铸造镍基高温合金单晶各向异性的超声波测定方法

在燃气涡轮发动机上，高速转动的涡轮叶片除了受到高温燃气的冲击，还要经受巨大的径向离心力、径向和横向的振动疲劳应力，以及其他复杂方向的弯曲、扭转应力。因此，对于叶片材料，不但要求具有高的纵向力学性能，对其他方向的力学性能也有一定的要求。由于单晶合金在不同的晶向上具有不同的性能，研究测定单晶合金力学性能的各向异性是重要的。

立方晶系的镍基高温合金单晶具有三个弹性常数：C₁₁、C₁₂和C₄₄。这些数据虽然可以用常规的力学性能试验方法测出，但试样的加工和测试都比较困难，而且误差较大。在各向异性的晶体中，声波的传播与质点的位移之间常无简单的关系，但对Christoffel方程求特解表明，在某些方向上可传播纯纵波和纯横波，并可利用所测数据计算出相应的弹性常数。

密度为8.2g/cm³、尺寸为160mm×70mm×7.5mm的单晶试样，用背反射劳厄照相法沿定向凝固方向测定晶体取向，其纵轴方向即定向凝固方向，与[100]的偏角为70.5°，横轴方向和厚度方向分别与[010]和[001]的偏角为5°和2°。图11.1-10表示该单晶试板正、反表面上的超声瑞利波速度（v_s）、一次波幅度（A_s）和传播方向同[100]夹角的关系。0～180°为试板正面角度，180～360°为反面角度，图形基本是四重对称，少量的对称偏离是由于试板表面与晶体（001）面具有6°左右的倾角引起的。

图11.1-10 单晶试板表面波速度和一次波幅值与传播方向同[100]夹角的关系

在立方晶体中，沿[100]方向传播、沿[001]方向偏振、传播速度v_t[001]的横波和沿[110]方向传播、沿方向偏振、传播速度的横波与晶体弹性常数的关系分别是

用垂直入射、水平偏振横波探头在试块上测得v_t[001]，由式（11.1-2）可算得C₄₄。(www.xing528.com)

在立方晶系中，沿[100]和[110]方向传播的超声纵波的传播速度与晶体弹性常数之间有以下关系

用垂直入射纵波直探头在试块上测得v_l[100]，由式（11.1-4）可算得C₁₁。将C₁₁和代入式（11.1-3），可得C₁₂。

根据立方晶系弹性常数C与弹性柔度S的关系式，可算出S₁₁、S₁₂和S₄₄；而根据算得的弹性柔度，即可算得不同位向的拉伸弹性模量E。

可以看出，利用超声波检测法不仅可测出单晶合金的弹性模量，还可根据所确定的超声瑞利波在单晶中传播的各向异性特征，对单晶零件（甚至对定向凝固多晶叶片）的取向度进行估测是可能的。对于涡轮叶片柱晶对叶片主轴的偏离度（多晶定向凝固叶片两柱晶之间的夹角，如图11.1-11所示），在一些技术条件中是有要求的，如有些技术条件规定柱晶对叶片主轴的偏离度不得大于15°，两柱晶之间的夹角不得大于20°，与排气边相交的柱晶夹交角不得大于10°。

图11.1-11 DZ22合金定向凝固板坯的低倍组织