Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов
Разработана методика измерения градиента температуры на фронте кристаллизации при направленной кристаллизации сплава НВ-4 в установке с кристаллизатором, в котором в качестве жидкометаллического легкоплавкого теплоносителя используется галлий. Микротермопара устанавливалась в керамической форме, раз...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Назва видання: | Вопросы атомной науки и техники |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110854 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов / С.С. Гранкин, В.Я. Свердлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 162-165. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-110854 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1108542017-01-07T03:04:00Z Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов Гранкин, С.С. Свердлов, В.Я. Физика и технология конструкционных материалов Разработана методика измерения градиента температуры на фронте кристаллизации при направленной кристаллизации сплава НВ-4 в установке с кристаллизатором, в котором в качестве жидкометаллического легкоплавкого теплоносителя используется галлий. Микротермопара устанавливалась в керамической форме, размещенной в графитовой опоке. Исследовано влияние градиента температуры на морфологию и структурное совершенство монокристаллов Ni-W-сплавов с ячеистой структурой. Розроблена методика вимірювання градієнту температури на фронті кристалізації при спрямованій кристалізації сплаву НВ-4 в установці з кристалізатором, в якому в якості рідинно-металевого легкоплавкого теплоносія використовується галій. мікротермопара встановлювалася в керамічній формі, розміщеній в графітовій опоці. Досліджено вплив градієнту температури на морфологію і структурну досконалість монокристалів Ni-W-сплавів з комірчатою структурою. Methodology of measuring temperature gradient at the front of solidification under direct crystallization of NV-4 alloy in the equipment with a solidificator, in which gallium is used as a liquid metal fusible thermal carrier has been worked out. These measurements were carried out in a ceramic form, installed in crucible blacklead. The influence of temperature gradient on morphology and structural perfection of single crystals of Ni-W-alloys with a cellar structure has been investigated. 2008 Article Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов / С.С. Гранкин, В.Я. Свердлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 162-165. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110854 542.65 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов |
| spellingShingle |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Гранкин, С.С. Свердлов, В.Я. Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Разработана методика измерения градиента температуры на фронте кристаллизации при направленной кристаллизации сплава НВ-4 в установке с кристаллизатором, в котором в качестве жидкометаллического легкоплавкого теплоносителя используется галлий. Микротермопара устанавливалась в керамической форме, размещенной в графитовой опоке. Исследовано влияние градиента температуры на морфологию и структурное совершенство монокристаллов Ni-W-сплавов с ячеистой структурой. |
| format |
Article |
| author |
Гранкин, С.С. Свердлов, В.Я. |
| author_facet |
Гранкин, С.С. Свердлов, В.Я. |
| author_sort |
Гранкин, С.С. |
| title |
Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов |
| title_short |
Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов |
| title_full |
Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов |
| title_fullStr |
Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов |
| title_full_unstemmed |
Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов |
| title_sort |
исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов ni-w сплавов |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Физика и технология конструкционных материалов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110854 |
| citation_txt |
Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W сплавов / С.С. Гранкин, В.Я. Свердлов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 162-165. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT grankinss issledovaniegradientatemperaturynafrontekristallizaciimonokristallovniwsplavov AT sverdlovvâ issledovaniegradientatemperaturynafrontekristallizaciimonokristallovniwsplavov |
| first_indexed |
2025-07-08T01:14:59Z |
| last_indexed |
2025-07-08T01:14:59Z |
| _version_ |
1837039408321134592 |
| fulltext |
УДК 542.65
ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУРЫ НА ФРОНТЕ
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МОНОКРИСТАЛЛОВ Ni-W-СПЛАВОВ
С.С. Гранкин, В.Я. Свердлов
Национальный научный центр ˝Харьковский физико-технический институт",
г.Харьков, Украина; E-mail: sverdlov@kipt.kharkov.ua
Разработана методика измерения градиента температуры на фронте кристаллизации при направленной
кристаллизации сплава НВ-4 в установке с кристаллизатором, в котором в качестве жидкометаллического
легкоплавкого теплоносителя используется галлий. Микротермопара устанавливалась в керамической
форме, размещенной в графитовой опоке. Исследовано влияние градиента температуры на морфологию и
структурное совершенство монокристаллов Ni-W-сплавов с ячеистой структурой.
ВВЕДЕНИЕ
Основными параметрами роста кристаллов
являются градиент температуры на фронте
кристаллизации GT, скорость кристаллизации R и
концентрация легирующих элементов С в расплаве
[1]. Актуальность исследований процессов роста
монокристаллов Ni-W-сплавов обусловлена в
первую очередь тем, что монокристаллы сплава НВ-
4 номинального состава Ni-32…36 мас.%W
используются в качестве затравок при литье
монокристаллических лопаток газотурбинных
двигателей (ГТД). Градиент температуры на фронте
кристаллизации и скорость направленной
кристаллизации относятся к внешним факторам и
определяют физическую кинетику на фронте роста.
