涡轮发动机叶片工作环境恶劣,对内部组织和叶片质量有严格要求。目前采用的单晶空心叶片结构复杂,单晶成型工艺的难度增大,导致定向凝固过程容易产生杂晶、取向偏离、组织粗大等缺陷。高温合金中难溶元素含量的增加导致铸态组织产生高度的成分偏析,同时存在共晶相含量高、组织不均匀等缺陷,严重降低叶片的高温力学性能,需采用适当的热处理工艺改善叶片的铸态组织。随着计算机软硬件技术的发展,数值模拟已成为研究单晶叶片定向凝固过程的重要方法。本文以模拟和实验相结合的方法研究了单晶叶片的选晶过程、定向凝固规律和杂晶的形成、热处理制度对合金组织的影响,致力于获得组织稳定均匀、性能良好的单晶叶片,主要内容如下:1.对制备单晶所需的选晶器进行了模拟和实验研究。选晶器包括引晶段和螺旋选晶段两部分,引晶段主要作用是通过外壁的阻挡和晶粒间的竞争生长减小晶粒密度并优化晶粒取向。随着引晶段高度的增加晶粒数量减小,由等轴晶向柱状定向组织转变,[001]方向和轴向的偏角逐渐减小,一次枝晶间距增大。引晶段高度增大至一定值后,对晶粒取向的优化作用减弱。螺旋段是通过狭窄几何螺旋通道的限制作用和促进晶粒的竞争生长选择一个晶粒生长成为单晶组织。螺旋段的选晶机制包括纵向对于一次枝晶的选择和横向对于二次枝晶的限制作用,处于通道内有利位置的晶粒存在更大的生长空间,占据生长优势容易被选出。模拟结果表明螺旋段中通过竞争生长而胜出的唯一晶粒取向是随机的。2.对单晶叶片定向凝固过程温度场的分布和凝固顺序进行了研究,并分析了变截面杂晶的形成方式和影响因素。铸件不同部位的凝固界面移动速度不同,并且和抽拉速度相关。不同的抽拉速度下糊状区的弯曲状态不同,增大抽拉速度导致液相前沿的温度梯度减小,糊状区宽度增加。叶身的等温线由阴影侧叶背向近炉侧叶盆推进。型芯的存在减小了叶片壁厚,无法形成持续的横向温度梯度,缩小了横向枝晶的生长空间,叶身部分的单晶组织生长状态较好。叶片缘板的枝晶由叶身向四周扩展,缘板边缘的过冷度较大,枝晶生长至过冷区域即快速生长。当边缘过冷度超过临界形核过冷度杂晶形成,倾斜变截面阴影侧最低点的杂晶形成倾向最大。抽拉速度增加后通过改变等温线的弯曲程度增大了平台边缘的过冷度,进而影响杂晶的形成倾向性。较小的抽拉速度可有效避免杂晶的形成。3.对单晶叶片铸态和热处理态微观组织和成分偏析进行了研究。铸态试样中枝晶干γ’相尺寸均匀细小,枝晶间γ’相较粗大,而且存在大量的低熔点γ/γ’共晶相。W、Re等元素偏聚于枝晶干,Al、Ta等元素富集在枝晶间。随着固溶温度的增加和固溶时间的延长,共晶相含量逐渐减少,固溶温度为1340℃时共晶相完全溶解。进一步提高固溶温度,枝晶间和枝晶干中出现初熔现象,其中枝晶间更容易产生初熔。固溶温度升高组织中γ’相尺寸减小,并在1340℃时趋于均匀。固溶处理可改善元素在枝晶干和枝晶间的偏析情况,其中Cr、Co、Ni在较低的固溶温度下即可快速扩散均匀,Al、Ta元素均匀化的温度稍高,W、Re元素的偏析最难改善,为避免组织中出现初熔,W、Re元素的偏析并未消除。