ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Термическая обработка из "Суперсплавы II Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок Кн1 " Изделия со столбчатой направленной структурой и монокрис-таллические изделия получают, в сущности, с помощью одного и того же процесса [7]. Устранение границ зерен или выстраивание их в направлении, параллельном оси отливки или лопасти лопатки, может быть лучше всего выполнено, если воспользоваться высокоэнергетическим процессом жидко-твердого перехода суперсплавов, т.е. кристаллизацией. Обеспечив затвердевание суперсплава при управляемом перепаде температур, получают удлиненные зерна и, следовательно, межзеренные границы, вытянутые в направлении этого перепада. [c.241] Процесс направленной кристаллизации позволяет выращивать монокристаллические отливки любой ориентировки. Как правило, монокриста ллические лопатки отливают с ориентировкой 001 вдоль оси лопасти, выше эта операция уже описана. Однако, если воспользоваться кристаллами-затравками, можно с помощью процесса, иллюстрированного на рис. 7.2, получить любую ориентировку. Кристалл-затравка должен быть изготовлен из сплава, который выбран для выращивания отливки, или из сплава с той же или более высокой температурой плавления. Кристалл располагают таким образом, чтобы его кристаллографическая ориентировка повторилась в изделии, которое заполнит пространство изложницы. Местом установки затравки служит холодильник, а температуру вершины затравки регулируют таким образом, чтобы затравка не расплавлялась полностью. Тем самым расплаву в изложнице обеспечена возможность затвердевать в кристаллографической ориентировке, которой обладает сристалл-затравка. [c.243] Какой бы ни был избран способ, кристалла—затравки или геликоидной дискриминации, затвердевание осуществляется путем роста дендритов по трем ортогональным направлениям 001 ориентировка 001 ближе всего к главному направлению роста, то есть к направлению температурного градиента. На рис. 7.4 представлены три кристалла, выращенные по трем главным кристаллографическим направлениям и протравленные, чтобы продемонстрировать их дендритную субструктуру. У кристалла с ориентировкой 001 дендритные оси 001 параллельны оси роста на обеих гранях 001 . У кристалла с ориентировкой 011 и гранями 011 и 001 дендритные оси 001 параллельны оси кристалла на грани 011 и наклонены к оси кристалла под углом 45° на грани 001 . У кристалла с ориентировкой 111 можно видеть ориентировку дендритных осей 001 на гранях 112 и 011 . [c.244] Коль скоро в условиях направленной кристаллизации расплав располагается над твердой фазой, растворяемые элементы, например А1 и Ti, в процессе кристаллизации отбираются от твердого раствора и обогащают собой жидкую фазу в ее нижней части, т.е. в нижней части грибообразной двухфазной области, которая примыкает к закристаллизовавшемуся сплаву. Плотность расплава, обогащенного А1 и Ti, в среднем ниже, чем у расплава, расположенного над этой обогащенной зоной, нагретого до температур, более близких к температуре ликвидус, и не столь богатого А1 и Ti. Это различие в плотности может привести к возникновению потоков расплава, поднимающихся к вершине грибообразной зоны и при этом отламывающих вершинки образованных дендри-тов. Унесенные потоком, эти частицы действуют, как зародыши кристаллизации, благодаря которым образуются цепочки равноосных зерен, или дефекты, известные под названием полосчатость . Подобные дефекты делают неоправданным применение содержащей их детали, несмотря на то, что она получена методом направленной кристаллизации, ибо их присутствие может. привести к преждевременному разрушению. Любая разновидность присутствия равноосных зерен, включая полосчатость, неприемлема условия кристаллизации необходимо выбирать таким образом, чтобы появление равноосных зерен было исключено. [c.246] Уравнение (7.2) представлено графически на диаграмме в координатах скорость роста — тепловой градиент (см. рис. 7.5), чтобы в совокупности с уравнением (7.1) показать границу области (заштрихованной), в пределах которой идет управляемый процесс направленной кристаллизации. [c.247] Другие литейные дефекты. По мере того, как столбчатые зерна растут, они выстраиваются параллельно тепловому градиенту и перпендикулярно фронту кристаллизации, который не является совершенно плоским, а приобретает