単結晶鋳造における低角度粒界欠陥の原因

低角度粒界の起源

単結晶鋳造における低角度粒界（LAB）欠陥は、凝固過程で隣接する樹枝状晶腕の間に小さな方位ずれが生じることで発生します。完全に均一な結晶方位が形成される代わりに、わずかなずれが転位の配列として蓄積します。方位ずれが約15°未満の場合、これらの転位ネットワークは完全な粒界ではなくLABを形成します。迷走粒やスリバーよりも微妙ではありますが、LABは理想的な単結晶構造を乱し、クリープ性能に悪影響を及ぼす可能性があります。

温度勾配と凝固不安定性

LABは、一方向凝固中に温度勾配が変動する際に一般的に形成されます。不均一な放熱（金型の角や断面遷移部付近でのわずかな変動でも）により、樹枝状晶腕が傾斜したり、わずかに異なる角度で成長したりします。これらのずれが蓄積し、低角度転位粒界を形成します。CMSX-486やRene N5のような、凝固窓が狭い合金は、特にこれらの勾配不安定性に敏感です。

機械的応力と収縮応力

鋳造品が冷却される際、厚肉部と薄肉部の間の不均一収縮により、局所的なひずみが生じることがあります。この塑性変形により、結晶内の転位密度が増加します。転位のクラスターが秩序立った配列に再配列されると、LABが形成されます。急激な形状遷移や冷却孔などの特徴は、これらの応力を増幅させ、そのような箇所はLABが発生しやすくなります。

樹枝状晶の競合と成長のずれ

凝固初期において、複数の樹枝状晶腕が優位性を競います。もし方位のずれた樹枝状晶がセレクター領域や初期成長領域で生き残った場合、完全に抑制される代わりに、LABを形成するほど長く存続する可能性があります。わずかな溶湯流の乱れ、乱流、または金型壁との相互作用により、樹枝状晶の主幹がわずかに傾斜し、鋳造品の深部でLAB欠陥として現れる低角度の方位ずれを生じさせることがあります。