鎳基單晶高溫合金, 是制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的關(guān)鍵材料。為了提高單晶高溫合金的承溫能力，需要增大合金中難熔元素的比例，這容易造成合金在定向凝固過(guò)程中產(chǎn)生雀斑、雜晶等缺陷, 尤其是大尺寸鑄件的鑄造缺陷問(wèn)題更為明顯。傳統(tǒng)的高速凝固法由于溫度梯度低的問(wèn)題，容易產(chǎn)生顯微孔洞，顯微孔洞破壞了基體的連續(xù)性, 在變形過(guò)程中造成應(yīng)力集中, 嚴(yán)重危害合金的使用性能。
為了減少鎳基單晶高溫合金中顯微孔洞，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所采用液態(tài)金屬冷卻新工藝(Liquid Metal Cooling,LMC)，并針對(duì)一種自行研發(fā)的含Re質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的第三代鎳基單晶高溫合金, 實(shí)驗(yàn)對(duì)比了LMC工藝與傳統(tǒng)的高速凝固法所獲材料的顯微缺陷情況，證明LMC工藝優(yōu)于傳統(tǒng)的高速凝固法。
實(shí)驗(yàn)表明，用兩種工藝制備的合金鑄態(tài)組織都由灰色的γ相枝晶干和白亮色γ/γ′共晶相組成。與傳統(tǒng)工藝相比, LMC工藝制備的合金一次枝晶間距顯著降低, 共晶的體積分?jǐn)?shù)也顯著增多。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 采用LMC工藝后合金的一次枝晶間距從350 mm降低至210 mm, 而共晶的體積分?jǐn)?shù)從5%增加到10%。與傳統(tǒng)工藝相比, 用LMC工藝制備的合金中元素的偏析系數(shù)都更加趨近于1, 如Re元素的偏析系數(shù)從2.5降到2, Ta元素的偏析從0.7升高至0.9。經(jīng)統(tǒng)計(jì), 用傳統(tǒng)和 LMC工藝制備的合金中鑄態(tài)孔的體積分?jǐn)?shù)分別為0.08%和 0.01%。在用兩種工藝制備的合金中, 鑄態(tài)孔的數(shù)量都隨孔徑的增加而逐漸減少，但是在用LMC工藝制備的合金中鑄態(tài)孔的最大孔徑顯著降低, 從40 mm降低至20 mm, 而且孔的數(shù)量也減少。
鑄態(tài)合金經(jīng)過(guò)1330℃/10 h固溶處理后顯微組織的觀察表明，固溶處理后合金沒(méi)有出現(xiàn)初熔, 但小孔的數(shù)量增加。用傳統(tǒng)工藝制備的合金中顯微孔洞的體積分?jǐn)?shù)增加了0.06% (從0.08%增加到0.14%), 而用LMC工藝制備的合金中顯微孔洞的體積分?jǐn)?shù)僅增加0.03% (從0.01%增加到0.04%)。
研究表明，鑄態(tài)孔的形成是由于在定向凝固過(guò)程中枝晶間的殘余液相被凝固的枝晶干包圍, 氣體無(wú)法排出或液相得不到有效補(bǔ)縮的結(jié)果。當(dāng)張開孔洞的壓力大于閉合孔洞的壓力時(shí),就會(huì)產(chǎn)生孔洞。鑄態(tài)孔形成的難易程度主要受糊狀區(qū)壓降的影響, 糊狀區(qū)的壓降越小越不容易產(chǎn)生縮孔。在凝固末期, 枝晶間的空隙尺寸和γ/γ′共晶的體積分?jǐn)?shù)成正比, 共晶體積分?jǐn)?shù)越大枝晶間的殘余液相越多,壓降越小。由于LMC工藝制備的合金中共晶體積分?jǐn)?shù)高于傳統(tǒng)工藝制備的合金, 使得枝晶間的空隙尺寸增加, 降低壓降, 補(bǔ)縮壓力增加, 從而抑制縮孔的產(chǎn)生。由于LMC工藝制備的合金中枝晶的細(xì)化與合金元素的枝晶偏析程度顯著減輕, 因此,經(jīng)過(guò)固溶處理后, 相對(duì)傳統(tǒng)工藝，用 LMC 工藝制備的合金中元素間不平衡擴(kuò)散程度下降, 從而使固溶孔的體積分?jǐn)?shù)顯著低于傳統(tǒng)工藝制備的合金。