- •Шишляев, В.Н.
- •1.3.1. Полиморфные превращения
- •2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
- •2.3. Свойства металлических расплавов
- •2.3.1. Температура плавления и плотность
- •2.3.2. Поверхностное натяжение
- •2.3.2.1. Поверхностное натяжение и смачиваемость
- •2.3.2.2. Капиллярные явления
- •2.3.2.3. Определение поверхностного натяжения
- •2.3.4. Диффузия в жидких металлах и сплавах
- •Вопросы для самоконтроля
- •3.1. Термодинамические условия кристаллизации
- •3.3. Кинетика кристаллизации
- •3.4. Механизм кристаллизации
- •Вопросы для самоконтроля
- •4. ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
- •4.1. Кристаллизация чистых металлов
- •Х/ННчУ
- •4.2.1.1. Концентрационное переохлаждение
- •4.2.1.2. Особенности механизма кристаллизации сплавов, образующих твердые растворы
- •4.2.2. Кристаллизация эвтектических сплавов
- •4.2.3. Эвтектические структуры в реальных сплавах
- •5.2. Основные положения современной теории кристаллизации
- •5.2.2. Формирование центральной равноосной зоны
- •5.3.2. Влияние скорости кристаллизации
- •5.3.3. Влияние перегрева
- •5.3.4. Влияние перемешивания расплава
- •5.3.5. Влияние примесей
- •Вопросы для самоконтроля
- •6.1. Получение отливок с заданной структурой
- •6.2. Величина зерна литых сплавов
- •6.2.1. Границы зерен в литых сплавах
- •6.2.2. Микроструктура литых сплавов
- •6.3.3. Специальные методы модифицирования
- •6.3.4. Виды модифицирования
- •7.1. Дендритная ликвация
- •7.2. Зональная ликвация
- •7.2.1. Прямая зональная ликвация
- •ШШШШШ
- •7.2.2. Обратная ликвация
- •8.1. Растворимость газов в расплавленных металлах
- •8.3. Выделение газов в процессе затвердевания
- •8.5. Неметаллические включения
- •8.6. Методы устранения дефектов газового характера
- •8.6.1. Предупредительные меры
- •8.6.2. Способы удаления газов из расплава
- •8.7. Рафинирование расплавов
- •8.8. Раскисление металлических расплавов
- •Вопросы для самоконтроля
- •9. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ
- •9.1. Кристаллизация при высоких скоростях охлаждения
- •9.2. Получение монокристаллических изделий
- •9.4. Получение компактных нанокристаллических материалов
- •9.4.2. Методы получения наноматериалов
- •Вопросы для самоконтроля
- •10. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ
- •10.1. Жидкотекучесть
- •10.1.1. Виды жидкотекучести
- •10.1.2. Определение жидкотекучести
- •10.1.3. Жидкотекучесть чистых металлов и сплавов
- •10.1.5. Влияние технологических условий литья
- •10.1.7. Заполняемость форм
- •10.2. Усадка литейных сплавов
- •10.2.4. Определение объемной усадки
- •10.2.7. Устранение усадочных раковин
- •10.2.8. Герметичность сплавов
- •10.3. Напряжения в отливках
- •10.3.1. Классификация напряжений
- •10.3.2. Методы снижения напряжений
- •10.4. Горячеломкость сплавов
- •10.4.1. Виды трещин в отливках
- •10.4.2. Оценка горячеломкости сплава
- •10.4.3. Факторы, влияющие на горячеломкость сплавов
- •10.4.4. Пути снижения горячеломкости
- •Вопросы для самоконтроля
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
сплавов. У алюминиевых сплавов с пересыщенным твердым раство ром прочность возрастает в 1,5-2,0 раза. Такая прочность достигает ся при охлаждении расплава путем распыления и последующего пе ревода мельчайших частиц в компактное состояние путем пластиче ской деформации.
Сплавы на основе Fe, Ni, Со с добавками неметаллов С, В, Р, Si в аморфном состоянии приобретают повышенные электромагнитные характеристики. Ленты из таких сплавов толщиной 50-100 мкм, по лученные путем литья на водоохлаждаемый барабан, используют для изготовления сердечников трансформаторов и головок магнитофо нов. Некоторые материалы приобретают полупроводниковые свой ства, другие становятся сверхпроводимыми.
9.2. Получение монокристаллических изделий
Свойства поликристаллических металлов и сплавов зависят от формы и размеров кристаллов, а также от состояния их границ. Для получения истинных значений некоторых свойств твердых тел необ ходимо испытывать монокристаллические образцы.
Монокристаллы находят достойное применение и в технических системах, благодаря своим особым и стабильным свойствам. Чаще всего это монокристаллы германия и кремния, которые используются в полупроводниковых системах Монокристаллические детали из ту гоплавких металлов и сплавов позволяют повысить надежность аэ рокосмических аппаратов. Лучшие характеристики имеют магнит ные материалы в виде монокристаллов.
