卜 昆，邱 飛，王志紅，田國良，張現(xiàn)東

（西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072）

卜 昆

博士，教授，博士生導(dǎo)師。近年來，先后主持和承擔(dān)了教育部基金、863計(jì)劃項(xiàng)目、科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、橫向課題等20余項(xiàng)科研項(xiàng)目。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助技術(shù)、現(xiàn)代集成制造、精密熔模鑄造技術(shù)、數(shù)字化裝配技術(shù)、成形加工過程的仿真優(yōu)化。

空心渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，長期服役在高熱沖擊和復(fù)雜的循環(huán)熱應(yīng)力的工況下，其制造工作量占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的30%[1-2]。20世紀(jì)90年代以來，伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比的要求，復(fù)合氣膜冷卻的單晶渦輪葉片的設(shè)計(jì)與制造逐漸成為制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的核心技術(shù)，也是目前國內(nèi)公認(rèn)的重大技術(shù)難題[3-4]。隨著設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的Bridgman鑄造技術(shù)低效率、無法滿足大尺寸單晶葉片鑄造、低溫度梯度等缺陷不斷被放大，無法滿足現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)單晶葉片的需求。因此新的鑄造技術(shù)LMC逐漸發(fā)展，但受限于目前冷卻液的成本問題及部分冶金缺陷限制，并未實(shí)現(xiàn)單晶葉片鑄造的產(chǎn)業(yè)化[5]。

單晶葉片生產(chǎn)及運(yùn)輸過程中，普通的磕碰會(huì)引起局部的應(yīng)力集中，同時(shí)產(chǎn)生輕微的塑性變形，導(dǎo)致該區(qū)域在熱處理過程中發(fā)生再結(jié)晶[6]。此外，由于葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的需要，增加很多橫向肋，這使得葉片設(shè)計(jì)過程中部分過渡連接區(qū)域不可避免地留下了一些應(yīng)力相對(duì)集中的區(qū)域，這些區(qū)域在固溶處理時(shí)也會(huì)誘發(fā)再結(jié)晶的形成[7]。從這些引起再結(jié)晶的原因出發(fā)，在嚴(yán)格管控單晶葉片運(yùn)輸過程的前提下，通過調(diào)整單晶葉片應(yīng)力水平成為降低再結(jié)晶發(fā)生率的一種新方法。通常再結(jié)晶的發(fā)生出現(xiàn)在熱處理階段以及高溫的工作狀態(tài)下，受到高溫的激發(fā)，殘余應(yīng)力釋放促進(jìn)新的晶粒形成。對(duì)于單晶葉片而言，由于合金中不含晶界強(qiáng)化元素，因此再結(jié)晶區(qū)域成為葉片的薄弱環(huán)節(jié)[8]。目前，針對(duì)再結(jié)晶的控制研究人員主要通過控制冷變形產(chǎn)生的塑性變形和隨后的熱處理過程，以降低再結(jié)晶的產(chǎn)生幾率，而通過調(diào)控應(yīng)力的方式控制再結(jié)晶的方法鮮見報(bào)道。

因此，針對(duì)單晶葉片制造技術(shù)及再結(jié)晶的研究，具有十分重要的意義。隨著葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加，其制造技術(shù)難度成倍增加，其中再結(jié)晶的消除逐漸成為發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵問題。

單晶葉片制造技術(shù)發(fā)展

1 單晶葉片結(jié)構(gòu)研究

伴隨著先進(jìn)作戰(zhàn)飛機(jī)高推重比的要求，渦輪前進(jìn)氣口溫度顯著提高[9]，單晶葉片由于其良好的承溫能力、抗蠕變、抗熱疲勞、抗氧化性以及抗腐蝕性等能力，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)饽軝C(jī)上得到廣泛應(yīng)用。近40年來航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料從普通的高溫合金發(fā)展到第五代鎳基單晶高溫合金，其結(jié)構(gòu)也從最初的實(shí)心葉片鑄件過度到雙層壁超冷/鑄冷渦輪葉片（圖1）[10]。自20世紀(jì)80年代第一代單晶高溫合金（PW A1480等）成功應(yīng)用于F100航空發(fā)動(dòng)機(jī)[11]，在過去的30年里，單晶高溫合金的研究呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，在全球范圍能夠生產(chǎn)用于航空航天葉片的企業(yè)主要集中于美、英、日等國[12]。目前傳統(tǒng)的采用渦流、沖擊和氣膜冷卻的空心葉片逐漸向雙壁復(fù)合冷卻的高效冷卻葉片發(fā)展。Alison 公司應(yīng)用Lamilloy技術(shù)，將帶有復(fù)雜冷卻回路的Lamilloy多孔層板用擴(kuò)散連接方法成形的冷卻結(jié)構(gòu)[13]。該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵制造技術(shù)在于復(fù)雜冷卻回路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和繪制、“照相-腐蝕”或“照相-電解”工藝，也可用激光和電子束等特種工藝加工。美國GE公司也將這種技術(shù)應(yīng)用到單晶葉片的生產(chǎn)過程中[14]。目前，該技術(shù)生產(chǎn)的超冷葉片已應(yīng)用于F119（美）發(fā)動(dòng)機(jī)上[15]。針對(duì)推重比15的發(fā)動(dòng)機(jī)，研究超級(jí)冷卻結(jié)構(gòu)的單晶腹板空心葉片。