Концентрацию легирующих элементов и примесей
можно отнести к внутренним факторам роста. Этот
фактор оказывает очень сильное влияние на рост
кристалла, поскольку он определяет взаимодействие
между атомами и химическую кинетику. Однако в
общей иерархии факторов роста градиент
температуры находится на первом месте. Это
связано с тем, что именно градиент температуры
является следствием открытости системы и
процессов отвода энергии с фронта кристаллизации.
Кроме этого, проведенные нами ранее исследования
показали, что оптимальное легирование [2] при
выращивании монокристаллов Ni-W-сплавов
приводит к заострению макроскопического фронта
роста [3], что способствует росту градиента
температуры на вершине фронта кристаллизации. Т.
е. оптимальная концентрация легирующих
элементов является подчиненным фактором по
отношению к градиенту температуры на фронте
кристаллизации.
Отношение величины GT/R определяет тип
структуры формирующегося монокристалла, а
произведение GTR, которое имеет размерность
скорости охлаждения (°С/мин), определяет
дисперсность структурных составляющих сплава.
Главная структурная характеристика
монокристаллов жаропрочных сплавов – расстояние
между дендритными осями первого порядка (λ, мкм)
связана со скоростью охлаждения расплава на
фронте кристаллизации известным соотношением:
. (1) n
T RGа −⋅⋅= )(λ
Коэффициент а в этом выражении
пропорционален интервалу кристаллизации: а ~ ΔТ,
а показатель степени n может принимать значения в
диапазоне 0,25…0,5. Исходя из этого соотношения
можно увеличить скорость охлаждения и,
следовательно, уменьшить размер структурных
составляющих также за счет повышения
температурного градиента на фронте
кристаллизации [4]. Использование методики
направленной кристаллизации с повышенным
градиентом температуры на фронте кристаллизации
позволяет повысить длительную жаропрочность
никелевых сплавов в 1,5…2 раза по сравнению с
серийной технологией [5].
Количество работ, посвященных исследованиям
влияния градиента температуры на рост кристаллов
и непосредственным измерениям величины GT, в
литературе явно недостаточно. Это связано в
первую очередь с методическими сложностями
проведения таких измерений. С другой стороны,
градиент температуры на фронте кристаллизации GT
является паспортной характеристикой ростовой
установки, и его величина трудно поддается
варьированию.
Целью данной работы является исследование
градиента температуры на фронте кристаллизации в
процессе роста монокристаллов Ni-W-сплавов на
установке для высокоградиентной направленной
кристаллизации с галлиевым жидкометаллическим
теплоносителем. При этом изучали взаимосвязь GT с
морфологией выращиваемых монокристаллов
Ni -W -сплавов и степенью их структурного
совершенства.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
ЭКСПЕРИМЕНТА
Материалы и методики выращивания,
исследования структуры и свойств монокристаллов
Ni-W -сплавов описаны в [6].
Для измерения температуры расплава и
определения градиента температуры на фронте
кристаллизации была изготовлена WRe5-WRe20-
микротермопара, которая "вживлялась" в один из
каналов керамической формы. Спай термопары
специальным образом покрывался порошком окиси
алюминия со связующим раствором "Ludox", что
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.162 – 165.
162
mailto:sverdlov@kipt.kharkov.ua
обеспечивало получение тонкого диэлектрического
защитного слоя, исключающего взаимодействие его
с расплавом, и при этом не сказываясь на
инерционности самой термопары. Вся остальная
часть термопары помещалась в алундовую
"соломку". Общий диаметр такой термопары
находится в пределах 1…1,3 мм
Внешний вид термопары в алундовой оболочке и
керамическая форма с "вживленной" в нее
термопарой показаны на рис.1.
а
б
Рис.1. Керамическая форма для выращивания
монокристаллов Ni-W-сплавов: а - внешний вид
термопары в оболочке из Al2O3; б - вид
керамической формы с "вживленной" в нее
термопарой со стороны заливочной чаши
В процессе роста монокристаллов Ni-W-сплавов
с помощью милливольтметра регистрировалась
электродвижущая сила термопары. По снятым
численным данным были построены термограммы,
которые использовали для получения расчетных
данных значений GT по методике, описанной в [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ
ОБСУЖДЕНИЕ
Градиенты температур в жидкости GL и твердом
теле GS рассчитывали по формуле:
Rt
TG
⋅Δ
Δ
= , (2)
где ∆Т/∆t·R – тангенс угла наклона линейного
участка термограммы вблизи точки перегиба
жидкость -твердое тело, град/см; ∆Т - интервал
температуры; ∆t - интервал времени; R - скорость
перемещения фронта роста.
