通过使用成分匹配的填充材料，在准平衡凝固条件下快速制备单晶超合金的单晶接头

《Materials Science and Engineering: A》：Rapidly acquiring monocrystalline joint of single crystal superalloys via a composition-matched filler material under quasi-equilibrium solidification

　　

Xihui Ye|Zhenqian Lang|Wanli Wang|Tao Wu|Zheng Ye|Xiaopei Wang|Jihua Huang

北京科技大学材料科学与工程学院，北京，100083，中国

摘要

在航空制造和维修领域，快速高效地获得单晶超合金的晶界具有重大意义，并且一直备受期待。本文提出了一种新的焊接策略，为单晶超合金的晶界形成提供了新的方法。目前，单晶超合金的晶界只能通过使用含有硅和硼的填充材料进行长时间的瞬态液相扩散焊接过程来获得，但这种方法效率极低且工艺性较差。本文提出了一种成分匹配的单晶化焊接方法，并成功实现了这一目标。通过设计不含硅和硼且成分匹配的填充材料，在精确控制的冷却条件下，快速获得了单晶晶界。我们确定了单晶化所需的准平衡凝固条件，并精确控制了晶界的微观结构演变。利用竞争成核理论计算了保证晶界无亚稳相出现的准平衡过冷窗口（ΔT≤10.4K），并确定了从基体金属外延生长的临界过冷度（ΔT=7.8K）。在准平衡条件下对单晶超合金进行成分匹配焊接，得到了高性能的单晶晶界，其在980°C时的抗拉强度为715.4 MPa（达到基体金属的96.3%），在980°C/264 MPa条件下的蠕变断裂寿命为146小时（达到基体金属的90%）。

引言

单晶超合金具有优异的高温性能，已成为先进航空发动机中高温部件（如涡轮叶片）的首选材料[[1], [2], [3]]。这些叶片可以通过“整体铸造”[4]或“单独铸造后进行单晶化焊接”[5,6]方法制造。由于内部冷却结构极其复杂，整体铸造方法难以制造出高性能的空心叶片，而且严重限制了先进冷却结构的发展[7,8]。因此，“单独铸造+单晶化焊接”策略被认为是制造高性能空心叶片的理想方法，有助于推动冷却架构的发展。此外，单晶化焊接还可以用于修复单晶叶片的表面损伤，显著延长其使用寿命，并降低发动机运行和维护成本[9]。

到目前为止，瞬态液相扩散（TLP）焊接是获得单晶超合金晶界的唯一方法[10]。在TLP过程中，使用含有熔点降低剂（Si和/或B）的镍基合金作为填充材料。通过液相填充材料的等温凝固，更准确地说是在等温条件下从单晶基体金属上进行的外延生长，从而获得单晶晶界[[11], [12], [13], [14], [15]]。为了实现外延生长，需要在固液界面前形成过冷状态，这通过熔点降低剂原子向基体金属的扩散来实现[16,17]。同时，熔点降低剂的扩散也为固液界面的外延生长提供了所需的成分条件。然而，单晶超合金缺乏原子快速扩散的晶界，导致扩散速率相对较慢[18]。因此，等温凝固需要长时间的高温保持以完成足够的扩散过程。此外，超合金的性能对熔点降低剂（如B和Si）非常敏感[19]，因此也需要很长时间才能将其含量降低到较低水平。这两点导致该过程的效率极低（通常需要数十小时的等温扩散），可行性较差甚至不可行。

与等温凝固相比，冷却凝固显著缩短了液相填充材料的凝固时间，提高了工艺的效率和可行性，因为它不再依赖于熔点降低剂向基体金属的长距离扩散[20,21]。然而，在通过冷却凝固获得单晶超合金晶界时，还有两个技术障碍需要克服。首先，需要开发一种熔点低且成分与基体金属匹配的特殊填充材料[22]。显然，低熔点是实现焊接的前提。填充材料的成分匹配是必要的，以确保基体金属的外延生长而不依赖于固相基体金属和液相填充材料之间的成分交换。其次，需要过冷条件以实现单晶基体金属的外延生长，同时抑制其他异质相的成核[23]。理论上，当这两个技术障碍同时被克服时，就可以在适当的冷却条件下通过冷却凝固快速获得单晶晶界。尽管这一策略非常有吸引力，但目前尚未实现。

在这项研究中，开发了一种不含熔点降低剂（如B和Si）且成分与基体金属匹配的填充材料。结合精确控制的冷却程序，在连续冷却的准平衡凝固过程中成功获得了单晶超合金的晶界。通过系统调节凝固过程中的冷却速率，精确控制了固液界面的热过冷程度，从而控制了晶界的凝固行为。分析了冷却速率对微观结构演变的影响，并探讨了单晶晶界的形成机制。

章节摘录

材料制备

本研究中使用的填充材料是通过电感应气雾化（EIGA）制备的镍基合金粉末，粒径小于38 μm，如图1(a)所示。基体金属和填充材料的成分列于表1中。填充合金粉末的液相线温度为1227.1°C，通过差示扫描量热法（DSC）确定。采用定向凝固技术制备的二代单晶超合金DD5具有[001]取向

典型的成分匹配焊接晶界

图2显示了在焊接温度（T）为1280°C、保持时间（t）为10分钟、冷却速率（?）为40°C/分钟的条件下，通过成分匹配焊接得到的DD5单晶超合金晶界的微观结构。如图2(a)所示，晶界由两部分组成：连接层和基体金属，连接层的宽度从最初的300 μm扩展到587.6 μm。图2(b)表明，连接层由树枝晶核心组成

抑制化合物沉淀的机制

如前所述，本研究中形成的晶界都是通过冷却凝固结合炉内缓慢冷却得到的。其形成过程可以分为两个阶段：（1）凝固过程中的液相到固相转变；（2）完全凝固后的固态相转变。冷却速率直接影响晶界中亚稳相的沉淀行为

结论

在这项工作中，我们提出并展示了一种针对单晶超合金的成分匹配单晶化焊接策略。通过设计填充材料并调节连续冷却过程，通过冷却凝固快速获得了单晶超合金的晶界。分析了单晶化过程中的微观结构演变，并探讨了晶界的形成机制。主要结论是

CRediT作者贡献声明

Xihui Ye：概念构思、形式分析、研究、方法论、可视化、撰写——初稿。Zhenqian Lang：研究、方法论、可视化。Wanli Wang：形式分析。Tao Wu：研究。Zheng Ye：形式分析、撰写——审阅与编辑。Xiaopei Wang：形式分析。Jihua Huang：概念构思、资金获取、方法论、项目管理、监督、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（编号：52374377）和国家国防预研基金（编号：80923010501）的支持。