2 單晶葉片鑄造技術(shù)發(fā)展

伴隨著鑄造技術(shù)與材料的發(fā)展，單晶渦輪葉片的性能得到極大提高。單晶材料的制造技術(shù)自1926年傳統(tǒng)的Bridgman定向凝固工藝[16]研發(fā)以來，單晶鑄造技術(shù)的發(fā)展主要集中于提高凝固前沿的溫度梯度[17]。根據(jù)這一發(fā)展方向，1974年Laux等研發(fā)了高速定向凝固技術(shù)（HRS）[18]，隨后1976年Giamei等[19]研發(fā)了液態(tài)金屬冷卻技術(shù)（LMC）。進(jìn)入近代Konter等[20]發(fā)展了氣體冷卻鑄造技術(shù)（GCC）,此后，根據(jù)鑄件的成形要求，研究者在定向凝固基礎(chǔ)上又相繼發(fā)展了區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻定向凝固法（ZLMC）[21]、電磁約束成形技術(shù)[22]等新的定向凝固技術(shù)。盡管近年來定向凝固技術(shù)的裝備得到極大的發(fā)展，但應(yīng)用于單晶葉片實(shí)際生產(chǎn)的定向凝固技術(shù)，仍只有傳統(tǒng)的Bridgman方式發(fā)展起來的有限的幾種鑄造技術(shù)。

圖1 渦輪葉片材料選擇發(fā)展Fig.1 Development of selected materials for different generation turbine blades

單晶葉片的組織中消除了所有的晶界，使葉片的性能實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化。目前世界上一直在使用傳統(tǒng)的Bridgman方式生產(chǎn)單晶葉片[16]。這種鑄造技術(shù)的特點(diǎn)是，澆注后的模殼從爐子的高溫區(qū)穿過輻射擋板抵達(dá)低溫區(qū)，鑄造設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，工藝穩(wěn)定可靠，且發(fā)展相當(dāng)成熟，特別適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等小型鑄件。在此基礎(chǔ)上，工程研究人員進(jìn)一步開發(fā)了液態(tài)金屬冷卻，這種方法與Bridgman工作方式基本類似，只是將鑄型按照一定的速度拉出爐體，浸入液態(tài)金屬液中，常見的液態(tài)金屬有Ga-In合金和Sn液。前者熔點(diǎn)低但是價(jià)格貴，只適用于實(shí)驗(yàn)室小尺寸試樣。相較于傳統(tǒng)的Bridgman工藝，這種液態(tài)金屬冷卻工藝即LMC工藝，極大地提高了溫度梯度。兩種工藝方式具體形式如圖2所示[23]。Carter等[24]通過對(duì)CMSX-4合金定性凝固的實(shí)際測試表明，激冷板附近的溫度梯度可達(dá)200K/cm以上，而距離25cm的葉片端部則降為20K/cm。然而單純增加溫度梯度雖然達(dá)到提高凝固速率的目的，但是并不能滿足鑄件各處對(duì)凝固條件的不同需求。因此LMC工藝目前仍主要應(yīng)用于大型葉片的定向凝固而非制備單晶[25]。目前Bridgman方式仍是單晶葉片制備過程的首選。

由于Bridgman定向凝固技術(shù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，工藝穩(wěn)定，因此國內(nèi)其他類型的葉片也多采用這種技術(shù)的爐子進(jìn)行生產(chǎn)。近期的研究結(jié)果顯示，單晶葉片在更大的溫度梯度下，對(duì)其組織更有利，且可以抑制一些由于溫度梯度過低帶來的鑄造缺陷，如雀斑、晶粒偏離方向等[23]。特別是近年來，由于單晶高溫合金添加了大量難熔元素，使得其結(jié)晶溫度間隔增大、偏析加劇[26]。此外，伴隨著大尺寸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片制備的發(fā)展，Bridgman技術(shù)暴露出溫度梯度隨凝固過程進(jìn)行很快下降的固有缺陷，使大尺寸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片很難在定向凝固設(shè)備上實(shí)現(xiàn)[24]。因此國內(nèi)對(duì)大尺寸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片制造開始嘗試采用LMC的方式進(jìn)行生產(chǎn)。其中西北工業(yè)大學(xué)早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始采用LMC工藝在實(shí)驗(yàn)室條件下研究高溫合金的凝固技術(shù)[27]，并研發(fā)了小型中試設(shè)備。2003年中科院金屬研究所研制出國內(nèi)首個(gè)工程化LMC設(shè)備[28]。不過國內(nèi)的LMC工藝研究還處在工程應(yīng)用的初級(jí)階段，對(duì)如何產(chǎn)業(yè)化還缺乏深入研究。

