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1 前言
喷射成形技术因其独到的快速凝固组织特性和近终形成形特点日益受到重视,对喷射成形冷却效果的估计和评价无论在理论上还是实际应用中都有重要意义,也是相关研究者十分关注的问题。一般而言,喷射成形材料的组织形成经历了雾化飞行过程中的快速凝固、沉积固结时半液态层中的凝固以及固态阶段的缓慢冷却三个不同阶段,而不同阶段冷却速度的差别很大[1,2]。显然,用上述三个冷却阶段中的任何一个来表征喷射成形材料的冷却效果都是不合适的。快速凝固材料的一个基本特征是合金固溶度的增大[3～5],因此,可以从材料固溶度或晶格常数变化的角度来评价材料的快速凝固效果。基于此,本文对镍基高温合金沉积态材料冷却速度或称综合冷却效果进行了评定,并对沉积态材料晶格常数与固溶度变化进行了分析。
2 试验与分析方法
合金制备采用多功能雾化喷射成形装置进行,氩气保护熔炼,高纯氮气雾化,基本工艺参数是:导液管直径为4 2ｍｍ,沉积距离为450ｍｍ,合金过热度为150℃,雾化压力1 5ＭＰａ。
所研究粉末和沉积锭的Ｘ射线衍射分析在Ｄ ＭＡＸ ＲＢ型Ｘ射线衍射仪上进行。衍射条件为:ＣｕＫα衍射(λ=0 154157ｎｍ),电压50ｋＶ,电流100ｍＡ,扫描范围2θ:40～142°。为提高点阵常数测量精度,采用高角度的(331)晶面并用标准Ｓｉ粉末标样校正。
3 结果与讨论
图1为不同冷却速度下本文试验合金沉积态和三种不同粒度范围粉末的ＸＲＤ曲线。在此四种状态所对应的冷却速度范围内,合金的相组成没有任何改变,但三种粒度粉末的衍射角位置呈现一定的规律性变化,即随粉末粒度的细化,衍射角向小角度偏移,晶格常数增大。沉积锭ＸＲＤ曲线所对应的衍射角大于最粗的粉末而小于两种较细粉末,这就意味着其冷却效果并不小于所有粒度的雾化粉末。而文献[1]的数值模拟结果表明,不同粒度粉末的冷却速度均在104Ｋ/ｓ数量级以上。因此根据所观察到的ＸＲＤ初步分析结果,可以认为沉积锭具有较高的快速凝固效果。
图2为点阵常数精确测定曲线中(331)晶面衍射峰的放大,可以清楚地观察到粉末峰宽随冷却速度增大而宽化的现象,同时衍射线条的峰位向小角度移动,即晶面间距逐渐变小,点阵常数逐渐变大。与图1的结果相似,沉积锭的ＸＲＤ曲线变化规律仍在粗、细粉末之间,所测得的点阵常数为0 35849ｎｍ。
图3为作者对不同粒度粉末所做的冷速度的数值计算结果[3]。将三种粒度范围粉末的晶格常数与其冷却速度的对应关系绘于图4,可见在对数坐标下二者基本呈现线性对应关系,晶格常数随着冷却速度的增大而增大。既然沉积态材料的晶格常数在图4所表示的晶格常数范围内,那么当认为材料晶格常数仅与冷却速度相关时可由该图得到一个冷却速度值,即曲线与由纵坐标值为0 35849ｎｍ(所测沉积锭晶格常数值)处所引水平线的交点,当前工艺条件下为3 5×104Ｋ/ｓ。这里的冷却速度不妨称之为喷射成形锭的综合冷却速度。综合冷却速度的概念可认为是对喷射成形过程中冷却效果的总体描述,受到合金性质以及沉积速率、沉积距离、喷射温度、雾化气体压力、沉积基板预热温度等多个工艺参数的影响,由于喷射成形工艺适宜的固相分数在0 6～0 8之间,在雾化过程中已有大部分熔滴处于固态与半固态,这就意味着喷射成形材料的平均冷却速度更多地受到雾化过程而非沉积过程和固态冷却过程的影响,这也是沉积态材料具有较高平均冷却速度的原因。
晶格常数随冷却速度增大而增大的现象说明晶格发生了膨胀,并将引起材料的晶格畸变。晶格畸变对合金强化有重要影响。对于立方晶系有如下关系[6]:
Δｄｄ=Δａａ
式中:ｄ、ａ分别为晶面间距和晶格常数,Δｄ、Δａ分别为晶面间距和晶格常数变化量。Δａ=ａ-ａ0,ａ0为纯溶剂的晶格常数。由此不难得出晶格畸变随冷却速度的变化规律。显然,随着冷却速度的增大,合金的晶格畸变程度增大,这与晶格常数随冷却速度的变化关系相对应。
上述变化可由冷却速度增高所导致的固溶度增大现象来解释。快速凝固过程因固/液界面移动速度大于溶质扩散速度使得部分溶质被向前推进的固相所淹没(捕获),表现为固溶度的增大。表1为主要合金元素与基体元素Ｎｉ在原子直径上相差的百分数[5],表2为有关元素进入基体γ相和γ′相的分配比例[6]。可见上述元素中除Ｃ和Ｂ外直径均大于Ｎｉ原子,而Ｃ和Ｂ并不进入基体,对晶格常数没有明显影响;其中的Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ主要进入(γ′相;而Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ则以进入基体(γ相)为主,此三元素分别较Ｎｉ原子直径大3%,1%和12%。它们进入基体后将导致晶格膨胀,点阵常数增大。在快速凝固条件下,由于过饱和固溶度的增大及更多的固溶元素可以进入基体,必然结果是较常规成形方法点阵畸变程度增大。显而易见,点阵常数随冷却速度的增加而增加。喷射成形高温合金所具有的快速凝固效果使之可能因固溶度提高而拥有良好的性能。
4 结论
采用综合冷却速度概念来表征和评价喷射成形过程的冷却和快速凝固效果,综合冷却速度与合金性质和诸多工艺参数有关。本文工艺条件下沉积态材料的综合冷却速度为104Ｋ/ｓ数量级,表现出良好的快速凝固效果。喷射成形过程较快的冷却速度对合金晶格常数、晶格畸变以及固溶度有显著影响,喷射成形高温合金具有较高的合金固溶度,预示其因固溶强化作用的增强而提高的性能。
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