Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
При термической и термомеханической обработке сложнолегированных сплавов диффузия легирующих элементов определяется химическим потенциалом элементов. В общем случае диффузия протекает в направлении градиента активности легирующих элементов, который зависит не только от концентрации соответствующего элемента, но и от градиента (распределения) других легирующих элементов и наличия дефектов структуры.
Таким образом, при термической и термомеханической обработке может иметь место не только процесс выравнивания состава сложнолегированных сплавов — гомогенизация, но и процесс усиления концентрационной неоднородности — гетерогенизация химического состава, Например, диффузионный процесс перераспределения углерода при термической обработке жаропрочных сталей и сплавов обусловлен неоднородностью распределения легирующих карбидообразующих элементов.
Скорость выравнивания состава сплава, несмотря на высокую диффузионную подвижность углерода, будет определяться скоростью диффузии атомов замещения карбидообразующих элементов.
Химическая неоднородность литого металла при термической и термомеханической обработке высоколегированных сталей и сплавов на основе никеля весьма устойчива; для полного устранения ликвации влитом металле требуется время выдержки 50—100 ч при температуре 1200 °С; в деформированном металле гомогенизация протекает обычно быстрее.
В связи с опасностью оплавления обогащенных лидирующими элементами участков структуры с пониженной температурой плавления или пережога при подготовке слитков высоколегированных сплавов к горячей деформации проводят ступенчатый отжиг Такая термообработка позволяет избежать пережога благодаря постепенному выравниванию состава при повышении температуры. При ступенчатом отжиге температура плавления легкоплавких ликвационных участков постепенно поднимается, что позволяет производить следующий нагрев при более высокой температуре. Этим методом удается поднять температуру нагрева слитка до 1300 °С без появления осевого пережога, тогда как при обычном нагреве температура оплавления ликватов составляет 1160—1220 °С. Устойчивость химической неоднородности в сталях типа ШХ15, Р12Ф5М подтверждает, что лимитирующим процессом выравнивания химической неоднородности является диффузия элемента с самой низкой подвижностью.
Эффективность гомогенизации как диффузионного процесса тем выше, чем меньше расстояние между элементами структуры, имеющими различный химический состав, чем выше дисперсность структуры и градиент концентрации.
Термомеханическая обработка обеспечивает комплексное воздействие на структуру сплавов как пластической деформации, так и высокотемпературного нагрева. Структуры, формирующиеся при термомеханической обработке, отличаются сложным характером и позволяют обеспечивать уровень свойств, часто не достижимый другими способами.
Повышение технологической пластичности жаропрочных сплавов, получаемых по традиционой технологии литья и последующей обработки давлением, за счет перевода их в сверхпластичное состояние возможно при формировании оптимальной структуры сплава.
Создание структуры сложнолегированных жаропрочных сплавов, обеспечивающей перевод в сверхпластичное состояние, достигается использованием термической и термомеханичекой обработки.
Термомеханическая обработка жаропрочных никелевых сплавов, которая сопровождается динамической рекристаллизацией, приводит к формированию ультрамелкозернистой структуры γ-матрицы сплава (матричная структура).
Специальная термообработка высоколегированных никелевых сплавов, содержащих 50 % γ-фазы, обеспечивает образование ультрамелкозернистой дуплексной структуры, состоящей из ультрамелких зерен γ-фазы и γ-матрицы с большеугловыми границами.
Микродуплексная структура жаропрочных никелевых сплавов в результате растворения упрочняющих матрицу дисперсных частиц γ-фазы характеризуется существенно более низкими значениями напряжения течения и температуры перехода в сверхпластичное состояние, чем ультрамелкозернистая (матричная) структура, формирующаяся в результате динамической рекристаллизации при термомеханической обработке.
Таким образом, повышение деформационной способности никелевых сплавов возможно путем предварительной подготовки структуры в результате термической и термомеханической обработки.
Однако, как правило, термическая и термомеханическая обработка не позволяет устранить структурно-химическую неоднородность, гетерогенность структуры, сформировавшуюся уже на первой технологической стадии при выплавке слитка.
Гомогенизация твердого раствора и растворение выделений второй фазы — это диффузионные процессы, которые определяют зависимость скорости растворения фаз и скорости выравнивания химического состава от температуры, времени выдержки и исходного градиента концентраций.
Гомогенизирующий отжиг, целью которого является устранение неравновесной эвтектики, а также уменьшение степени дендритной ликвации, т.е. расширение области гомогенности, способствует некоторому повышению пластичности сплавов.
Повышение структурно-химической однородности слитков традиционно осуществляется применением процессов переплава, гомогенизационного отжига, а также специальной термомеханической обработки. Для рассматриваемых высоколегированных жаропрочных сплавов использование разнообразных видов термической и термомеханической обработки с целью их гомогенизации, как правило, не дает желаемого результата.
Сложнолегированные жаропрочные никелевые сплавы подвергают различным вариантам многоступенчатой термообработки с длительными выдержками при высоких температурах, а также термомеханической обработке с деформацией до 75 %, что, однако, не устраняет дендритную ликвацию углерода, бора с выделением карбидной и боридной фаз. В результате термической обработки нередко усиливается неоднородность распределения углерода вследствие образования крупных частиц карбидов, обусловленного протеканием восходящей диффузии.
Карбидная микронеоднородность быстрорежущей стали с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов также сохраняется после термомеханической и термической обработки.
Гетерогенизация структуры наблюдается при гомогенизационном отжиге литых высоколегированных сплавов на основе алюминия и легированных сталей в результате протекания восходящей диффузии компонентов, выделения и коогуляции избыточных фаз.
Основным направлением создания сплавов с высоким уровнем прочности, жаропрочности, износостойкости, коррозионной стойкости и других характеристик является повышение сложности и степени легирования. В связи с этим ликвация легирующих элементов: зональная и грубая дендритная неоднородность структуры крупных слитков, наличие дефектов структуры, низкая технологическая пластичность, неэффективность гомогенизационной термообработки — определяет широкий круг сложных проблем при изготовлении изделий традиционной выплавкой крупных слитков и их последующей обработке.