圖2 Bridgman/LMC定向凝固裝置Fig.2 Bridgman/LMC directional solidification device

綜上，根據(jù)定向凝固技術(shù)的發(fā)展，可發(fā)現(xiàn)其發(fā)展主線是沿著提高溫度梯度，增加冷卻速率的方式進(jìn)行的。然而針對(duì)單晶葉片的生產(chǎn)，隨著設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，單晶葉片生產(chǎn)的定向凝固技術(shù)卻相對(duì)滯后，對(duì)于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的葉片現(xiàn)有的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)精確成形。針對(duì)這一問題，需要研究者在單晶葉片制備工藝研究上不斷深入的同時(shí)，引入更新的控制裝置，極早地實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室向工廠的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型。另外針對(duì)單晶葉片尺寸變化、外界控制參數(shù)對(duì)晶粒長取向和成形質(zhì)量的影響以及元素偏析、再結(jié)晶等組織和缺陷的作用機(jī)理的研究，會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)定向凝固技術(shù)向一種更加經(jīng)濟(jì)化方式發(fā)展，尤其對(duì)單晶葉片的生產(chǎn)而言，即提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提升生產(chǎn)效率。

3 單晶葉片定向凝固選晶技術(shù)發(fā)展

單晶定向凝固過程中的凝固結(jié)晶過程是單晶葉片生產(chǎn)中的重要問題，常見的生成單晶的方式包括籽晶法與選晶法。目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的為選晶法。選晶法中選晶器結(jié)構(gòu)是影響選晶效果的重要因素。傳統(tǒng)的選晶器包括縮頸型、轉(zhuǎn)折型、傾斜型和螺旋型等多種結(jié)構(gòu)[29]。鄭啟等[30]對(duì)螺旋選晶器和多重縮頸結(jié)構(gòu)選晶方式進(jìn)行研究，結(jié)果表明在螺旋選晶器中，晶體橫向擇優(yōu)生長與螺旋結(jié)構(gòu)的耦合作用，形成連續(xù)選晶過程，而在縮頸選晶器中，幾乎只存在單一的機(jī)械阻隔選晶行為，多重縮頸結(jié)構(gòu)對(duì)于改善選晶作用并不明顯，選晶效果不好。目前根據(jù)工程實(shí)際調(diào)研，單晶生產(chǎn)過程中主要通過螺旋選晶的方式進(jìn)行單晶生產(chǎn)。金屬研究所通過大量試驗(yàn)研究表明，螺旋選晶器的選晶段的螺距、螺旋直徑、螺旋厚度、螺旋角等因素對(duì)選晶結(jié)果均有影響[31]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[32]。西北工業(yè)大學(xué)傅恒志團(tuán)隊(duì)結(jié)合試驗(yàn)及元胞自動(dòng)機(jī)模擬技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了單晶葉片選晶工藝的產(chǎn)業(yè)化。實(shí)際生產(chǎn)中，由于凝固條件的復(fù)雜性以及選晶器的形狀差異，選晶器的選晶行為會(huì)有所差別[33]，穩(wěn)定性有待提高。

單晶葉片的再結(jié)晶研究

1 單晶渦輪葉片再結(jié)晶缺陷研究

圖3 螺旋選晶器的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of spiral selector

鎳基單晶高溫合金鑄造完成后，由于結(jié)構(gòu)影響，在熱應(yīng)力作用下部分應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)處于一種亞穩(wěn)態(tài)的高能量狀態(tài)，在熱激活的情況下，會(huì)經(jīng)歷一系列的顯微組織變化過程，從亞穩(wěn)的高能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的低能量狀態(tài)。這期間金屬經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大等變化逐漸成為一個(gè)新的完整的晶粒，這一變化即為再結(jié)晶[34]。隨著單晶材料在航空航天以及地面燃?xì)廨啓C(jī)上的廣泛應(yīng)用，再結(jié)晶逐漸成為一個(gè)不可忽視的問題，由于葉片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在生產(chǎn)及服役過程中易發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著國內(nèi)鎳基單晶葉片的生產(chǎn)質(zhì)量（圖4）。受限于單晶葉片主要應(yīng)用于國防領(lǐng)域，國外對(duì)中國的單晶制造技術(shù)處于封鎖的階段。國內(nèi)葉片生產(chǎn)由于再結(jié)晶引起的葉片裂紋與斷裂故障造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[35-36]，成為我國發(fā)動(dòng)機(jī)研制的瓶頸。針對(duì)這些問題，對(duì)于再結(jié)晶控制的研究顯得極為迫切。

