» » Методы сверхбыстрого затвердевания расплава
15.01.2016

Активно развиваются методы распыления расплавов, обеспечивающие более высокие скорости охлаждения капель-частиц, чем обычное распыление газом и центробежное распыление (RSR-методы, Rapid Solidification Rate processes).
Три типа технологий получения порошков жаропрочных сплавов относят к технологиям со сверхбыстрым (ускоренным) затвердеванием расплава:
— принудительное конвективное охлаждение;
— затвердевание на экране-отражателе (неподвижном или вращающемся), установленном на траектории полета распыленных капель расплава;
— ультразвуковое распыление, обеспечивающее дополнительное дробление струи расплава за счет подвода энергии ультразвукового акустического поля.

В общем случае микроструктура материала зависит не только от скорости охлаждения V, но и от температурного градиента G и скорости перемещения границы раздела твердой и жидкой фаз R (скорости затвердевания). В зависимости от отношения G/R и скорости охлаждения V образуются кристаллы с плоской огранкой, ячеистые или дендритные структуры. Переход в область более высоких значений G/R и скорости охлаждения V соответствует образованию более тонких микроструктур. Уменьшение отношения G/R, например при уменьшении размера частиц, приводит к переходу структуры, состоящей из ограненных кристаллов, в ячеистую и далее в дендритную.
В зависимости от степени перегрева расплава в порошке сплава 1N 100, полученном при высоких скоростях затвердевания, наблюдается ряд различных микроструктур. При большом перегреве образуется грубая дендритная структура, высокие скорости отвода тепла способствуют формированию равноосной мелкозернистой структуры.
При одном и том же диаметре частиц RSR-методы обеспечивают скорости охлаждения в два-четыре раза более высокие, чем распыление аргоном.
Существенное значение имеет зависимость плотности частиц порошка от их диаметра и способа получения. Порошки, полученные методом RSR или центробежным распылением обычно плотнее, чем распыленные аргоном порошки того же состава, поскольку последние содержат захваченный газ. Наблюдается также снижение насыпной плотности RSR-порошков, дисперснее некоторого определенного размера, что может быть следствием пониженной плотности частиц, в которых подавлено выделение избыточных фаз из твердого раствора.
Помимо обычных никелевых жаропрочных сплавов, RSR-методом распыляли никелевые суперсплавы с высоким объемным содержанием γ-фазы, сплавы с повышенной концентрацией карбидов и некоторые модификаций эвтектических жаропрочных сплавов. Влияние высоких скоростей затвердевания на структуру частиц порошка проявляется также в полном подавлении первичных выделений γ-фазы во всех сплавах и междендритных выделений фазы α-Мо в сплавах Ni—Al—Mo, содержащих ~ 21 % молибдена, В традиционных литых сплавах аналогичных составов наблюдается не только образование первичных выделений фаз γ и α'-Мо, но и существенная ликвация с образованием крупных областей (γ+y)-эвтектики.
Методы сверхбыстрого затвердевания расплава

Технология центробежного распыления с принудительным конвективным охлаждением сочетает принцип центробежного распыления расплава с интенсивным охлаждением струей газа (рис. 7. 11). Жидкий металл с заданной скоростью вытекает через сопло в центр распылителя (тарели), имеющего форму диска, и, разгоняясь до окружной скорости кромки распылителя под действием центробежной силы, отделяется от кромки в виде капель, которые движутся в тангенциальном направлении. Частицы металла интенсивно охлаждаются в полете высокоскоростными потоками гелия, подаваемого в камеру через три кольцевых сопла. При расходе металла 0,18 кг/с расход Не составляет 0,9 кг/с, а его скорость соответствует значению числа Маха 0,5. Для вращения распылительного тигля с частотой около 24000 мин-1 применяют турбину. Выход порошка фракции 10—100 мкм составляет -70 % от обшей массы разливаемого металла. В процессе затвердевания теплопередача путем принудительной конвекции примерно на два порядка превосходит потери тепла за счет излучения.
Важнейшими факторами ускоренного охлаждения являются диаметр частицы, теплопроводность газа и разность температур между частицей и газом. Зависимость скорости охлаждения от диаметра частиц порошка приведена на рис. 7.12.
Методы сверхбыстрого затвердевания расплава

