» » Структурная и химическая неоднородность высоколегированных сплавов
14.01.2016

Повышение уровня легирования, усложнение состава высокопрочных сплавов сопровождается, как правило, увеличением структурной и химической неоднородности металла. Это отрицательно сказывается на структурно-чувствительных механических и технологических свойствах.
Технологическая операция выплавки слитка при традиционной технологии получения изделий из конструкционных сплавов в первую очередь обусловливает структурно-химическую неоднородность сплава. Ликвационные процессы с выделением неравновесных фаз структурных составляющих, образование дефектов типа усадочных и газовых пор, трещин характерны для литых сложнолегированных сплавов. Последующие операции обработки давлением, термической и термомеханической обработки направлены на устранение дефектов структуры литого металла.
Структурно-химическая неоднородность сплавов возникает также при затвердевании фасонных отливок и сварных швов.
В общем случае ликвация обусловлена особенностями кристаллизации сложнолегированных сплавов: различием химического состава жидкой и твердой фаз в интервале температур кристаллизации сплава, а также различной диффузионной подвижностью компонентов сплава в жидкой и твердой фазах.
Развитие структурно-химической неоднородности при кристаллизации высоколегированных сплавов зависит от особенностей жидкого состояния сплавов, диффузионного выравнивания составов жидкости и кристалла в интервале температур кристаллизации, от формы роста кристаллов. Влияние природы легирующих компонентов, особенностей диаграмм состояний на степень неоднородности сплавов определяется температурной и концентрационной шириной интервала кристаллизации.
Вакуумно-индукционная плавка (ВИП) высоколегированных никелевых жаропрочных сплавов сопровождается образованием обширной внутренней осевой пористости, выходящей на поверхность слитка, или образованием протяженной внутренней усадочной полости и крупнокристаллической центральной зоны (рис. 2.1, а). Периферийная зона имеет существенно более дисперсную структуру.
Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) устраняет осевую пористость, формируется более равномерная и плотная структура (рис. 2.1, б).
Структурная и химическая неоднородность высоколегированных сплавов

Крупные слитки жаропрочных высоколегированных сплавов на основе никеля, полученные в том числе и методом двойного переплава (ВИП + ВДП), характеризуются зональной ликвацией — неоднородностью в масштабе макроструктуры слитка (макроликвацией) — и дендритной (внутрикристаллитной) ликвацией — неоднородностью в пределах отдельного кристаллита (дендрита).
На рис. 2.2 и 2.3 приведены макроструктуры слитков жаропрочных высоколегированных сплавов на основе никеля с внеосевой и пятнистой ликвацией.
Структурная и химическая неоднородность высоколегированных сплавов

Формирование этих разновидностей зональной ликвации при кристаллизации слитка в некотором температурном интервале обусловлено образованием в частично закристаллизовавшемся металле трещин, надрывов, усадочных пустот, которые заполняются остаточным расплавом, обогащенным ликвирующими компонентами. Различие внеосевой и пятнистой ликвации обусловлено различными механизмами образования дефектов в виде трещин, надрывов, пустот из-за разлома частично закристаллизовавшейся твердой фазы. В случае внеосевой ликвации дефекты формируются в результате воздействия конвективных потоков расплава вблизи фронта кристаллизации, а в случае пятнистой ликвации разлом частей кристаллической фазы определяется нес компенсированным электромагнитным вращением расплава в ванне при ВДП.
Структурная и химическая неоднородность высоколегированных сплавов

Ликвационные шнуры представляют собой в продольном сечении темные извилистые полосы, а в поперечном — округлые пятна, расположенные вдоль фронта кристаллизации. Микроструктура металла в области шнуров характеризуется образованием неравновесной эвтектики (γ + γ) с выделениями карбидной фазы (рис. 2.4). Температура оплавления металла в этих участках с неравновесной (γ + γ)-эвтектикой существенно ниже, чем основной массы сплава (для жаропрочных никелевых сплавов примерно на 100 °С). Локализованное выделение термически устойчивых крупных частиц карбидных фаз (в общем случае фаз внедрения) приводит к тому, что устранение зональной ликвации путем термообработки затруднено. Микроструктура ликвационных пятен после высокотемпературного отжига характеризуется наличием крупных карбидных частиц, что свидетельствует о высокой устойчивости выделений карбидных фаз и сохранении ликвационной неоднородности.
Структурная и химическая неоднородность высоколегированных сплавов