» » Дефекты структуры и дендритная ликвация
14.01.2016

Химическую неоднородность, обусловленную дендритной формой роста кристаллов, называют дендритной ликвацией.
В жаропрочном никелевом сплаве ЖС6У примером такой неоднородности является обогащение углеродом межосных участков дендритов (рис. 2.10).
Дендритная ликвация — результат отклонения процесса затвердевания сплавов от равновесных условий.
Химическое взаимодействие компонентов в расплаве и твердом кристалле влияет на их перераспределение при кристаллизации, причем в случае сильного химического взаимодействия степень проявления этого эффекта усиливается.
Таким образом, дендритная кристаллизация зависит не только от условий кристаллизации и наличия примесей, но и в значительной мере от свойств легирующих компонентов или примесей.
Дендритная ликвация в слитке проявляется в виде внутрикристаллитной концентрационной неоднородности, а также в образовании неравновесных избыточных фаз и структурных составляющих.
Интенсивное обогащение межосных участков дендрита углеродом и карбидообразующими элементами в жаропрочных никелевых сплавах сопровождается локализованным выделением частиц карбидной фазы. Неоднородный характер ее распределения, низкая степень дисперсности существенным образом влияют ка снижение прочностных и пластических характеристик.
В жаропрочных сложнолегированных никелевых сплавах имеет место грубая дендритная ликвация с образованием неравновесной (γ + γ)-эвтектики, скоплений крупных частиц избыточных карбидных, боридных и интерметаллидных фаз (рис. 2.11). Это сопровождается резким снижением технологической пластичности жаропрочных никелевых сплавов и ростом потерь металла при производстве изделий.
Дефекты структуры и дендритная ликвация
Дефекты структуры и дендритная ликвация

В области реализуемых скоростей охлаждения внутренний объем дендритных осей имеет состав, определяемый равновесным солидусом. Этот объем металла постоянного состава занимает большую часть сечения дендритных кристаллов. В поверхностном сравнительно тонком слое дендритных осей концентрация легирующего компонента быстро возрастает, достигая предельной растворимости на границе, что сопровождается обычно формированием эвтектической или перитектической структуры в межосных участках.
При неравновесной кристаллизации обогащение жидкой фазы примесями с образованием неравновесной эвтектики может происходить как в доэвтектических сплавах, состав которых лежит между эвтектической точкой и точкой предельной растворимости, так и в сплавах, состав которых лежит в области концентрации ниже предела растворимости.
В общем случае появление неравновесной эвтектики зависит от скорости охлаждения при кристаллизации.
Качественная зависимость степени ликвации от времени или скорости затвердевания, предложенная академиком А.А. Бочваром, представлена на рис. 2.12. В соответствии с этой зависимостью при очень низкой или высокой скорости затвердевания неравновесная эвтектическая концентрация не достигается. В первом случае — потому, что кристаллизация протекает в условиях, близких к равновесным, и сопровождается достаточно полной гомогенизацией состава, а во втором — из-за того, что не успевает произойти диффузионное перераспределение легирующих элементов при затвердевании.
Дефекты структуры и дендритная ликвация

Максимум ликвации соответствует средней скорости охлаждения при кристаллизации (10в-1—10в2 °С/мин). В диапазоне скоростей охлаждения, который реализуется в производственных условиях при традиционных методах литья, количество избыточной составляющей довольно значительно и практически не меняется.
Важнейшей закономерностью дендритной кристаллизации, определяющей структуру слитка, является гиперболическая зависимость расстояния между ветвями дендрита (дендритного параметра) от скорости охлаждения.
Дендритная ликвация оказывает сильное влияние на структуру и свойства литого сплава, сказывается на структурных и фазовых изменениях при обработке давлением и термической обработке, а также на свойствах полуфабрикатов и изделий.
Сильной ликвации подвержены высоколегированные инструментальные, быстрорежущие стали. Основное направление улучшения служебных характеристик, в частности режущих свойств, износостойкости, — легирование этих сталей карбидообразующими тугоплавкими элементами при содержании углерода, обеспечивающем образование первичных эвтектических (ледебуритиых) карбидных фаз (рис. 2.13). Карбидная ликвация, характерная для литых быстрорежущих сталей ледебуритного класса, ухудшает их механические, технологические характеристики, повышает склонность к трещинообразованию. Степень развития дендритной ликвации зависит от коэффициента распределения легирующего элемента между твердой и жидкой фазами.
Дефекты структуры и дендритная ликвация

Для углерода и других элементов внедрения, характеризующихся низкой растворимостью в твердом состоянии в сталях, никелевых сплавах, коэффициент распределения существенно ниже единицы, и в связи с этим наблюдается высокая склонность к ликвации.
Жаропрочные аустенитные коррозионно-стойкие хромо никелевые стали, применяемые в атомной технике, например 07Х16Н15МЗБР (ЭП172), характеризуются наличием карбоборидной неоднородности в исходном слитке (рис. 2.14), в полуфабрикате и в конечном изделии — тонкостенной трубке — оболочке ТВЭЛа (рис. 2.15).
Дефекты структуры и дендритная ликвация

Увеличение массы слитка необходимо для изготовления крупногабаритных изделий и полуфабрикатов, например из никелевых или титановых сплавов. Однако чем крупнее слиток, тем грубее его структура, сильнее развивается ликвация, снижается его качество.
Коэффициент использования металла (КИМ), характеризующий отношение массы заготовки к массе изделия, при изготовлении авиационных деталей из высокопрочных титановых сплавов больших размеров и массы, сложной формы, требующих круговой и точной механической обработки, весьма низкий и составляет 16—28 %.