Распределение получаемых частиц по размерам подчиняется нормальному закону и зависит от параметров распыления- Форма частиц сферическая, их диаметр колеблется от 25 до 100 мкм. Теоретические расчеты, подтверждаемые измерениями дендритного параметра, показывают, что эффективная скорость охлаждения зависит от диаметра частицы и находится в пределах от 10в5 до 10в7 К/с.
Затвердевание дисперсных капель расплава на экране-отражателе реализуется при получении быстрозакаленных порошков по РИВЗ-технологии (распыление и быстрая закалка расплава). Этот метод обеспечивает формирование тонких (10—50 мкм) частиц плоской, чешуйчатой форм в результате соударения распыленных центробежным способом капель расплава с охлаждаемым металлическим экраном, установленным пол углом 15—45° к направлению полета капель расплава, скорость охлаждения которых достигает 10в5—10в7 К/с.
Методы сверхбыстрого затвердевания расплава

Высокодисперсное распыление характеризуется воздействием импульсной ультразвуковой газовой струи, формирующейся газовыми соплами специальной конструкции с газоструйным излучателем (пневмоакустическая форсунка показана на рис. 7.13). Форсунка содержит кольцевую камеру, с помощью которой газ высокого давления распределяется между соплами, систему отражателей и резонансных полостей. Первичные ударные волны генерируются при сверхзвуковом истечении газа через сопла. В резонансных полостях возникают ультразвуковые волны с частотой от 20 тыс. до 80 тыс. Ги. Скорость газа на выходе из сопла достигает значений, соответствующих числу Маха 2. При столь высоких скоростях и частотах пульсации газового потока жидкие металлы распыляются на мелкие частицы. Выход фракции -30 мкм зачастую составляет 80—90%.
Для распыления жаропрочных сплавов на никелевой основе фирмой Swedish Kohlswa предложен процесс, впоследствии усовершенствованный сотрудниками Массачусетского технологического института, которые использовали пневмоакустическую распылительную форсунку, действующую как генератор ударных волн. В лабораторном и опытно-промышленном масштабах этим методом были получены и исследованы порошки нержавеющих сталей, никелевых и кобальтовых жаропрочных сплавов. Высокие скорости охлаждения расплава объясняются в первую очередь малым размером образующихся частиц и, кроме того, эффектом охлаждения газа при его расширении на выходе из форсунки. Применение этого метода позволяет устранить ликвацию, повысить растворимость легирующих элементов и получить тонкую метастабильную структуру.
Себестоимость может значительно изменяться в зависимости от стоимости шихтовых материалов, принятой аппаратурно-технологической схемы и объема производства, требуемого уровня свойств порошка и других факторов.
При бесконтактных методах распыления расплава используют мощные импульсы тока или электромагнитные поля. Ток большой силы, проходя по тонкой металлической проволоке, мгновенно ее нагревает, и она распыляется, капли разлетаются со скоростями до 1000 м/с (метод «взрыва» проводника импульсом тока); размер частиц зависит от энергии импульса тока, а их кристаллизация происходит в свободном полете. При прохождении тока по жидкому проводнику возникает магнитное давление, направленное по радиусу к центру струи расплава, приводящее к ее распаду на капли-частицы размером 10—500 мкм. При диспергировании жидкого металла в МГД-генераторах электромагнитные силы, которые инициируются в индукционной катушке, действуют на струю, сжимая и разрушая ее.
Методом электроискровой эрозии получены быстрозакаленные порошки никелевых сплавов системы Ni-Аl и Ni3Аl + Fе, Rеnе95. Суть метода состоит в приложении импульса высокого напряжения (до 400 В) между двумя близкорасположенными электродами из диспергируемых сплавов, помещенными в диэлектрическую среду(додекан, вода, жидкий аргон), который сопровождается искровым пробоем с образованием плазменного шнура диаметром 20 мкм длительностью 10 не (рис. 7.14). Температура плазмы превышает 10000 К, что приводит к образованию парового слоя в жидком диэлектрике и повышению давления до 280 МПа. Локальное оплавление электродов обусловлено возрастанием температуры до значений, превышающих температуру кипения материала электрода. Быстрый спад давления при погашении искры инжектирует расплавленные капли металла из перегретой области интенсивного кипения в диэлектрическую жидкость. В результате формируются быстрозакаленные микрослитки материала электродов.
Методы сверхбыстрого затвердевания расплава

Оценка скорости охлаждения по параметру дендритной структуры сплава Rene95 — 10в6 К/с.
Диэлектрическая среда оказывает существенное влияние на форму и микроструктуру быстрозакаленных частиц. Образование оксидного слоя γ — Аl2О3 при использовании воды в качестве диэлектрической среды приводит к формированию частиц характерной осколочной формы, тогда как применение жидкого инертного аргона обеспечивает образование микрослитков сферической формы.