На рис.2 приведены некоторые термограммы
снятые в процессе роста монокристаллов
Ni -W -сплава, а в табл. 1 – рассчитанные по этим
термограммам значения градиентов температуры GL
и GS, параметра кристаллизации GL/R и скорости
остывания образца S = GS·R.
Рис.2. Термограммы для разных участков
монокристалла: а - нижняя честь монокристалла;
б - верхняя часть монокристалла
Таблица 1
R,
мм/мин
GL,
град/см
GS,
град/см
GL/R,
град·ч/см2
S,
град/с
4 54 62 2,25 0,41
4 59 82 2,46 0,55
Следует уточнить, что все результаты при
исследовании градиента температуры были
получены с помощью термопар, установленных
внутри керамических форм. На самом деле
градиенты температуры на поверхности формы
гораздо больше и отличаются приблизительно в два
раза. Эта разница в значениях связана с низкой
теплопроводностью керамики формы и зависит как
163
от толщины, так и от особенностей конструкции
керамической формы. При выращивании
монокристаллов Ni-W-сплавов керамическая форма
с расплавом находилась внутри графитовой опоки
без наполнителя [8]. Общепринято, что опорный
наполнитель и опока, выполненная из графита,
который имеет высокий коэффициент
теплопроводности, сглаживают распределение
температуры в форме с металлом и тем самым
препятствуют созданию высокого градиента
температуры [9]. Если придерживаться этой точки
зрения, величина градиента температуры в
установке может быть выше, чем в
кристаллизуемом расплаве в несколько раз.
Состав сплава НВ–4 Ni-33,2%W соответствует
области восходящего ликвидуса вблизи точки
конгруэнтного плавления на диаграмме состояния
системы Ni-W. Судя по составу исходного сплава
(табл.2) кристаллизация расплава происходит в
заметном интервале температур. Вследствие этого в
процессе получения монокристаллов создаются
условия для нарушения стабильности плоского
фронта кристаллизации и формирование ячеистой
структуры.
Таблица 2
Состав исходного сплава НВ-4 (По ТУ 1-92-112-87)
Примеси, мас.% (не более) Ni W,
мас.
%
Fe Si S P
Основа 32-36 1,0 0,4 0,015 0,015
Изменение морфологии микроструктуры
монокристаллов сплава НВ-4, направленно
закристаллизованных с постоянной скоростью R = 4
мм/мин, по высоте стержня показано на рис.3.
а б
Рис.3. Микроструктура поперечного сечения
направленно закристаллизованного Ni-W-сплава,
скорость направленной кристаллизации R=4
мм/мин. Разные участки по высоте монокристалла:
а - нижняя часть монокристалла, б - верхняя часть
монокристалла; Х20
Анализируя структурное совершенство
монокристаллов Ni-W-сплавов, выращенных на
установке с повышенным градиентом температуры,
следует сразу отметить, что условия кристаллизации
(G, R) обеспечивают высокую скорость отвода тепла
с фронта кристаллизации S и создают условия для
формирования высокодисперсной, с высокой
степенью структурного совершенства, ячеистой
структуры.
Это отчетливо проявляется при сравнении
структур монокристаллов НВ-4, выращенных при
различных значениях градиента температуры на
фронте кристаллизации. На рис.4 показаны
микрофотографии поперечных шлифов
монокристалла НВ- 4, выращенных на серийной
установке УВНК-8 (GТ=6 °С/мм) и
экспериментальной установке с галлиевым
теплоносителем (GТ = 20 °С/мм). В первом случае
структура имеет дендритную морфологию, см.
рис.4,а. Высокий градиент температуры
обеспечивает формирование более совершенной
ячеистой структуры (см. рис.4,б).
а б
Рис.4. Микрофотографии поперечных шлифов
монокристаллов НВ- 4; R=10 мм/мин:
а - GТ = 6°С/мм, б - GТ = 20°С/мм; Х20
Измерения параметра ячейки λ по высоте h
монокристалла обнаружили обратную линейную
зависимость этих величин (рис.5). Поскольку λ
зависит от скорости охлаждения S, то изменение λ
по высоте монокристалла при постоянной скорости
направленной кристаллизации R можно объяснить
увеличением градиента температуры на фронте
кристаллизации G. Структурное совершенство
монокристаллов в нижней части несколько ниже по
сравнению с верхней частью. Это говорит о том, что
в верхней части монокристалла происходит более
точная оптимизация параметров роста
монокристаллов.