некоторую кривизну. С перемещением фронта кристаллизации к вершине отливки проявляется тенденция к отклонению зерен от направления роста отливки, а количество столбчатых зерен уменьшается с увеличением ее длины. В результате может оказаться, что некоторые границы зерен пересекают поверхность лопасти лопатки на ее важнейших участках — на передней и задней кромке, что весьма нежелательно. Угол пересечения границ с поверхностью лопатки на этих участках отливки можно регулировать, совершенствуя плоскостность фронта кристаллизации, обычно его удерживают на уровне 10° или менее. [c.248] Вообще говоря, любой дефект, включающий границу зерен с компонентой, которая перпендикулярна оси действующего напряжения или лопасти лопатки, неприемлем к такого рода дефектам относятся полосчатость и рекристаллизованные зерна. К качеству направленно-закристаллизованных изделий из суперсплавов предъявляют большинство требований, относящихся к обычным отливкам их инспектируют с применением радиографических и флюоресцентных методов. Пористость в направленно-закристаллизованных изделиях обычно невелика, поскольку расплавленная вершина отливки постоянно подпитывает слиток, компенсируя литейную усадку в течение всего процесса кристаллизации. И размеры, и плотность пор в этих изделиях меньше, чем в обычных отливках. [c.248] Микроструктура направленно-закристаллизованных изделий из суперсплавов подобна таковой у обычных отливок, она складывается из выделений у -фазы в у-матрице и немногочисленных карбидных и боридных выделений описание такой микроструктуры дано в гл. 4. [c.249] Чтобы предотвратить межзеренное растрескивание отливок со стержнями в процессе кристаллизации, в сплавы, предназначенные для изготовления изделий со столбчатым зерном, обычно добавляют Hf. В его присутствии меняется химический состав и морфология карбидных выделений. Когда содержание Hf превышает 1 %, выделения Hf образуются в дополнение к смешанным карбидам МС, присутствующим в большинстве высокопрочных литейных суперсплавов. Тугоплавкие выделения Hf , по-видимому, образуются в расплаве, в отличие от смешанных карбидов МС, возникающих в жидко-твердой грибовидной зоне. Следовательно, частицы Hf равноосны и практически лишены атомов других металлов. Фаза смешанных карбидов содержит Hf совместно с Ti, Та, Nb или W в зависимости от того, какие элементы, образующие карбиды типа МС, присутствуют в сплаве. Будучи образованным в грибовидной зоне, смешанный карбид МС более склонен к приобретению дендритной формы, равноосная форма для него менее характерна, чем для карбида Hf , так как морфология карбида зависит прежде всего от теплового градиента в пределах грибовидной зоны и становится более дендритной, а частица — более крупной по мере того, как уменьшается тепловой градиент. Усталостная долговечность возрастает с уменьшением размера дефектов, поэтому предпочтительными являются более мелкие равноосные карбидные частицы и кристаллизация в условиях высокого теплового градиента. [c.250] В сплавы, предназначенные для отливок со столбчатым зерном, обычно добавляют около 0,015 % В он образует по границам зерен бориды, морфология которых подобна таковой у боридов в обычных отливках. Для повышения прочности поперечных границ в сплавы для отливок со столбчатым зерном вводят Hf. Однако добавки В оказались в этом случае почти столь же эффективны. Если В присутствует в качестве основного упрочнителя границ зерен в сплавах со столбчатой структурой, его содержание увеличивают до 0,2 % при очень низком содержании С аналогичный подход характерен для выбора содержания В и С при легировании сплавов для обычных отливок [Ю]. Так же как в высокобористых сплавах для обычных отливок, основной тип образующихся боридов — М3В3. [c.251] Микроструктура суперсплавов в направленно-закристаллизованных отливках должна быть стабильной. Применительно к этим сплавам весьма эффективны могут быть методы фазового контроля, например учет количества электронных вакансий. Но присутствие в направленно- закристаллизованных сплавах таких продуктов структурной нестабильности, как фазы Ч или ц, не столь пагубно сказывается на поведении сплавов, поскольку их матрица по своей природе более пластична. На практике по поводу охрупчивания, связанного с фазовой нестабильностью, больше хлопот доставляют сплавы для обычных отливок, нежели сплавы для отливок