2 單晶葉片再結(jié)晶控制方法研究

2.1 國外對(duì)再結(jié)晶控制的研究

伴隨著再結(jié)晶引起的單晶葉片質(zhì)量問題的加劇，急需針對(duì)葉片再結(jié)晶的控制方法進(jìn)行研究。當(dāng)前國外的研究主要分為兩個(gè)部分，一為通過控制合金及涂層成分達(dá)到抑制或控制再結(jié)晶的目的；二為控制工藝條件實(shí)現(xiàn)抑制再結(jié)晶的方法。其中控制合金及涂層成分抑制再結(jié)晶的方法，是目前研究的熱點(diǎn)之一。由于單晶為去除晶界，針對(duì)合金成分的控制再結(jié)晶的研究主要是針對(duì)C、B、Hf等晶界強(qiáng)化元素的控制。Burgel等[37]研究了C對(duì)CMSX-11B合金再結(jié)晶的影響，結(jié)果表明將0.08%C的合金經(jīng)過1.88%壓縮及固溶處理后，該合金出現(xiàn)了由表面向里發(fā)展的再結(jié)晶晶粒。Okazaki等[38]研究再結(jié)晶對(duì)CM247LC合金與CMSX-4疲勞壽命的影響，結(jié)果顯示再結(jié)晶對(duì)CM247LC合金壽命的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)CMSX-4單晶高溫合金的影響，而通過對(duì)比兩種合金成分，CM247LC中含有C、B及Hf等晶界強(qiáng)化元素，而CMSX-4中只含有0.1%含量的Hf，這表明向合金中添加少量晶界強(qiáng)化元素能夠有效降低再結(jié)晶對(duì)合金性能的影響，但是添加晶界強(qiáng)化元素會(huì)降低合金的初熔溫度，進(jìn)而降低固溶處理溫度，影響了合金的整體性能。因此通過添加晶界強(qiáng)化元素控制再結(jié)晶并不是一種非常有效的手段，只能在一定程度上調(diào)整再結(jié)晶的形成及其對(duì)性能的影響。鑒于該方法的局限性，Okizaki等[39]通過在單晶鑄件的涂層材料中增加B、Hf晶界強(qiáng)化元素的方式降低再結(jié)晶對(duì)性能的影響。除了向合金成分及涂層中添加晶界強(qiáng)化元素調(diào)控再結(jié)晶的方法外，抑制再結(jié)晶的形成，還包含通過調(diào)整工藝的方式控制。目前通過工藝的方式控制或抑制再結(jié)晶主要包含3種方式：（1）預(yù)回復(fù)熱處理，Kortovich等[40]利用回復(fù)熱處理方法避免PW1480鎳基單晶高溫合金在固溶處理過程中發(fā)生再結(jié)晶，發(fā)現(xiàn)回復(fù)熱處理溫度及時(shí)間與試樣表面變形程度相關(guān)。對(duì)不同噴丸強(qiáng)度試樣進(jìn)行不同的回復(fù)熱處理后，結(jié)果顯示，隨著噴丸強(qiáng)度的提高，對(duì)應(yīng)的回復(fù)熱處理溫度也需要提高。（2）變形層的預(yù)處理。定向凝固的單晶高溫合金一般不經(jīng)歷冷變形過程，但是其在生產(chǎn)過程中易發(fā)生偶然的磕碰、吹砂及機(jī)械加工等冷變形，而這些變形層在隨后的熱處理過程中易發(fā)生再結(jié)晶[41]。因此熱處理前通過去除或緩解其變形層的方法可以在一定程度上消除或抑制該區(qū)域的再結(jié)晶。Salkeld等[42]提出在塑性變形程度較小的時(shí)候通過電化學(xué)腐蝕的方式，去除試樣表面的變形層，從而實(shí)現(xiàn)避免在固溶過程中發(fā)生再結(jié)晶的目的。（3）通過管理控制工藝的方式，調(diào)整鑄造過程中產(chǎn)生的能量集中區(qū)域的應(yīng)力，最終實(shí)現(xiàn)抑制再結(jié)晶的目的。

圖4 單晶高溫合金葉片再結(jié)晶缺陷Fig.4 Typical recrystallization defects in single crystal superalloy blade

