» » Общие сведения о методах быстрой закалки расплава
15.01.2016

Быстрозакаленные сплавы получают при высокоскоростном охлаждении расплава. Большие скорости охлаждения при затвердевании (кристаллизации) обеспечивают формирование высокодисперсной структуры с высокой степенью однородности состава и распределения структурно-фазовых составляющих, а также приводят к образованию аномально пересыщенных твердых растворов, метастабильных промежуточных фаз и структурных составляющих, аморфного состояния. Это дает возможность ввести в быстрозакаленные сплавы легирующие компоненты в количествах, не достигаемых при обычных методах литья слитков; использовать в качестве легирующих малорастворимые компоненты.
Высокий уровень механических свойств, коррозионной стойкости и других физико-химических свойств, благоприятное сочетание характеристик прочности, пластичности, электрических и магнитных свойств, широкий выбор легирующих элементов и возможность формирования быстрозакаленного сплава в виде тонкой ленты, волокна, порошков различной морфологии и дисперсности определяют разнообразные перспективные направления применения быстрозакаленных сплавов.
Методы, обеспечивающие достижение высоких скоростей охлаждения, составляют широкий спектр: от экспериментальных (получение отдельных быстрозакаленных микрослитков-фольг для исследования структуры и свойств, например метод выстреливания капли расплава на теплопроводящую подложку, метод расплющивания капли расплава между медными пластинами) до методов промышленного производства (распыление, спиннингование и др.).
Выделяют три основных метода быстрой закалки расплава: распыление расплава (spray methods), закалка расплава на подложке (chill methods), закалка при оплавлении поверхности металла (weld methods). Развиваются также методы закалки из газовой фазы.
Быстрозакаленные сплавы применяются как в исходном состоянии в виде порошков, гранул, лент, волокон, так и в консолидированном (компактном) состоянии. В связи с этим технологические схемы изготовления изделий, полуфабрикатов широко варьируются: от применяемых в текстильной промышленности методов плетения до высокотехнологичных схем с использованием специального оборудования, обеспечивающего получение микрослитков различной дисперсности, формы, состояния поверхности, с последующей обработкой порошков, компактированием в массивное изделие, которые реализуются в металлургии гранул, ВЗР- и РИБЗ (RSR)-тexнологиях.
Наличие дефектов структуры компактных полуфабрикатов, изделий и задача максимального повышения уровня механических свойств обусловливают необходимость термомеханической обработки компактных полуфабрикатов с применением специальных методов, в частности изотермической и динамической деформации. В настоящее время достигнуты успехи в области опытно-промышленного производства массивных изделий из порошков быстрозакаленных микрослитков сплавов на основе никеля, титана, алюминия, железа; в области создания новых материалов, применяемых в качестве припоев при соединении металлов пайкой, а также специальных материалов для коррозионно-стойких покрытий и магнитно-мягких экранов.
Все более широко используются методы обработки материалов концентрированными потоками энергии в виде лазерного излучения, электронных и ионных пучков, плазменных потоков для повышения контактной прочности, износостойкости, коррозионной стойкости, в частности в результате формирования на поверхности при оплавлении и последующем высокоскоростном затвердевании быстрозакаленного слоя.
В зависимости от метода быстрой закалки, требуемых структурно-фазового состояния, физико-механических и других свойств используют различные структурные схемы получения изделий и заготовок (полуфабрикатов) из быстрозакаленных сплавов, соответствующие различным областям применения,
Выделяют следующие основные направления применения быстрозакаленных сплавов, которые характеризуются различными структурными технологическими схемами изготовления изделий:
1. Прямое использование быстрозакаленных сплавов в исходном состоянии — при получении их в виде лент, волокон, чешуек, ультрадисперсных порошков:
• ленты, волокна — изготовление магнитных экранов в виде ткани или оплетки кабелей, полученных методом плетения;
• ленты — создание специальных покрытий методом плакирования;
• волокна, чешуйки — упрочнение композиционных материалов;
• ленты, волокна, ультрадисперсные порошки — создание материалов для пайки (припои) и диффузионной сварки, наполнителей специальных пластмасс, резин и др.
2. Применение быстрозакаленных сплавов в качестве конструкционных материалов для изготовления изделий сложной формы с минимальными допусками из труднообрабатываемых сплавов на никелевой, титановой основе, работающих в самых тяжелых условиях нагружения.
3. Получение массивных, до нескольких тонн, полуфабрикатом (заготовок) с высокой степенью однородности структуры из высоколегированных жаропрочных сплавов, склонных к интенсивному проявлению ликвации, для последующей обработки традиционными методами.
Наряду с рассмотренными направлениями, существуют также методы прямого получения массивного компактного изделия или полуфабриката, при реализации которых капли расплавленною металла превращаются (консолидируются) в компактный материал без применения внешнего давления. Эти методы не относятся к порошковой металлургии, однако имеют с ней много общего, так как уплотнение происходит под действием капиллярных сил. Прямое получение порошковой заготовки под штамповку (оспрей-процесс), метод лазерной наплавки и плазменного напыления в условиях ускоренного затвердевания расплава являются примерами методов указанного типа.
Методы обработки поверхности изделий (модифицирования) концентрированными потоками энергии формируют в результате высокоскоростного охлаждения оплавленного металла тонкие быстрозакаленные слои. Методы модифицирования материалов (например, лазерного глазурования — laser glazing) применяются для повышения коррозионной стойкости, контактной прочности, износостойкости.
Структурно-фазовое состояние, характерное для быстрозакаленных сплавов, формируется при локальном оплавлении металла с интенсивным теплоотводом (например, при некоторых видах сварки).