164
Рис.5. Зависимость параметра ячейки λ от высоты
монокристалла. Сплав Ni-33,2 %W
ВЫВОДЫ
1. Отработана методика измерения градиента
температуры на фронте кристаллизации
монокристаллов Ni-W-сплавов в
кристаллизационной установке с повышенным
градиентом температуры.
2. Измерены градиенты температуры на фронте
кристаллизации в жидкой и твердой областях роста
монокристалла. При этом измерения проводились на
разных участках по высоте монокристалла.
3. Экспериментально показано влияние
градиента температуры на морфологию и
структурное совершенство монокристаллов Ni-W-
сплавов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Р.Е.Шалин, И.Л.Светлов, Е.Б.Качанов и др.
Монокристаллы никелевых жаропрочных
сплавов. М.: ˝Машиностроение˝, 1997, 332 с.
2. И.К.Засимчук. Физические условия достижения
оптимальной структуры монокристаллов
разбавленных металлических сплавов,
выращиваемых из расплава // Металлофизики и
новейшие технологии. 2001, т.23, №3, с.293-323.
3. В.М.Ажажа, В.Я.Свердлов, А.А.Кондратов,
А.В.Богуслаев, В.В.Клочихин. Влияние условий
кристаллизации на макроскопический фронт
кристаллизации и структурное совершенство
монокристаллов Ni-сплавов // Вісник
Харківського національного університету (35).
2007, №781, в.3, с.73-80.
4. Ю.А.Бондаренко, Е.Н.Каблов. Направленная
кристаллизация жаропрочных сплавов с
повышенным температурным градиентом //
Металловедение и термическая обработка
металлов. 2002, №7, с.20-23.
5. В.М.Ажажа, В.Я.Свердлов, А.Н.Ладыгин и др.
Роль теплофизических условий в процессе
формирования структуры при направленной
кристаллизации жаропрочных сплавов на
никелевой основе // Вопросы атомной науки и
техники. Серия "Вакуум, чистые материалы,
сверхпроводники" (14). 2004, №6, с.128-135.
6. В.М.Ажажа, Г.П.Ковтун, В.Я.Свердлов и др.
Микроструктура и свойства монокристаллов
никелевого сплава НВ-4. 1. Влияние условий
кристаллизации на структуру и свойства //
Металлофизика и новейшие технологи. 2002,
т.24, №11, с.1525-1536.
7. В.М.Ажажа, А.П.Бердник, А.П.Свинаренко,
А.И.Сомов. Направленная кристаллизация и
микроструктура эвтектического сплава Fe-Fe2Nb
// Физика металлов и металловедение. 1974, т.38,
в.4, с.766-772.
8. Деклараційний патент України 49616А,
7В22D27/04. №2002010135, Спосіб отримання
монокристалічних відливок та пристрій для його
здійснення // В.М.Ажажа, В.Я.Свердлов,
Г.П.Ковтун, Д.Г.Малихін та ін. // 2002, Бюл.№9,
4с.
9. В.П.Монастырский, Е.В.Монастырская, А.Е.Зуев.
Теплофизические особенности направленной
кристаллизации с применением опорного
наполнителя // Физика и химия обработки
материалов. 2004, №5, с.79-87.
ДОСЛІДЖЕННЯ ГРАДІЄНТУ ТЕМПЕРАТУРИ НА ФРОНТІ КРИСТАЛІЗАЦІЇ
МОНОКРИСТАЛІВ Ni-W-СПЛАВІВ
С.С. Гранкін, В.Я. Свердлов
Розроблена методика вимірювання градієнту температури на фронті кристалізації при спрямованій
кристалізації сплаву НВ-4 в установці з кристалізатором, в якому в якості рідинно-металевого
легкоплавкого теплоносія використовується галій. Мікротермопара встановлювалася в керамічній формі,
розміщеній в графітовій опоці. Досліджено вплив градієнту температури на морфологію і структурну
досконалість монокристалів Ni-W-сплавів з комірчатою структурою.
RESEARCHES OF GRADIENT OF TEMPERATURE AT THE FRONT OF
CRYSTALLIZATION OF SINGLE CRYSTALS OF THE Ni-W-ALLOYS
S.S. Grankin, V.Ya. Sverdlov
Methodology of measuring temperature gradient at the front of solidification under direct crystallization of NV-4
alloy in the equipment with a solidificator, in which gallium is used as a liquid metal fusible thermal carrier has been
worked out. These measurements were carried out in a ceramic form, installed in crucible blacklead. The influence
of temperature gradient on morphology and structural perfection of single crystals of Ni-W-alloys with a cellar
structure has been investigated.
165
|