶液对获得的三块不同角度的倾侧Ⅰ类稳定人工晶界DD10镍基单晶高温合金双晶板进行宏观腐蚀，如图13。可见，使用当前工艺制备的人工晶界基本处于双晶板中央位置，且有随晶界角度的增加，晶界两侧晶粒衬度差越显著的状态(符合金属晶粒各向异性规律)。对含5°倾侧Ⅰ类DD10镍基单晶高温合金双晶板进行解剖，取其横截面并进行腐蚀，观察到晶界连续并完整，如图13所示。