» » Методы высокоскоростного затвердевания тонкой пленки расплава на теплопроводящей поверхности
15.01.2016

Высокая скорость охлаждения, достигаемая этими методами (chill methods), обеспечивается интенсивным отводом тепла от тонкого слоя расплавленного металла, находящегося в контакте с теплопроводящей металлической подложкой (диском, барабаном). Тонкая пленка расплава на поверхности вращающегося диска формируется в результате смачивания расплавом поверхности диска. Применение высоких скоростей вращения диска приводит к уменьшению толщины быстрозакаленной пленки до десятков микрометров.
При экстракции расплава по методу висящей капли (pendant drop melt extraction method — PDME) быстровращающийся диск приводится в соприкосновение с висящей каплей расплава (рис. 7.15), и в результате формируется тонкая лента или отдельные чешуйки в зависимости от рельефа поверхности диска.
Экстракция расплава может осуществляться из тигля с расплавом в результате контакта вращающегося диска с поверхностью расплава (crucible melt extraction method) (рис. 7.16).
Методы высокоскоростного затвердевания тонкой  пленки расплава на теплопроводящей поверхности

Метод ВЗР (высокоскоростное затвердевание расплава), относящийся к данному типу, основан на экстракции расплава теплопроводящим быстровращающимся (2000—5000 мин-1) диском, на поверхности которого есть насечка, определяющая форму быстрозакаленных частиц порошка. При контакте с расплавом сначала на кромке диска затвердевает некоторый слой металла, затем он выходит из расплава и охлаждается, после чего частица отделяется от кромки диска. Расплав затвердевает со скоростью охлаждения -10в6 К/с в виде чешуек, толщина которых 5 зависит от скорости вращения диска v(δ = К1d/v-1/2, где d — диаметр струи) и составляет десятки микрометров. В дальнейшем чешуйки используются для компактирования и получения изделий.
При спиннинговании (chill block melt spinning process) (рис. 7.17) струя расплавленного металла под некоторым давлением, обеспечивающим оптимальные условия формирования струн, подается на поверхность быстровращающегося массивного металлического диска, обладающего высокой теплопроводностью (медь), что приводит к высокоскоростному затвердеванию расплава в виде волокна, тонкой ленты толщиной ~ 25—100 мкм. Толщина плоского волокна (ленты) при спиннинговании в соответствии с выражением δ = - К2d/v, где d — диаметр струи, обратно пропорциональна линейной скорости на поверхности закалочного барабана v. Для получения порошка размалывают ленту и волокно.
Методы высокоскоростного затвердевания тонкой  пленки расплава на теплопроводящей поверхности

Скорость охлаждения расплава при спиннинговании примерно в 20—30 раз выше, чем при экстракции расплава Промышленная установка для спиннингования «Кристалл-702», широко применяемая для получения быстрозакаленных сплавов различного назначения, например быстрозакаленных припоев, позволяет достигать скорости охлаждения 10в5—10в6 К/с (рис. 7.18).
Методы высокоскоростного затвердевания тонкой  пленки расплава на теплопроводящей поверхности

Основные технические характеристики установки «Кристалл-702» следующие: масса металла при плавке, осуществляемой индукционным способом, — до 1 кг, мощность — 40 кВт, частота — 1,76 МГц, линейная скорость по окружности медного диска — до 40 м/с, масса диска — 50 кг, рабочая среда — вакуум, аргон.
Метод спиннингования с использованием промышленной установки «Крнсталл-702» обеспечивает достижение более высоких скоростей охлаждения, чем рассмотренные методы центробежного и газового распыления.
При спиннинговании интерметаллидных сплавов системы Ti-Аl затвердевание происходит в виде ленты (чешуек) толщиной -100 мкм. Образование на свободной поверхности чешуек структуры ячеистых дендритов размером ~ 30 мкм (рис. 7.19) свидетельствует о протекании процесса кристаллизации с формированием высокодисперсной структуры.
Методы высокоскоростного затвердевания тонкой  пленки расплава на теплопроводящей поверхности

Существенное влияние на формирование быстрозакаленной ленты оказывает, в частности, расстояние наконечника сопла тигля с расплавом от поверхности закалочного диска. При расстоянии, примерно равном толщине ленты, реализуется метод плоской струи, являющийся разновидностью высокоскоростного затвердевания тонкой пленки расплава на теплопроводящей поверхности.
Применение нескольких параллельно расположенных питателей (сопел) обеспечивает возможность получения быстрозакаленной ленты шириной до 300 мм, толщиной 20—50 мкм с отклонением в пределах 1,5—3 мкм по ширине ленты со скоростью 15—25 м/с. По этой технологии можно получать широкую однородную ленту с областями, характеризующимися формированием наряду с аморфной также микрокристаллической и смешанной структуры.
Метод расплющивания капли расплава между массивными теплопроводящими (медными) пластинами — сплэттинг расплава — позволяет получать тонкие чешуйки (фольги) быстрозакаленных сплавов со скоростью охлаждения до 10в6 К/с. Он применяется в основном как экспериментальный метод,
Метод получения быстрозакаленных сплавов при затвердевании расплава между двумя быстровращающимися барабанами (частота вращения ~ 10000 мин-1) в виде тонкой ленты ~50 мкм характеризуется кривой охлаждения металла, отличающейся от кривой охлаждения при спиннинговании меньшим временем контакта с теплоотводящей поверхностью барабана. Вследствие этого скорость охлаждения снижается на более ранней стадии по сравнению с методом спиннингования, что может сопровождаться переходом от затвердевания в аморфном состоянии к кристаллизации сплава (рис. 7.20).
Методы высокоскоростного затвердевания тонкой  пленки расплава на теплопроводящей поверхности

В быстрозакаленных лентах сплава Fe — 6,5 % Si, полученных высокоскоростным охлаждением расплава между двумя вращающимися валками, формируется столбчатая микрокристаллическая структура в результате встречного роста кристаллов от обеих поверхностей ленты. Спиннингование этого сплава также сопровождается кристаллизацией расплава.
Методами экстракции расплава получены непрерывные волокна, а также укороченные волокна диаметром порядка 50 мкм с контролируемыми геометрическими параметрами титановых сплавов, нержавеющих сталей, никелевых жаропрочных сплавов. Экспериментальная оценка скорости охлаждения по дендритному параметру структуры быстрозакаленного волокна нержавеющей стали аустенитного класса AISI304 дает значение 10в5—10в6 К/с. Более склонный к стеклованию сплав Fe80P13C7 получен методом экстракции в виде в аморфного волокна.