论文概述
为满足先进航空发动机发展需求，航空发动机涡轮叶片的结构日趋复杂，并且作为航空发动机涡轮叶片首选材料的单晶高温合金中高熔点合金元素含量不断增加，由此导致单晶高温合金涡轮叶片制备过程中结晶缺陷形成倾向增大。本论文以单晶高温合金定向凝固过程中出现的一种晶体缺陷——雀斑为讨论对象，综述了近年来在雀斑形成机制、判据模型及其控制方法相关研究工作，分析了合金成分、铸件结构、定向凝固工艺和结晶取向对雀斑形成的影响。
雀斑是单晶涡轮叶片制造过程中形成的平行于晶体生长方向的链状、细小等轴晶粒。如图1所示，由于宏观腐蚀后缺陷表面呈现明显的斑点状，被称为雀斑。由于其宏观偏析的本质，雀斑一旦在单晶涡轮叶片上形成便不能通过后续的热处理来消除，对叶片的力学性能产生很大的影响。图2所示为雀斑形成机理示意图，目前普遍认为雀斑是由于定向凝固过程中元素偏析导致糊状区的液相密度低于凝固前沿液相密度，当密度差达到一定程度后形成液相对流通道，熔断或破碎的枝晶碎片在通道内凝固形成雀斑缺陷。
图1 雀斑宏观组织图
图2 雀斑形成机理示意图[1]
目前，关于雀斑的研究主要集中在两个方面，一方面是通过数值模拟与数学解析的方法研究定向凝固过程合金液体的对流情况并推导相关的雀斑形成判据，另一方面是通过实验和模拟的方法研究影响雀斑形成的因素。
国内外研究者建立了多种模型来预测和控制单晶高温合金定向凝固过程中雀斑的形成。第一类预测模型主要是考虑工艺参数的预测模型；第二类预测模型是基于流体动力学理论发展而来的瑞利数（Rayleigh number）模型。瑞利数表示的是合金液体对流的驱动力与阻力的比值，所以存在临界瑞利数值Racrit；当实际瑞利数Ra大于临界Racrit时，合金液体就会发生对流从而导致雀斑的形成。许多研究者根据自己的工作推导出瑞利数模型,其基本形式如式(1)所示：
式中：DT是热扩散系数；η是动力学黏度系数；g是重力加速度；ρ0为凝固前沿合金液体密度；∆ρ为凝固前沿的合金液体密度ρ0与糊状区中的合金液体密度ρ的差值；K为枝晶间合金液体的渗透率，主要与一次、二次枝晶间距相关，h为特征长度。
合金成分影响合金的凝固温度区间，并且直接决定了合金液体的密度和合金元素的偏析情况，对合金液体对流及随后雀斑的形成有重要的影响，目前关于合金元素对雀斑形成影响的认识较为一致的是合金元素Re，W，Mo促进雀斑的形成，Ta，C等抑制雀斑的形成，而关于其他元素对雀斑形成的影响还缺少相关研究工作。
关于工艺参数对雀斑形成的影响目前主要集中在温度梯度和抽拉速率上，研究结果如图3所示，目前普遍认为，随着抽拉速率和温度梯度的增加，雀斑形成的倾向性增大。但目前关于其他相关工艺参数，如浇铸温度等对雀斑形成的影响还未见报道。
图3 温度梯度及抽拉速率对单晶高温合金雀斑形成的影响[2]
铸件的结构尺寸对雀斑的形成有重要的影响，国内研究者对铸件结构对雀斑形成的影响进行了大量的研究，认为雀斑易于产生在铸件的棱角部位而不是平滑表面上，铸件外形台阶式地突然扩张和缩小会分别抑制和促进雀斑形成，雀斑易于产生在向内倾斜而不是向外倾斜的铸件表面上，叶片曲率为正的外凸曲面出现严重的雀斑缺陷，而曲率为负的内凹曲面却毫无雀斑。
总结
判定雀斑形成倾向大小的瑞利数模型综合考虑了合金成分、凝固工艺等对合金液对流的影响，但未考虑铸件结构、晶体取向等因素的影响，难以准确预测复杂结构单晶涡轮叶片雀斑的形成。所以，需要结合数值模拟方法，并综合考虑合金成分、凝固工艺、铸件结构、晶体取向等因素对雀斑形成的影响，发展更加准确的雀斑预测模型。
在合金成分方面，目前对个别合金元素影响雀斑形成的机制认识还存在不同的观点，需要针对不同的合金体系开展相关研究，并充分考虑合金元素之间的相互作用，进一步明确合金元素的作用机理。
在凝固工艺方面，目前研究集中在定向凝固过程中温度梯度和抽拉速率对雀斑形成的影响，但缺乏浇注温度等影响的研究，需要全面研究凝固过程各参数对雀斑形成的影响规律。
在铸件结构方面，目前主要针对简单结构的单晶铸件开展了雀斑形成倾向的影响研究，但缺少复杂结构叶片雀斑形成的相关研究，需要进一步研究复杂结构单晶涡轮叶片雀斑形成倾向的影响规律，为复杂结构单晶涡轮叶片雀斑的预测与控制提供理论指导。
参考文献：
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[2]SCHADT R,WAGNER I,PREUHS J，et al. New aspects of freckle formation during single crystal solidification of CMSX-4[C]//Superalloys 2000，Proceedings of the 9th International Symposium on Superalloys. Pennsylvania：TMS，2000：211-218.
作者信息
王志成,李嘉荣,刘世忠,赵金乾,史振学,王效光,杨万鹏,岳晓岱
中国航发北京航空材料研究院 先进高温结构材料重点实验室, 北京 100095
收稿日期: 2020-12-08;修订日期: 2021-03-03
基金项目: 国家科技重大专项（2017-VI-0001-0070）
通讯作者:李嘉荣(1962-), 男, 研究员, 博士, 长期从事单晶高温合金研究, 联系地址: 北京市81信箱8分箱(100095),E-mail:jrli126@126.com.
原文刊载于【材料工程】公众号
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