направленной кристаллизации. В последнем случае более существенны неприятности, связанные с возможной потерей прочности из-за нежелательного выделения фаз, которое со временем обедняет сплав по важным упрочняющим элементам. По некоторым наблюдениям направленно-закристаллизованные сплавы с нестабильной микроструктурой склонны к преждевременной пластической деформации. [c.252] Изделия из суперсплавов направленной кристаллизации подвергают термической обработке на твердый раствор, чтобы повысить их прочность за счет измельчения выделений у -фазы. Применительно к обычным отливкам из высокопрочных сплавов с высокой объемной долей у -фазы ( 0,5) такая обработка вызывает снижение пластичности и долговечности в условиях ползучести. В этих условиях упрочнение зерен делает затруднительной призернограничную деформацию, которая необходима для аккомодации формоизменения зерен в результате деформирования поликристаллического тела. В результате возрастает вероятность возникновения зернограничных трещин и снижаетсй пластичность и долговечность изделия в условиях ползучести. Работоспособность изделий из суперсплавов направленной кристаллизации не лимитирована способностью передачи деформации через границы зерен без возникновения трещин, эти изделия в литом состоянии характеризуются наличием более грубых и менее равномерно распределенных выделений у -фазы, так что обычно применительно к этим сплавам термическую обработку на твердый раствор используют для оптимизации механических свойств [3, 11]. [c.253] У большинства сплавов, предназначенных для направленной кристаллизации со столбчатой микроструктурой, и особенно у сплавов с добавками Hf, разница между температурами начала плавления и сольвус отрицательна. Следовательно, в полной мере обработать на твердый раствор сплавы такого рода не удается, и обычно производят нагрев просто до температуры чуть ниже начала плавления. Добавки Hf вводят в суперсплавы для отливок со стержнями и столбчатой микроструктурой, чтобы предотвратить растрескивание при снижении температуры сплава в целях его кристаллизации. Суперсплавы для монокристаллических отливок либо вовсе не содержат, либо содержат незначительное количество Hf, поэтому они способны к обработке на твердый раствор и в результате обладают более высокой механической прочностью, чем сплавы для отливок со столбчатой микроструктурой. [c.254] Коль скоро у -фаза растворена, ее повторные выделения должны быть мелкодисперсны и равномерно распределены. Если же сплав гомогенен, температура сольвус будет одинаковой по всему его объему, выделение фазы начнется при одной и той же температуре и, что еще важнее, огрубление или рост ее мелкодисперсных выделений будет происходить равномерно по всему объему сплава. [c.255] Термическая обработка на твердый раствор воздействует и на другие фазы, не только на фазу у. Начинают переходить в твердый раствор карбиды типа МС. В процессе охлаждения не хватает времени для образования важных и благоприятных выделений карбидов типа М зС , однако сохраняется запас углерода, позволяющий осуществить такое старение по карбидам посредством термической обработки при более низких температурах. Такая возможность весьма благоприятна для некоторых Hf-содержащих сплавов со столбчатой микроструктурой (MAR—М 200), где в литом состоянии отсутствуют выделения карбидов типа M j g, оказывающих полезное влияние на свойства сплава. Гомогенизация сплавов в процессе обработки на твердый раствор помогает избежать образования нежелательных фаз типа 0 или ц в зоне повышенной сегрегации (в междендритных участках). [c.256] Многие сплавы, предназначенные для изделий направленной кристаллизации, подвергают термической обработке второго вида, направленной на укрепление связи между покрытием и основой. Обычно эта обработка заключается в отжиге при 980—1120°С длительностью до 8 ч. Такое сочетание температуры и длительности обработки могло бы привести к росту выделений у -фазы и, следовательно, к изменению механических свойств сплава. (Это обстоятельство рассмотрено особо в разделе о механических свойствах). Однако из-за кратковременности охлаждения от этих температур существенный рост выделений у -фазы произойти не успевает, и свойства сплава оказываются нечувствительными к скорости охлаждения от наиболее низких температур этого вида обработки. [c.256] Вернуться к основной статье