Для получения монокристаллов необходимо регулировать теп лоотвод. Основной принцип всех методов выращивания монокри сталлов можно выразить следующим образом: отвод скрытой тепло ты не должен сопровождаться таким переохлаждением, при котором могут образоваться зародыши новых кристаллов. Для реализации этого принципа необходимо создать такие условия, чтобы тепло та отводилась через растущий кристалл. Это возможно, если крис талл соприкасается с холодильником, а питающий его расплав по догревается.
Все методы выращивания монокристаллов можно поделить на три группы:
-вытягивание кристалла из расплава;
-направленная кристаллизация всей массы расплава;
-последовательное расплавление небольших зон слитка. Важное значение имеет момент начала кристаллизации, т.е. за-
родышеобразование. В большинстве случаев используют затравоч ные кристаллы из того же материала, что и расплав, или из материала с близкими параметрами кристаллической решетки. Использование
затравочных кристаллов позволяет выращивать |
монокристаллы |
с нужной ориентацией кристаллической решетки. |
|
Метод вытягивания кристаллов из расплава, |
предложенный |
в 1917 году Чохральским (J.Z. Czochralski), используют в полупро водниковой промышленности. В этом случае над тиглем 4 на верти кальном штоке 1 устанавливают затравочный кристалл 2 и опускают его до соприкосновения с расплавом. Схема вытягивания кристалла показана на рис. 96. После установления теплового равновесия шток начинают вращать и медленно поднимать со ско ростью, равной скорости роста кристал ла. Если скорость подъема будет отли чаться от скорости роста, то произойдет либо утолщение, либо утоныпение се
чения кристалла. Вращение затравки, |
|
|
а в последующем и кристалла, позволяет |
|
|
придавать ему симметричную форму. |
|
|
Кроме того, вращение кристалла пере |
|
|
мешивает расплав у поверхности разде |
|
|
ла, уменьшая здесь концентрацию при |
|
|
месей. Диаметр кристалла регулируют |
Рис. 96. Схема вытягивания |
|
подбором скорости вытягивания и тем |
||
монокристаллов по методу |
||
пературы расплава по отдельности или |
||
Чохральского |
||
одновременно. Над расплавом из хими |
||
|
чески активных веществ необходимо создавать защитную атмосферу или вакуум, поэтому тигель с расплавом находится в герметичной камере 4 с индукционным подогревом 5.
Метод нормального затвердевания применяют для получения монокристаллов из веществ с относительно невысокой температурой плавления. Схема процесса показана на рис. 97.
1 |
2 |
3 |
4 |
Рис. 97. Схема выращивания монокристаллов по методу нормального за твердевания: 1- кристалл; 2 - холодильник; 3- расплав; 4 - источник тепла
Кристаллы выращивают в так называемых лодочках. Это вытя нутые тигли небольшого сечения, открытые сверху (рис. 98). В узкой части тигля помещают затравочный кристалл, а остальную полость заполняют расплавом.
|
/ Л |
Лодочку |
помещают |
в нагрева- |
|
/ |
тельную |
печь, |
а затем медленно вы- |
||
--------------- |
i-H - |
двигают |
ее в |
сторону |
затравочного |
\/ Ц кристалла. Для лучшего теплоотвода
левая часть тигля может быть снабже на дополнительным водяным охлаж дением. В лодочку можно загружать и твердую садку. В этом случае снача ла плавят загруженный материал
и часть затравочного кристалла, а потом перемещают плоский фронт кристаллизации, сдвигая лодочку или нагреватель. По этому методу можно выращивать кристаллы различной формы, меняя конфигура цию полости лодочки, закрывая ее крышкой.
Если требуется вырастить кристалл с определенной ориентаци ей кристаллической решетки, то и затравочный кристалл должен иметь ту же самую ориентацию. В связи с этим на первом этапе вы ращивания монокристаллов всегда встает задача получения затра вочных кристаллов с известной ориентацией, совпадающей с тре буемой или близкой к ней в монокристалле. Если угол между осью затравки и геометрической осью кристалла не более 40°, то, устанав ливая затравку в лодочке под этим углом, заданную ориентацию
даже в мыслях не допускали, что такие ответственные детали можно изготовлять из литых заготовок. В 40-х годах прошлого века литые сопловые лопатки успешно прошли испытания на двигателях. В со временных газотурбинных двигателях устанавливаются охлаждае мые рабочие лопатки. Единственным способом изготовления таких лопаток с системой внутренних каналов является литье по выплав ляемым моделям. Основные конструкционные свойства металлов и сплавов (прочность, пластичность, сопротивление усталости и др.) зависят от структуры отливок. В начале освоения литых лопаток стремились к получению равномерной мелкозернистой макро структуры. Поскольку границы зерен являются наиболее слабым ме стом в структуре жаропрочных сплавов, то лопатки с такой структу рой быстро исчерпали свои возможности. Повышение эксплуатаци онной прочности лопаток стало возможным при получении лопаток с направленной структурой. Границы зерен в лопатках должны рас полагаться вдоль оси лопатки. Дальнейшее повышение работоспо собности лопаток может быть достигнуто при полном устранении слабого звена в структуре жаропрочных сплавов - междендритных границ. Будущее за литыми лопатками с монокристаллической структурой.