2.2 國內(nèi)對(duì)再結(jié)晶控制的研究

國內(nèi)針對(duì)單晶葉片再結(jié)晶的研究開始較晚，目前主要停留在針對(duì)再結(jié)晶產(chǎn)生的基理研究，相關(guān)研究表明，針對(duì)單晶材料的再結(jié)晶基理還存在一定的爭議性。而針對(duì)再結(jié)晶的控制方面，研究人員主要通過控制冷變形產(chǎn)生的塑性變形和隨后的高溫過程[43]，以降低再結(jié)晶產(chǎn)生的幾率。目前針對(duì)再結(jié)晶的控制，行之有效的方法尚不明確，仍處于試驗(yàn)階段，并未從再結(jié)晶產(chǎn)生的根源解決問題。由于鎳基單晶高溫合金由十幾種合金元素組成，其各元素之間交互的過程復(fù)雜，很難確定哪種元素是直接影響再結(jié)晶的行程，目前見于報(bào)道的主要合金元素主要有C、W、Re等元素。劉麗容等[44]對(duì)不同含C量的合金再結(jié)晶行為進(jìn)行比較，結(jié)果表明含C合金與不含C合金固溶處理后均出現(xiàn)不同程度的再結(jié)晶，認(rèn)為碳化物雖然對(duì)再結(jié)晶的晶界移動(dòng)起到抑制作用，但當(dāng)驅(qū)動(dòng)力足夠大時(shí)，再結(jié)晶仍可繞過碳化物繼續(xù)遷移。濮晟等[45]研究了W和Re元素對(duì)固溶后鎳基單晶高溫合金變形及再結(jié)晶的影響，結(jié)果顯示，單晶高溫合金變形后位錯(cuò)密度增大，位錯(cuò)纏結(jié)增多，再結(jié)晶形核時(shí)間滯后，即再結(jié)晶孕育期延長，再結(jié)晶深度明顯減小。根據(jù)其研究分析可知，W和Re元素的添加增加了單晶高溫合金的硬度，使其抵抗變形的能力增強(qiáng)，在相同變形力作用下，其變形區(qū)域的變形程度降低，因此再結(jié)晶得到減小。由此可以判斷，基于合金成分調(diào)整再結(jié)晶的形成，其機(jī)理在于通過少量微量元素的添加，改善了合金的力學(xué)性能，從而實(shí)現(xiàn)在固定工藝情況下的再結(jié)晶的相對(duì)降低。

目前針對(duì)單晶葉片的再結(jié)晶的研究主要分成兩部分：（1）通過試驗(yàn)手段控制熱處理工藝或者減弱其塑性變形的方式；（2）數(shù)值模擬的方式，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工藝，對(duì)整個(gè)定向凝固過程進(jìn)行模擬，并針對(duì)特定的再結(jié)晶缺陷進(jìn)行仿真模擬，研究鑄造及熱處理工藝對(duì)單晶材料再結(jié)晶的影響。

基于工藝輔助結(jié)構(gòu)調(diào)整控制再結(jié)晶進(jìn)一步分析可知，所有再結(jié)晶區(qū)域是由于鑄造過程中的熱應(yīng)力或者后期噴丸、吹沙等工藝引起的塑性變形，以及運(yùn)輸過程中的磕碰等引起的局部能量集中，在宏觀上表現(xiàn)為殘余應(yīng)力較大，即所謂的應(yīng)力集中區(qū)域。因此消除再結(jié)晶可以通過控制鑄件初始應(yīng)力水平實(shí)現(xiàn)。根據(jù)此原理，提出了結(jié)合工藝輔助結(jié)構(gòu)的方式調(diào)整殘余應(yīng)力的方式最終實(shí)現(xiàn)對(duì)再結(jié)晶的控制。

以單晶葉片的鑄造工藝為例，可以調(diào)整的工藝參數(shù)主要為預(yù)熱溫度、抽拉速率、保溫時(shí)間等[46]。在不改變單晶葉片生產(chǎn)工藝的情況下，為了調(diào)整單晶葉片的鑄造殘余應(yīng)力，可以借鑒單晶葉片生產(chǎn)工藝中消除雜晶的方法。（1）引晶條技術(shù)[47]，該技術(shù)主要是在單晶鑄造過程中的成分過冷區(qū)域，增加工藝輔助結(jié)構(gòu)引晶條的方式。（2）導(dǎo)熱體技術(shù)，即在凝固的熱障區(qū)增加導(dǎo)熱石墨導(dǎo)體[47]，增加其熱傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)其凝固速率的控制。針對(duì)雜晶的消除，方法（2）顯而易見的優(yōu)于第（1）種方案，主要是該方式不需要后續(xù)的切除過程，同時(shí)形成的單晶質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于引晶條技術(shù)生產(chǎn)的葉片[48]。但是調(diào)整殘余應(yīng)力，方法（1）的作用效果更加明顯。李世峰[49]通過修改結(jié)構(gòu)的方式，修改了單晶葉片榫頭進(jìn)氣窗口圓角半徑，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的應(yīng)力調(diào)控，并最終實(shí)現(xiàn)了再結(jié)晶的控制。借鑒此種修改結(jié)構(gòu)的方法，在葉片上添加工藝輔助結(jié)構(gòu)引晶條，以達(dá)到調(diào)整葉片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的調(diào)控并最終達(dá)到消除再結(jié)晶的目的。該方法主要原理是，根據(jù)單晶材料的拉伸曲線，建立其臨界再結(jié)晶應(yīng)力模型，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)與試驗(yàn)，對(duì)單晶葉片各個(gè)區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)行測量，最終建立單晶葉片的應(yīng)力場分布。根據(jù)應(yīng)力云圖，通過調(diào)整工藝輔助結(jié)構(gòu)即工藝筋的尺寸，結(jié)構(gòu)及布局實(shí)現(xiàn)對(duì)葉身及緣板的應(yīng)力水平調(diào)控直至其低于對(duì)應(yīng)溫度下的臨界再結(jié)晶應(yīng)力。

綜上，針對(duì)再結(jié)晶控制的研究，目前主要還是針對(duì)具體的材料出現(xiàn)的再結(jié)晶問題研究，并未從再結(jié)晶的形成機(jī)理出發(fā)，深入研究再結(jié)晶的形成原因。只有這樣才能在根本上解決再結(jié)晶的問題。

