鎳基單晶高溫合金, 是制造先進航空發(fā)動機渦輪葉片的關鍵材料。為了提高單晶高溫合金的承溫能力，需要增大合金中難熔元素的比例，這容易造成合金在定向凝固過程中產生雀斑、雜晶等缺陷, 尤其是大尺寸鑄件的鑄造缺陷問題更為明顯。傳統(tǒng)的高速凝固法由于溫度梯度低的問題，容易產生顯微孔洞，顯微孔洞破壞了基體的連續(xù)性, 在變形過程中造成應力集中, 嚴重危害合金的使用性能。
為了減少鎳基單晶高溫合金中顯微孔洞，中國科學院金屬研究所采用液態(tài)金屬冷卻新工藝(Liquid Metal Cooling,LMC)，并針對一種自行研發(fā)的含Re質量分數(shù)為4%的第三代鎳基單晶高溫合金, 實驗對比了LMC工藝與傳統(tǒng)的高速凝固法所獲材料的顯微缺陷情況，證明LMC工藝優(yōu)于傳統(tǒng)的高速凝固法。
實驗表明，用兩種工藝制備的合金鑄態(tài)組織都由灰色的γ相枝晶干和白亮色γ/γ′共晶相組成。與傳統(tǒng)工藝相比, LMC工藝制備的合金一次枝晶間距顯著降低, 共晶的體積分數(shù)也顯著增多。統(tǒng)計結果表明, 采用LMC工藝后合金的一次枝晶間距從350 mm降低至210 mm, 而共晶的體積分數(shù)從5%增加到10%。與傳統(tǒng)工藝相比, 用LMC工藝制備的合金中元素的偏析系數(shù)都更加趨近于1, 如Re元素的偏析系數(shù)從2.5降到2, Ta元素的偏析從0.7升高至0.9。經統(tǒng)計, 用傳統(tǒng)和 LMC工藝制備的合金中鑄態(tài)孔的體積分數(shù)分別為0.08%和 0.01%。在用兩種工藝制備的合金中, 鑄態(tài)孔的數(shù)量都隨孔徑的增加而逐漸減少，但是在用LMC工藝制備的合金中鑄態(tài)孔的最大孔徑顯著降低, 從40 mm降低至20 mm, 而且孔的數(shù)量也減少。
鑄態(tài)合金經過1330℃/10 h固溶處理后顯微組織的觀察表明，固溶處理后合金沒有出現(xiàn)初熔, 但小孔的數(shù)量增加。用傳統(tǒng)工藝制備的合金中顯微孔洞的體積分數(shù)增加了0.06% (從0.08%增加到0.14%), 而用LMC工藝制備的合金中顯微孔洞的體積分數(shù)僅增加0.03% (從0.01%增加到0.04%)。
研究表明，鑄態(tài)孔的形成是由于在定向凝固過程中枝晶間的殘余液相被凝固的枝晶干包圍, 氣體無法排出或液相得不到有效補縮的結果。當張開孔洞的壓力大于閉合孔洞的壓力時,就會產生孔洞。鑄態(tài)孔形成的難易程度主要受糊狀區(qū)壓降的影響, 糊狀區(qū)的壓降越小越不容易產生縮孔。在凝固末期, 枝晶間的空隙尺寸和γ/γ′共晶的體積分數(shù)成正比, 共晶體積分數(shù)越大枝晶間的殘余液相越多,壓降越小。由于LMC工藝制備的合金中共晶體積分數(shù)高于傳統(tǒng)工藝制備的合金, 使得枝晶間的空隙尺寸增加, 降低壓降, 補縮壓力增加, 從而抑制縮孔的產生。由于LMC工藝制備的合金中枝晶的細化與合金元素的枝晶偏析程度顯著減輕, 因此,經過固溶處理后, 相對傳統(tǒng)工藝，用 LMC 工藝制備的合金中元素間不平衡擴散程度下降, 從而使固溶孔的體積分數(shù)顯著低于傳統(tǒng)工藝制備的合金。