Для получения заданной кристаллической структуры необходи мо управлять процессами зарождения кристаллов и их дальнейшим ростом.
Общие теоретические положения кристаллизации сплавов рас смотрены в главах 3 и 4 данного пособия. Главной особенностью кристаллизации сплавов является появление концентрационного пе реохлаждения. По мере увеличения концентрации легирующих ве ществ, растворенных в базовом металле, конфигурация межфазной поверхности между твердой и жидкой фазами изменяется от плоской и гладкой для чистых металлов до ячеистой и затем дендритной. Эти изменения сопровождаются увеличением степени дендритной ликвации.
Жаропрочные сплавы для лопаток имеют сложный химический состав. В ходе их кристаллизации непременно появляется концен трационное переохлаждение, которое и оказывает существенное влияние на рост кристаллов. Кроме решения проблем зародышеобразования и направленности роста кристаллов, при литье лопаток не
обходимо регулировать скорость кристаллизации для получения оп ределенной микро-структуры в кристаллах. Условия перехода от плоского фронта кристаллизации к дендритному приведены ранее (см. рис. 54). Вернемся еще раз к рассмотрению этого вопроса.
В зависимости от градиента тем |
|
ператур на фронте кристаллизации бу |
|
дет меняться величина концентраци |
|
онного переохлаждения 6 и длина пе |
|
реохлажденной зоны и, как следствие, |
|
формироваться тот или иной фронт |
|
кристаллизации, что наглядно видно |
|
из рис. 100. В случае максимального |
|
градиента температур (Граспл поднима |
|
ется круто вверх, не пересекая линию |
|
температуры ликвидус Tj) будет фор |
|
мироваться плоский фронт кристалли |
|
зации 1. При уменьшении градиента |
|
фронт кристаллизации меняется сна |
|
чала на ячеистый 2, затем на дендрит |
|
но-ячеистый 3 и дендритный 4. При |
|
малом градиенте появится смешанный |
Рис. 100. Влияние концентра |
фронт кристаллизации 5. В жидкой |
ционного переохлаждения на |
фазе перед ним будут новые центры |
вид фронта кристаллизации: 1, |
кристаллизации. |
II - поперечное и продольное |
Приведенная схема является тео |
сечение образца; S и L - твер |
ретической основой для разработки |
дая и жидкая часть продольно |
технологических процессов получения |
го сечения образца |
|
|
разнообразных структур жаропрочных |
|
сплавов.
В идеале лопатки должны иметь направленную столбчатую структуру или монокристаллическую бездендритную структуру с кристаллографической ориентацией [001]. Такая структура может быть получена только при направленной кристаллизации (НК). Про цесс НК необходимо организовать так, чтобы скорость роста была максимальной, а скорость зародышеобразования минимальной (ско рость роста должна превышать скорость появления новых центров кристаллизации).
Кристаллографическая ориентация кристалла может управлять ся введением затравок с требуемой кристаллографической ориента цией. Скорость кристаллизации должна обеспечивать максимальную устойчивость плоского фронта и, как следствие, минимальную оста точную химическую неоднородность закристаллизовавшегося ме талла (дендритную ликвацию).
При разработке промышленных методов НК за основу была принята схема Бриджмена. Форма закрепляется на водоохлаждаемом штоке и постепенно извлекается из зоны нагрева. Основные схемы НК показаны на рис. 101. Проблема увеличения скорости кристалли зации решалась путем перехода от радиационного охлаждения фор мы с отливкой (см. рис. 101, а) к конвективному охлаждению формы в охлаждающей жидкости (см. рис. 101, б, в). Ввиду того, что полу чение отливок из жаропрочных сплавов осуществляется в вакууме, то в качестве охлаждающих жидкостей применяют металлические расплавы с низкой упругостью паров в вакууме при температурах контакта с формой («1100 °С). Малую скорость испарения в вакууме при рабочих температурах имеют: олово, алюминий, галлий, индий и эвтектические смеси этих металлов. Из них главным образом исполь зуют алюминий.
Метод направленной кристаллизации с применением жидкоме таллических охлаждающих сред назван высокоскоростным (ВНК). ВНК обладает уникальными возможностями по созданию управляе мых структур жаропрочных сплавов даже в одной отливке с целью обеспечения оптимального сочетания свойств по высоте изделия.
Следует иметь в виду, что монокристаллической лопаткой или отливкой называют изделие, «выросшее» из одного зародыша и не имеющее границ зерен на протравленной поверхности. При этом в матрице монокристаллического изделия имеются включения пер вичных фаз с другим параметром или типом кристаллической ре шетки (карбиды, бориды и др.) и вторичные выделения некоторых фаз. Таким образом, монокристалл жаропрочного сплава не отвечает классическому определению монокристалла как объекта с непрерыв ной кристаллической решеткой. Это объясняется тем, что жаро прочные сплавы имеют сложный многокомпонентный состав. Мик роструктура жаропрочных сплавов, как показано на рис. 102, чувст вительна к скорости охлаждения в процессе НК. При изменении