鎳基單晶高溫合金的顯著優(yōu)點(diǎn)是消除了可能產(chǎn)生裂紋源的橫向和縱向晶界,因而具有較好的高溫蠕變性能和抗疲勞性能,被廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片等,在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)也有重要應(yīng)用。在鎳基單晶合金的制備中,凝固缺陷的控制是一個(gè)非常重要的問(wèn)題,它對(duì)于增強(qiáng)鑄件的力學(xué)性能和提高成品率關(guān)系極大。傳統(tǒng)的高速凝固法是目前工業(yè)生產(chǎn)定向鑄件的常用方法,但是在制備較大鑄件時(shí)由于凝固過(guò)程溫度梯度降低得較多,容易產(chǎn)生各種缺陷。新型的液態(tài)金屬冷卻法采用液態(tài)金屬作為冷卻介質(zhì),提高了凝固界面前沿的溫度梯度,顯著降低了偏析程度,但仍需采取各種措施,控制各種凝固缺陷。

　　一. 防止縮松:鑄件在凝固過(guò)程中,由于合金液相和固相的收縮,當(dāng)殘余液體被已凝固部分包圍時(shí),氣體得不到排出以及得不到有效補(bǔ)縮時(shí),就會(huì)形成分散細(xì)小的縮洞。這種縮松容易在葉片的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而降低葉片的力學(xué)性能。在定向凝固合金中,枝晶間存在補(bǔ)縮通道,使液體補(bǔ)縮可以持續(xù)到凝固結(jié)束,因此縮松缺陷較少;但在枝晶根部,縮洞經(jīng)常得不到充分的補(bǔ)充,從而出現(xiàn)縮松;在低的生長(zhǎng)速率條件下形成的縮松還會(huì)多一些。研究發(fā)現(xiàn),隨著拉晶速率的增大,試樣中縮松量逐漸減少;在較低的生長(zhǎng)速率下,縮松會(huì)比較明顯;但在較高的凝固速率下,鑄件傾向于形成集中的縮孔。另外,合金元素對(duì)縮松的形成也有一定影響,研究結(jié)果認(rèn)為,Al,Ti,Co會(huì)增加縮松含量,這是由于這些元素大都增加合金的結(jié)晶溫度間隔;而Cr則可以減輕縮松。總的來(lái)說(shuō)在凝固過(guò)程中若固液相密度相差較大,就容易形成縮松;結(jié)晶溫度間隔較小的合金不易產(chǎn)生縮松;通過(guò)增加凝固速率,形成細(xì)小的枝晶可減少縮松。

　　二. 防止晶體取向的偏離:鎳基單晶高溫合金具有〈001〉的擇優(yōu)取向,該方向具有最小的彈性模量,可以減少熱循環(huán)應(yīng)力。但在實(shí)際鑄件制備中由于鑄件幾何形狀的變化,導(dǎo)致凝固時(shí)固液界面的波動(dòng),因而可能在鑄件某些部位偏離精確的〈001〉晶體學(xué)位向。對(duì)于大尺寸單晶葉片,由于降低了定向凝固時(shí)的散熱效率,致使溫度梯度下降,也容易造成晶粒生長(zhǎng)方向的偏離,同時(shí)也易于形成雀斑和偽晶粒。晶體取向與軸向偏角增大,鑄件的強(qiáng)度和壽命的分散度均會(huì)增大,因此在定向凝固中除了控制相與組織的競(jìng)爭(zhēng)選擇外,還必須精確調(diào)節(jié)和控制晶體的生長(zhǎng)方向,才能使鑄件具有最好的力學(xué)性能。

　　三. 防止雜晶:如果工藝參數(shù)控制不當(dāng),凝固界面溫度梯度的變化及熔體的流動(dòng)等,都可能造成雜晶的出現(xiàn),破壞單晶的完整性,使材料的力學(xué)性能嚴(yán)重下降。研究發(fā)現(xiàn),在枝晶方向與坩堝壁偏離的地方,所產(chǎn)生的過(guò)冷度會(huì)非常明顯,是雜晶容易獲得生長(zhǎng)的區(qū)域。