Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Металловедческий термин «закалка» означает операцию термической обработки сплавов, заключающуюся в нагреве, выдержке и быстром охлаждении, с целью получения пересыщенных твердых растворов и метастабильных фаз. Быстрое охлаждение, определяющее закалку как технологическую операцию термической обработки, является относительным понятием. В более широком понимании это охлаждение со скоростью выше некоторого определенного значения, называемого критической скоростью охлаждения. Критическая скорость охлаждения при закалке является количественным критерием устойчивости переохлажденного метастабильного состояния сплава и определяет температурно-временные условия подавления процессов нормального, диффузионного превращения. Ее значение зависит от физико-химической природы взаимодействия компонентов а сплаве, их концентрации, структурно-фазового состояния сплава.
В связи с этим при закалке, являющейся операцией традиционной термической обработки, сплавы с низкой устойчивостью переохлажденного метастабилъного состояния, например сплав на основе алюминия Д16 системы Аl—Сu—Mg, углеродистые стали, характеризуются высокой критической скоростью охлаждения -103 К/с и подвергаются охлаждению в воде. При охлаждении на воздухе в этих сплавах протекают диффузионные процессы, сопровождающиеся в сплаве Д16 распадом пересыщенного твердого раствора и эвтектоидным превращением в углеродистых сталях. С другой стороны, сплавы с высокой устойчивостью переохлажденного высокотемпературного состояния, например жаропрочные никелевые сплавы, аустеннтиые стареющие стали с интерметаллидным упрочнением, алюминиевый сплав 1915 системы Аl—Zn—Mg, характеризуются существенно более низкой критической скоростью охлаждения 10 К/с. Эти сплавы закаливают охлаждением на воздухе.
Термин «быстрозакаленные сплавы» определяет сплавы, полученные быстрым охлаждением расплава (закалкой расплава) или при конденсации из паровой фазы (закалка из газовой фазы). Металловедческое определение быстрого охлаждения при закалке расплава основано на использовании критерия критической скорости охлаждения по аналогии с закалкой в твердом состоянии — операцией традиционной термической обработки.
Критическая скорость охлаждения при получении быстрозакаленных сплавов является количественным критерием устойчивости переохлажденного расплава и определяет температурно-временные условия подавления процесса кристаллизации. Ее значение зависит от физико-химической природы взаимодействия компонентов в расплаве, их концентрации и других факторов. Сплавы с высокой устойчивостью расплава к переохлаждению, склонные к аморфизацин (стеклованию), характеризуются низкой критической скоростью охлаждения ~102 К/с и могут быть получены в аморфном состоянии без применения специальных методов высокоскоростного охлаждения расплава.
Большинство опытно-промышленных быстрозакаленных жаропрочных сплавов, полученных при более высокой скорости охлаждения ~104 К/с — 107 К/с, характеризуются формированием высокодисперсной кристаллической структуры.
В связи с этим существуют два подхода к определению термина «быстрозакаленные сплавы». При металлофизическом подходе, критерием при котором является критическая скорость охлаждения, к быстрозакаленным сплавам относят сплавы, полученные при скорости охлаждения выше критической, т. е. сплавы в аморфном, стеклообразном состоянии. При технологическом подходе к быстрозакаленным сплавам относят сплавы, полученные с применением специальных методов высокоскоростного охлаждения расплава. В этом случае сплавы характеризуются кристаллической структурой с высокой степенью дисперсности и однородностью химического состава. По сравнению со структурой и свойствами слитков, полученных традиционными методами выплавки, быстрозакаленные сплавы отличаются проявлением эффектов высокоскоростного охлаждения и представляют собой сплавы с высокодисперсной дендритной, микрокристаллической, нанокристаллической, аморфной структурой.
Опытно-промышленными технологиями получения быстрозакаленных сплавов с применением высокоскоростного охлаждения расплава, разработаными у нас в стране, являются: металлургия гранул, РИБЗ (распыление и быстрая закалка), ВЗР (высокоскоростное затвердевание расплава). За рубежом аналогичные технологии называются Rapid Solidification Processing (RSR-технологиями).
Переход к быстрозакаленным сплавам, кристаллизация или затвердевание которых осуществляется при высоких скоростях охлаждения — закалкой расплава, открывает реальные перспективы решения рассмотренных выше проблем создания новых высоколегированных сплавов.
Скорость охлаждения при получении быстрозакаленных сплавов повышается благодаря переходу от традиционного изготовления слитка с размерами (массой), большими или соответствующими размерам (массе) изделия, к получению путем диспергирования расплава микрослитков (гранул, порошков), которые в дальнейшем обычно компактируют в массивное изделие или полуфабрикат.
Классификацию быстрозакаленных сплавов и состояний проводят по следующим критериям:
— размер микрослитков — грубодисперсные, средне- и тонко-дисперсные, ультрадисперсиые порошки;
— форма микрослитков — сферическая, осколочная, чешуйчатая, волокно, лента, фольга;
— структурно-фазовое состояние — высокодисперсное дендритное, микрокристаллическое, нанокристаллическое, аморфное;
— метод получения — распыление расплава, конденсация паровой фазы, аморфизация в твердом состоянии.
