中文摘要：

随着军民用工业对热端部件服役效率要求的提高，发展高整体性及可靠性的GH4169合金制件成为大势所趋。高整体性的制件需要大尺寸的高温合金钢锭，而黑斑缺陷则是影响GH4169合金锭型扩大的瓶颈及目前亟待解决的难题。本项目拟通过对GH4169合金凝固过程黑斑缺陷形成机理的系统研究，解决以下两个核心问题1）从定量分析角度，结合热力学平衡相计算及相关的动力学分析，研究GH4169合金凝固过程中微观偏析的演化进程、微观偏析与宏观偏析（黑斑）的关联性，提出基于相反应后糊状区"局部等效体"密度演化进程的宏观偏析（黑斑）产生的临界模型；2）结合凝固过程的有限元数值分析及工程典型试验，建立凝固前沿宏观特性参数与糊状区基于"局部等效体"密度演化的黑斑产生条件的定量关系，进而提出基于工程凝固条件的GH4169合金冶炼工艺控制准则。研究结果预期可为工程生产中GH4169合金钢锭凝固过程质量控制提供理论指导。

结论摘要：

黑斑缺陷是影响GH4169合金锭型扩大的瓶颈，是工程实际亟待解决的课题。本项目主要通过以下工作对GH4169合金凝固过程黑斑缺陷的形成机理进行了系统研究 设计并进行了工艺参数可控的GH4169合金凝固过程动态模拟试验；结合热力学相计算及动力学分析、微观分析、电子探针等手段，研究了GH4169合金凝固过程枝晶间微观偏析的特征及演化规律；提出了表征糊状区微观偏析演化机理的数学模型；借助均匀化实验，分析了微观偏析与宏观偏析（黑斑）的关联性。结果表明，在较低的冷却速度下，GH4169合金凝固前沿Nb、Mo元素的偏析比较严重，相对Rayleigh数的数值较大，糊状区稳定性较小，产生黑斑缺陷的可能性增加。结合凝固过程的有限元数值分析及工程典型试验，分析了工程凝固参数变化对钢锭凝固前沿糊状区特性的影响规律。结果表明随着热交换系数h的降低，金属液冷速下降，凝固区域不均匀性增大；随着锭型尺寸的扩大，金属液的降温速度变慢，凝固方式由同时凝固转变为顺序凝固。进而，利用清华大学的FT-STAR软件分析了Nb含量变化对凝固过程微观组织、枝晶间元素分布等的影响。结果表明随着冷却速度的降低，元素偏析程度增大，且Nb>Ti>Mo，Nb是最主要的偏析元素；随着Nb添加量的增加，枝晶组织粗化，元素偏析加重。进而，通过对高Nb GH4169合金重熔铸锭、不同Nb含量工业GH4169合金铸锭的组织观察、成分分析，均匀化热处理实验，以及Thermo-calc和镍基高温合金沉淀相回溶过程的经典动态模型的动态计算，研究了高Nb GH4169合金凝固过程的组织特征和元素分布规律。结果表明为避免铸锭均匀化后仍然残留宏观尺度上析出相，在凝固过程中冷速应尽量控制大于1℃/min；Nb元素含量的增加可以提高Laves相的析出温度。如果Nb元素偏析浓度超过7.0%，Laves相的析出温度会高于标准均匀化温度1160℃，导致部分高浓度下生成的Laves相无法回溶；结合热力学及动力学数据库及沉淀相回溶过程的经典动态模型，计算了GH4169合金钢锭中不同尺寸Laves相的溶解量随时间的变化情况。综上，GH4169合金钢锭工程应用控制黑斑缺陷的准则为保证钢锭任意部位的冷却速率均大于0.05 ℃/s，由于突然因素引起的凝固过程断电时间小于3min，合金设计时，即使是高Nb合金，Nb含量应小于7.0%。