單晶葉片制造技術(shù)及再結(jié)晶消除的研究重點(diǎn)

基于多年的技術(shù)積累，我國在單晶渦輪葉片制造技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)步，為新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的研發(fā)做出了重大的貢獻(xiàn)。目前先進(jìn)的鎳基單晶航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，而在再結(jié)晶消除方面的研究，僅處于起步階段，仍有大量的問題有待解決。

針對(duì)葉片制造技術(shù)，與發(fā)達(dá)國家相比我國的單晶葉片的生產(chǎn)在產(chǎn)業(yè)化方面仍存在問題，特別是在變形控制及產(chǎn)業(yè)化設(shè)備研發(fā)上。為彌補(bǔ)這方面的不足，研究的重點(diǎn)應(yīng)集中于變形控制及相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)等方面。而針對(duì)葉片的再結(jié)晶問題，需要從生產(chǎn)管理與研究抑制或消除再結(jié)晶方法兩方面出發(fā)。生產(chǎn)管理方面需要制定嚴(yán)格的單晶葉片產(chǎn)品的運(yùn)輸及搬運(yùn)中的規(guī)范預(yù)防磕碰。研究抑制或消除再結(jié)晶方法方面應(yīng)該就當(dāng)前材料的特性，結(jié)合結(jié)構(gòu)的調(diào)整并應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助模擬技術(shù)，具體需要從以下3個(gè)方面解決問題：（1）研究難熔元素對(duì)再結(jié)晶的影響機(jī)理，從材料自身出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)再結(jié)晶的初抑制；（2）針對(duì)不同材料，研究再結(jié)晶觸發(fā)的極限臨界應(yīng)力，通過數(shù)值模擬的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄造過程中的應(yīng)力場模擬，從而達(dá)到控制設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平符合再結(jié)晶的臨界應(yīng)力允許范圍內(nèi)；（3）從材料與工藝出發(fā)研究再結(jié)晶的形成機(jī)理，從根本上消除再結(jié)晶的發(fā)生。

綜合上述分析，鎳基單晶葉片的控形技術(shù)與再結(jié)晶的消除均需要從工藝以及材料本身解決問題，同時(shí)對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助工具的開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳基單晶葉片形狀與再結(jié)晶缺陷的控制。在此基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)葉片再結(jié)晶組織模擬、外形與內(nèi)腔的優(yōu)化調(diào)整，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的目的，最終生產(chǎn)出合格的單晶產(chǎn)品，以滿足未來我國航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比、減重、延壽以及高可靠性的需求。

[1]COOKE M,HEGGS P J.Advantages of the hollow (concave) turbine for multi-phase agitation under intense operating conditions[J].Chemical Engineering Science,2005,60(20):5529-5543.

[2]ZHANG B,LI Z Q,HOU H L,et al.Three dimensional FEM simulation of titanium hollow blade forming process[J].Rare Metal Materials and Engineering,2010,39(6): 963-968.

[3]HARRISON A.Design for service- Harmonising product design with a services strategy[C]//American Society of Mechanical Engineers.2006 ASME 51st Turbo Expo.Barcelona,2006.

[4]林左鳴.戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2006,32(1): 1-8.

LIN Zuoming.The current development and future trends offighter engines[J].Aeroengine,2006,32(1): 1-8.

[5]REED R C.The superalloys:fundamentals and applications[M].Cambridge:Cambridge University Press,2008.

[6]王東林,李家寶,金濤,等.DZ4鎳基高溫合金的再結(jié)晶[J].金屬學(xué)報(bào),2006,42(2):167-171.

WANG Donglin,LI Jiabao,JIN Tao,et al.Recrystallization of Ni base superalloy of DZ4[J].Acta Metallurgica Sinica,2006,42(2):167-171.

[7]李世峰,衛(wèi)剛,高杰,等.單晶再結(jié)晶臨界應(yīng)力與渦輪葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)間的映射模型[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2014,46(6): 909-914.

LI Shifeng,WEI Gang,GAO Jie,et al.Relationship model between recrystallization critical stress and structure designed parameters on single crystal turbine blade[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,2014,46(6): 909-914.

[8]MILLER V M,JOHNSON A E,TORBET C J,et al.Recrystallization and the development of abnormally large grains after small strain deformation in a polycrystalline nickelbased superalloy[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2016,47(4): 1566-1574.

[9]黃乾堯,李漢康.高溫合金[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.

HUANG Qianyao,LI Hankang.Superalloys[M].Beijing: Metallurgical Industry Press,2000.

[10]董志國,王鳴,李曉欣,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料的應(yīng)用與發(fā)展[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2011，23(S2): 455-457.

DONG Zhiguo,WANG Ming,LI Xiaoxin,et al.Application and progress of materials for turbine blade[J].Journal of Iron and Steel Research,2011,23(2): 455-457.