Первоначально основным стимулом развития технологии быстрой закалки расплава было стремление получить аморфную структуру. В отношении жаропрочных сложнолегированных сплавов цель закалки расплава состоит в получении однородной высокодисперсной структуры из микрокристаллических фаз и пересыщенных твердых растворов.
Диспергирование расплавленного металла высокоскоростной струей сжатого газа или жидкости позволяет получать быстрозакаленные (распыленные) порошки. Процесс характеризуется сравнительно высокой производительностью, технологичностью, малыми затратами энергии.
Начало промышленного производства распыленных порошков относится к концу 30-х гг. XX в. В 60-е гг. производство их составило в США и Канаде 6000 т, в Германии 2200 т и в Англии 500 т, а в 1973 г. — соответственно 30000, 11000 и 3500 т. В конце 60-х — начале 70-х гг. их производство началось в Японии (в 1973 г. 16000 т) и в Швеции (в 1973 г. 1000 т).
В настоящее время методы распыления расплава используют для получения не только порошков железа, сталей и других сплавов на основе железа, но и порошков сплавов на основе алюминия, титана, никеля и др.
Методы распыления расплава эффективны при получении порошков многокомпонентных сплавов, поскольку обеспечивают равномерностъ химического состава, высокодисперсное структурнофазовое состояние. Это обусловлено оптимальным перегревом расплава перед диспергированием, позволяющим достичь высокой степени его однородности, и кристаллизацией со скоростями охлаждения -10в3—10в4 К/с.
Для методов распыления расплава характерна возможность оперативного увеличения производства быстрозакаленных металлических порошков при относительно низких затратах (в том числе капитальных) и использования в качестве исходного материала отходов металлообрабатывающей промышленности.
Технологические процессы распыления металлического расплава различаются по методу нагрева сплава: индукционный, электродуговой, электронный, лазерный, плазменный и др.; по виду силового воздействия на него при диспергировании: газовые и водяные струи, центробежные или магнитогидродинамические силы, воздействие ультразвука и т. д.; по типу среды для диспергирования: инертная, вакуум, восстановительная, окислительная.
Сущность получения металлических порошков из расплава заключается в нарушении сплошности его потока (струн или пленки) под действием различных источников возмущений с формированием дисперсных частиц.
В таблице приведены обобщенные данные по основным методам быстрой закалки. Используется отечественная и зарубежная терминология.
Общие сведения о методах быстрой закалки расплава
Общие сведения о методах быстрой закалки расплава

В связи с развитием техники для высокоскоростного ионно-плазменного напыления (триодного и магнетронного со скоростью - 1 мкм/мин), высокоскоростного осаждения из паровой фазы, методы получения быстрозакаленных сплавов путем закалки из газовой фазы рассматриваются как перспективные. Закалкой из газовой фазы в условиях охлаждения подложки до криогенных температур получают экспериментальные толстые слой, например, аморфной сверхпроводящей фазы типа А-15. Методы закалки из газовой фазы обычно позволяют получить аморфные материалы с более высокой температурной стабильностью, чем при закалке из расплава, например сплав Fе50W50, стабильный при температурах выше 800 °С. Сущность метода закалки из газовой фазы заключается в переводе компактного металла в парообразное состояние и последующей высокоскоростной конденсации паров на охлаждаемых теплоотводящих поверхностях (подложках). Таким способом целесообразно получать быстрозакаленные сплавы, обладающие высокой упругостью паров при сравнительно низких температурах, однако, используя методы электронной или ионной бомбардировки поверхности, можно получать даже тугоплавкие сплавы и соединения.
Методы высокоскоростного охлаждения расплава классифицируют на основе анализа таких параметров, как скорость охлаждения, размер (масса) и форма микрослитка, дисперсность структуры, наличие метастабильных фаз, аморфного состояния. Нижняя граница скоростей охлаждения, определяющих переход к обычным процессам литья, соответствует 10—10в2 К/с.
В большинстве процессов обычного распыления расплава, обеспечивающих формирование гранул — микрослитков сферической формы диаметром 200—1000 мкм и массой 10—100 мг при скоростях охлаждения 10в2—10в4 К/с, проявляется в основном эффект повышения дисперсности структуры и снижения степени развития ликвации, в меньшей степени — эффект формирования метастабильных фаз, В соответствии с общей классификацией эти методы обеспечивают получение микрослитков, представляющих собой грубодисперсные порошки, которые служат исходным материалом для последующего компактирования в полуфабрикаты и изделия.
Первые успехи практического применения методов распыления расплава были достигнуты при производстве инструмента из быстрорежущих ледебуритных сталей, а также изделий из жаропрочных никелевых сплавов по принципиально новой технологии, получившей название «металлургия гранул».
В основе промышленных методов обычного распыления расплава лежат следующие три способа: распыление за счет кинетической энергии газообразного или жидкостного энергоносителя, за счет центробежных сил, за счет интенсивного выделения в вакууме растворенного в расплаве газа.
Более высокие скорости охлаждения 10в5—10в6 К/с достигают, применяя технологии сверхбыстрого (ускоренного) затвердевания (ВЗР- и РИБЗ-, RSR-процессы), в результате принудительного конвективного высокоскоростного охлаждения илb охлаждения микрослитка на экране-отражателе, а также в результате высоко-дисперсного распыления.
Эффект формирования аномально пересыщенных твердых растворов, метастабильных фаз и структурных составляющих проявляется в значительной степени при использовании методов сверхбыстрого затвердевания, при затвердевании расплава в виде лепты, волокна, чешуек на теплопроводящей поверхности или при поверхностном оплавлении металла концентрированными потоками энергии.