Размеры микрослитков при обычном распылении расплава составляют 1000—200 мкм, скорости охлаждения 102—104 К/с, что соответствует грубодисперсным порошкам.
В гранульной металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, титана, алюминия используются порошки сферической формы — гранулы, полученные опытно-промышленными технологиями быстрой закалки расплава со скоростью охлаждения 103—104 К/с, что обеспечивает дисперсную дендритную структуру и высокую однородность химического состава по широкому набору легирующих элементов.
Более дисперсные (микрокристаллические) структуры формируются при скоростях охлаждения 105—106 К/с, что достигается при размерах микрослитков сферической формы ≤ 100 мкм (средне- а тонкодисперсные порошки) и при затвердевании расплава в виде тонких (толщиной ~20—400 мкм) чешуек, волокон, лент в результате кратковременного контакта с быстродвижушейся металлической поверхностью. В этих условиях преобладает эффект формирования аномально пересыщенных твердых растворов и других метастабильных высокодисперсных фаз, Указанные структурно-фазовые состояния характерны для быстрозакаленных сплавов, получаемых по технологии ВЗР (высокоскоростное затвердевание расплава) и РИБЗ (распыление и быстрая закалка).
Скорости охлаждения расплава более 106 К/с применяются для получения аморфного, квазикристаллического и нанокристаллического состояний, что достигается при следующих условиях:
— затвердевание на металлической поверхности с максимально высокой скоростью теплоотвода;
— поверхностное оплавление металла концентрированными потоками энергии (лазерное, электронное, ионное, плазменное воздействие);
— применение специальных методов распыления ультрадисперсных порошков размером ≤ 100 нм.
Формирование аморфного состояния может происходить НС только при охлаждении расплава со скоростью выше критической (при быстрой закалке расплава), в том числе при поверхностном или локальном оплавлении металла под воздействием концентрированных потоков энергии, но и при осаждении (конденсации) паров на охлаждаемую поверхность, а также в твердом состоянии.
Образование аморфной фазы в твердом состоянии без предшествующего появления жидкой фазы может происходить при механическом легировании и радиационном воздействии, при взаимной диффузии двух металлических компонентов из кристаллических фаз с большой по абсолютной величине теплотой смешивании, а также в результате процессов интенсивной пластической деформации и диффузионного растворения водорода в кристаллической фазе.
Превращение «кристалл с избыточной свободной энергией — аморфная фаза» имеет место, когда свободная энергия неравновесного кристаллического состояния превышает свободную энергию аморфного состояния. Разность свободных энергий представляет термодинамическую движущую силу аморфизации.
Общие особенности процессов стеклования в твердом состоянии сходны с аморфизацией при быстрой закалке расплава.
Аморфные и кристаллические металлы и сплавы могут находиться в метастабильном, нестабильном и неравновесном состояниях, например при условии кинетического торможения перехода в равновесное состояние.
Диаграмма на рис. 5.1 в координатах свободная энергия — время отражает условия протекания превращений: переохлажденный расплав (кристалл с избыточной свободной энергией) — аморфная, квазикристаллическая, нанокристаллическая и стабильная кристаллическая фаза.
Металлические стекла (аморфные фазы) рассматриваются как нестабильные либо метастабильные фазы, формирующиеся в условиях, когда не происходит образования равновесных кристаллических фаз в результате зарождения и роста центров кристаллизации.
Формирование метастабильного либо неравновесного состояния и переход в стабильное состояние определяются конкуренцией следующих процессов: изменения состояния сплава в ходе эксперимента (в течение времени τ*) с переводом его в состояние с избыточном свободной энергией, релаксации с характерным временем τ, а также перехода в стабильное состояние при образовании зародыша, например, кристаллической фазы за время τ (рис. 5.1, 5.2). Изменения исходной аморфной структуры, не связанные с процессом кристаллизации, относят к структурной релаксации.
В условиях маловязких переохлажденных металлических расплавов процессы релаксации протекают достаточно быстро (τi мало) и реализуется кинетическое условие метастабильности Нестабильное аморфное состояние соответствует условию замороженных процессов релаксации τ*<τi<τ, а формирование стабильного кристаллического состояния — условию τ<τi<τ*.
Многие аморфные металлические сплавы получены закалкой из газовой фазы. При этом применяются различные методы осаждения из паровой фазы обычно на охлаждаемую, теплопроводящую поверхность подложки.
Способ закалки из газовой фазы позволяет получать однородные материалы в виде ультрадисперсных порошков, покрытий, пленок различной толщины. Закалкой из газовой фазы можно изготовить материалы с высокой температурной стабильностью. Исследования закаленных из расплава и газовой фазы сплавов системы Ni—Nb позволили установить более широкий интервал составов, аморфизирующихся при закалке из газовой фазы, что указывает на более высокую эффективность этого метода.