[11]郭建亭.高溫合金在能源工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].金屬學(xué)報(bào),2010,46(5): 513-527.

GUO Jianting.The current situation of application and development of superalloys in the fields of energy industry[J].Acta Metall Sin,2010,46(5): 513-527.

[12]徐志國.高端裝備制造關(guān)鍵材料遙看高溫合金兩千億市場空間［N］.中國航空報(bào)，2014-12-06(D04) .

XU Zhiguo.The key materials of high-end equipment[N].China Aviation News,2014-12-06( D04).

[13]BURKHOLDER P S,THOMAS M C,FRASIER D J,et al.Allison engine testing CMSX-4 single crystal turbine blades and vanes[C]//3rd International Charles Parsons Turbine Conference: Materials Engineering in Turbines and Compressors.1995: 305-320.

[14]呼艷麗.高效渦輪鑄冷工作葉片冷卻設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué),2010.

HU Yanli.The design of single crystal turbine blades with high cooling effect [D].Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China,2010.

[15]鄭天慧,郭琦,曾海霞,等.F119核心機(jī)研制技術(shù)途徑及發(fā)展趨勢[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究,2014(2): 54-58.

ZHENG Tianhui,GUO Qi,ZENG Haixia,et al.Development approach and derivatives of F119’s core engine[J].Gas Turbine Experiment and Research,2014(2): 54-58.

[16]BRIDGMAN P W.Crystals and their manufacture: U.S.1793672[P].1931-02-24.

[17]WANG F,MA D X,ZHANG J,et al.A high thermal gradient directional solidification method for growing superalloy single crystals[J].Journal of Materials Processing Technology,2014,214(12): 3112-3121.

[18]LAUX E,TINGQUIST S.Method and apparatus for melting and casing metal: U.S.3841384[P].1974-10-15.

[19]GIAMEI A F,TSCHINKEL J G.Liquid metal cooling: a new solidification technique[J].Metallurgical transactions A,1976,7(9): 1427-1434.

[20]KONTER M,KATS E,HOFMANN N.A novel casting process for single crystal gas turbine components[C]//Ninth International Symposium on Superalloys,2000: 189-200.

[21]傅恒志.航空航天材料定向凝固[M].北京：科學(xué)出版社,2015.

FU Hengzhi.Directional solidification process of aero-high temperature materials[M].Beijin: Science Press,2015.

[22]問亞崗,崔春娟,田露露,等.定向凝固技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào),2016,30(3): 116-120.

WEN Yagang,CUI Chunjuan,TIAN Lulu,et al.Research progress and application of the directional solidification technology[J].Materials Review,2016,30(3): 116-120.

[23]劉林.高溫合金精密鑄造技術(shù)研究進(jìn)展[J].鑄造,2012(11): 1273-1285.

LIU Lin.The progress of investment casting of nickel-based superalloys[J].Foundry,2012(11): 1273-1285.

[24]CARTER P,COX D C,GANDIN C A.Process modelling of grain selection during the solidication of single crystal superalloy castings[J].Journal of Materials Science,2000,280(2): 233-246.

[25]馬德新.高溫合金葉片單晶凝固技術(shù)的新發(fā)展[J].金屬學(xué)報(bào),2015,51(10): 1179-1190.

MA Dexin.Delopment of single crystal solidification technology for production of superalloy turbine blades[J].Acta Metallurgica Sinica,2015,51(10): 1179-1190.

[26]劉剛,劉林,趙新寶,等.一種鎳基單晶高溫合金的高溫度梯度定向凝固組織及枝晶偏析[J].金屬學(xué)報(bào),2010,46(1): 77-83.

LIU Gang,LIU Lin,ZHAO Xinbao,et al.Microstructure and microsegregation in a Nibased single crystal superalloy directionally solidified under high thermal gradient[J].Acta Metall Sin,2010,46(1): 77-83.

[27]LIU L,HUANG T,QU M,et al.High thermal gradient directional solidification and its application in the processing of nickel-based superalloys[J].Journal of Materials Processing Technology,2010,210(1): 159-165.

[28]ZHANG J,LOU L.Directional solidification assisted by liquid metal cooling [J].Journal of Materials Science and Technology,2007,23(3):289-300.

[29]GOULETTE M J,SPILLING P D,ARTHEY R P.Cost effective single cystals:The Rolls-Royce approach[C]//KORTOVICH C S,BRICKNELL R H,eds.Superalloys 1984.Warrendale,PA: TMS,1984: 167.

[30]鄭啟,侯桂臣,田為民,等.單晶高溫合金的選晶行為[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2001,11(2):176-178.

ZHENG Qi,HOU Guichen,TIAN Weimin,et al.Grain selection behavior of single crystal superalloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2001,11(2):176-178.

[31]CARTER P,COX D,GANDIN C A,et al.Process modelling of grain selection during the solidification of single singlecrystal superalloy castings[J].Materials Science & Engineering,2000,280(2): 233-246.

[32]DAI H.A study of solidification structure evolution during investment casting of Nibased superalloy for aero-engine turbine blades[D].Leicester: University of Leicester,2009.

