定向凝固鑄造高溫合金(directionallysolidifiedsuperalloy)

晶粒按控制方向生長的鑄造高溫合金。定向凝固又稱定向結晶。對于一個鑄件來說，定向凝固鑄件是由-束平行排列的柱狀晶構成。

簡史20世紀50年代，航空發動機渦輪進口溫度的提高i要求材料的強度相應提高，而鑄造高溫合金的晶界是薄弱環節。航空發動機的渦輪葉片在軸向離心力的作用下，裂紋首先在葉片的橫向晶界產生，導致破壞。60年代初，為解決這-問題，研制了定向凝固工藝，消除葉片的全部橫向晶界，縱向性能獲得顯著改善。由于鎳基鑄造高溫合金的晶體擇優生長的晶向是<100>方向，這一取向具有低彈性模量，因此改善了合金的熱疲勞性能。

定向凝固原理和工藝為了獲得定向凝固單向柱狀晶組織，必須同時滿足兩個條件：第一，熱流垂直于晶體生長的固液界面單-方向導出；第二，晶體生長的界面前的熔體中沒有新的結晶核心并長大，保持正的溫度梯度。定向凝固的工藝原理是，將-個開底的精鑄模殼放在水冷底盤上，周圍有加熱裝置，把模殼加熱到高于合金熔點的溫度，沿鑄件方向形成溫度場，然后澆入過熱的合金熔體，通過不同方式冷卻，使鑄件的凝固潛熱從底部向下散出，實現定向凝固。定向凝固工藝主要有發熱鑄型法、功率降低法、高速凝固法和液體金屬冷卻法等。

顯微組織特征定向凝固鑄造高溫合金的成分特點是：在普通鑄造合金成分中加入鉿，以改善其橫向塑性。該合金的顯微組織(見高溫合金材料顯微組織)特征是：生長完整的樹枝晶，且樹枝晶由下而上地粗化，隨著樹枝晶桿的粗化，二次臂伸展變大，其上又出現三次臂。上述樹枝晶的生長又決定了高溫合金主要析出相7，(見高溫合金材料的金屬間化合物相)、γ-γ’共晶、M₂₃C₆、Mc等(見高溫合金材料的間隙相)的分布和形貌，Mc、γ-γ’共晶相特征是上部粗下部細、呈條狀排列，γ’相的顆粒度與冷卻速度相關。

高溫合金定向凝固的效果與合金中γ’相含量相關，γ’相愈多，樹枝干的強化效果愈好，就愈能顯示出定向凝固工藝的優越性。這說明定向凝固鑄造高溫合金必須有高的y含量。為了獲得定向凝固合金的細小γ’相，通常采用熱處理手段。-般說，細小γ’相數量增加，則合金的持久強度提高。

應用定向凝固鑄造高溫合金的使用溫度可提高10～30℃，從而使渦輪前進口溫度提高20～30℃。定向凝固鑄造高溫合金具有優越的抗熱疲勞性能、中溫塑性和較長的蠕變壽命。與普通鑄造高溫合金相比，定向凝固鑄造高溫合金提高熱疲勞壽命8倍，增加蠕變壽命2倍，提高塑性4倍。

定向凝固鑄造高溫合金葉片于60年代中期首先用于軍用航空發動機，隨后60年代末期，開始用于民航發動機；到80年代，僅美國惠普公司已生產百萬個定向凝固葉片，可裝4000臺發動機。