[33]郝紅全,謝光,申健,等.單晶選晶器的選晶行為研究[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2011,23(S2): 361-364.

HAO Hongquan,XIE Guang,SHEN Jian,et al.Selection behavior of a grain selector during directional solidification process[J].Joural of Iron and Steel Research,2011,23(S2):361-364.

[34]陶春虎,張衛(wèi)方,施惠基.定向凝固高溫合金的再結(jié)晶[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

TAO Chunhu,ZHANG Weifang,SHI Huiji.Recrystallization of directionally solidified superalloy[M].Beijing: National Defence Industry Press,2007.

[35]陶春虎,張衛(wèi)方,李運(yùn)菊,等.定向凝固和單晶高溫合金的再結(jié)晶[J].失效分析與預(yù)防,2006,1(4): 1-9.

TAO Chunhu,ZHANG Weifang,LI Yunju,et al.Recrystallization of directionally solidified and single crystal superalloy[J].Failure Analysis and Prevention,2006,1(4): 1-9.

[36]ZHANG W,LI Y,LIU G,et al.Recrystallization and fatigue failure of DS alloy blades[J].Engineering Failure Analysis,2004,11(3): 429-437.

[37]BURGEL R,PORTELLA P D,PREUHS J,et al.Recrystallization in single crystals of nickel base superalloys[J].Superalloys,2000,9: 229-238

[38]OKAZAKI M,OHTERA I,HARADA Y,et al.Undesirable effect of local cellular transformation in microstructurally-controlled Ni-base superalloys subjected to previous damage on high temperature[J].Materials Science Research International,2003,9(1): 55-60.

[39]OKAZAKI M,OHTERA I,HARADA Y.Damage repair in CMSX-4 alloy without fatigue life reduction penalty[J].Metallurgical and Materials Transactions A,2004,35(2): 535-542.

[40]KORTOVICH C S Jr,GUENIN B M.Method of producing a single crystal article: U.S.4385939[P].1983-05-31.

[41]李鴻.DZ4合金定向凝固渦輪葉片再結(jié)晶試驗(yàn)研究[D].貴陽：貴州大學(xué),2006.

LI Hong.DZ4 alloy direction detection coagulation turbine blade recrystallization experimental study[D].Guiyang: Guizhou University,2006.

[42]SALKELD R W,FIELD T T,AULT E A.Preparation of single crystal superalloys for post-casting heat treatment: U.S.5413648[P].1995-05-09.

[43]張兵,曹雪剛,劉昌奎.單晶高溫合金再結(jié)晶的抑制方法研究進(jìn)展[J].失效分析與預(yù)防,2013,8(3):191-196.

ZHANG Bing,CAO Xuegang,LIU Changkui.Reciew on inhibition methods of recrystallization of single crystal superalloys[J].Failire Analysis and Prevention,2013,8(3): 191-196.

[44]劉麗榮,孫新濤,金濤,等.含碳鎳基單晶高溫合金的再結(jié)晶傾向性[J].機(jī)械工程材料,2007,31(5): 9-12.

LIU Lirong,SUN Xintao,JIN Tao,et al.Recrystallization in a single crystal superalloy with carbon addition[J].Materials for Mechanical Engineering,2007,31(5): 9-12.

[45]濮晟,謝光,鄭偉,等.W和Re對(duì)固溶態(tài)鎳基單晶高溫合金變形和再結(jié)晶的影響[J].金屬學(xué)報(bào),2015,51(2): 239-248.

PU Sheng,XIE Guang,ZHENG Wei,et al.Effect of W and Re on deformation and recrystallization of solution heat reated ni-based single crystal superalloys[J].Acta Metall Sin,2015,51(2): 239-248.

[46]卜昆,傅將威,董一巍,等.基于仿真的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化[J].特種鑄造及有色合金,2013,33(4):353-357.

BU Kun,FU Jiangwei,DONG Yiwei,et al.Parameters optimization of investment casting single crystal turbine blade based on numercial simulation[J].Special Casting & Nonferrous Alloys ,2013,33(4):353-357.

[47]謝道存.DD5合金單晶定向凝固溫度場及雜晶控制的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué),2016.

XIE Daocun.Research on temperature field and control of stray grains in directional solidification of DD5 single crystal alloys[D].Zhenjiang: Jiangsu University,2016.

[48]MA D,BüHRIG-POLACZEK A.Application of a heat conductor technique in the production of single-crystal turbine blades[J].Metallurgical and Materials Transactions B,2009,40(5): 738-748.

[49]李世峰,衛(wèi)剛,孫飛龑,等.幾何與動(dòng)力約束結(jié)合的單晶渦輪葉片結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)優(yōu)化[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2015,30(1): 90-95.

LI Shifeng,WEI Gang,SUN Feiyan,et al.Detail-structure optimization of single crystal turbine blade under the condition of geometric and dynamic constrains [J].Journal of Aerospace Power,2015,30(1): 90-95.