Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Методы прямого поучения компактного материала из диспергированного расплава

28.01.2020

До сих пор мы обсуждали такие варианты технологии, при которых исходный материал представляет собой либо твердый микрослиток (частицу порошка), либо прессованную порошковую заготовку. Существуют, однако, процессы, в которых частицы жидкого металла превращаются в компактный материал без приложения сколько-нибудь значительного внешнего давления. Строго говоря, эти процессы не относятся к порошковой металлургии, однако они имеют с нею много общего. Например, как в том, так и в другом случае капиллярные силы способствуют уплотнению. Ниже рассматриваются следующие процессы:

1. Прямое получение порошковой заготовки под штамповку из распыленного расплава (штамповка распыленного металла или Оспрей-процесс).

2. Прямое получение слитка из частично затвердевших капель расплава (вакуумный дуговой переплав двойного электрода — VADER).

3. Прямое получение компактных заготовок переплавкой порошка с помощью лазера (метод лазерной наплавки) и плазмы (плазменное напыление — ускоренное затвердевание расплава — RSPD).

Для каждого из этих процессов будут рассмотрены основные этапы технологии, типы получаемых материалов, их микроструктуры и механические свойства.

Оспрей-процесс. Метод основан на распылении струи расплава газом. Полученные частицы жидкого металла направляют в форму, где из них образуется компактная заготовка, которая в дальнейшем может быть подвергнута обработке давлением.
Методы прямого поучения компактного материала из диспергированного расплава

Схема процесса приведена на рис. 3.32. Сплав, выплавленный в индукционной печи, разливают в промежуточный тигель и затем распыляют аргоном или азотом (в зависимости от состава сплава). Для плавления может применяться вакуумная печь, однако некоторые сплавы можно плавить под защитой инертного газа. Формирование быстро растущего осажденного слоя происходит за счет как тепловой, так и кинетической энергии частиц расплава. При правильном выборе условий осаждения горячих частиц можно получать заготовки с плотностью не менее 95% (как правило, >98%) от теоретической. Содержащиеся в небольших количествах внутренние поры имеют малые размеры, равномерно распределены в материале и не связаны друг с другом. Эта незначительная закрытая пористость впоследствии легко устраняется при обработке давлением.

Этот процесс нельзя отнести к порошковой металлургии в строгом смысле слова, поскольку материал находится в дисперсном состоянии лишь в течение чрезвычайно малого периода времени, измеряемого миллисекундами, и в процессе распыления-осаждения не происходит каких-либо изменений состава (в том числе содержания кислорода и азота). Поэтому с помощью данного метода можно получать сплавы обычных составов. С порошковой технологией его сближает, в частности, изотропность свойств получаемой заготовки, которую можно сохранить и в конечном изделии.

В процессе распыления необходимо обеспечить быстрый отвод тепла от факела частиц распыленного металла. Если количество отводимого тепла недостаточно, на поверхности сборника образуется «лужа» из частично оплавленного металла, которая может деформироваться под действием распыляющего газа. Если же теплоотвод слишком велик, полученная заготовка может содержать избыточную сообщающуюся пористость. Следовательно, конструкция и режим работы узла распыления должны обеспечивать определенную интенсивность отвода тепла от частицы как во время ее полета, так и после осаждения. Под воздействием распылительного газа кинетическая энергия частиц сильно возрастает, что обеспечивает их надежное соединение друг с другом без каких-либо следов межчастичных границ и с минимальной остаточной пористостью.

Заготовки, полученные осаждением распыленного расплава, обычно подвергают горячей обработке давлением для придания им окончательной формы, устранения микропористости и улучшения механических свойств. Хотя количество тепла, запасаемое заготовкой в процессе осаждения, достаточно для немедленного осуществления ее горячей деформации, по отношению к высоколегированным сплавам практикуется нагрев в печи, позволяющий проводить деформацию при оптимальной температуре. В принципе таким методом можно получать также заготовки под полуфабрикаты (проволока, пруток, лист, трубная заготовка) и заготовки для последующей объемной штамповки.

Исходным сырьем для плавления могут служить предварительно выплавленные слитки сплава и/или специально отобранный скрап. Все виды отходов (брызги, распыленный металл, не попавший в форму, некачественные поковки) могут быть подвергнуты повторному переплаву. При этом выход годного металла по всему циклу от плавления до штамповки превышает 90%. По сравнению с обычными (в том числе порошковыми) технологиями этот новый процесс обеспечивает, по утверждению его создателей, значительную экономию энергии за счет сокращения числа технологических операций.

Производство порошка и его свойства. Оспрей-процесс послужил основой для создания новых технологий получения порошков путем распыления металла инертным газом. Применяемые в этом методе усовершенствованные распылительные устройства обеспечивают высокие скорости теплоотдачи, что, в сочетании с малыми углами раскрытия металлогазового факела, позволяет при небольшом объеме распылительной камеры получать высококачественные быстрозакаленные порошки. Кроме того, конструкция узла распыления предусматривает возможность путем изменения технологических параметров регулировать в широком диапазоне распределение частиц по размерам.

Во всех случаях размеры камер распыления (h=3-3,7 м, диаметр 0,45—1,4 м) и устройств для сбора порошков относительно невелики. Эта особенность позволяет размещать оборудование для получения порошков в стандартных производственных помещениях.

После распыления порошок пневматически (с помощью распылительного газа) транспортируется в камеру-сборник, где осаждается >99% материала. Затем газ подается в блок фильтрации, где очищается от наиболее тонких фракций порошка, после чего сбрасывается в атмосферу. Конструкция системы сбора порошка может быть рассчитана как на периодическую работу, так и на непрерывную подачу порошка в рассеивающее устройство.

Высокая эффективность распылительных устройств дает возможность в широких пределах регулировать распределение частиц по размерам путем изменения параметров распыления. Это позволяет управлять характеристиками порошка, изменяя их в соответствии с требованиями конкретного применения, и оптимизировать величину выхода годного порошка (в том случае, если годным считается порошок с размером частиц в пределах заданного диапазона). При этом, вследствие устойчивой работы распылителей, колебания гранулометрического состава разных партий порошка (при одних и тех же условиях распыления) не превышают ±2% для каждого размера ячейки по интегральной кривой распределения.

Интегральные кривые распределения частиц по размерам для никелевого жаропрочного сплава Rene 80 приведены на рис. 3.33. По сравнению с другими способами распыления удается получить порошки с очень малым размером частиц, что связано с особой конструкцией распылительного устройства. Форма частиц обычно сферическая. Скорости охлаждения, рассчитанные на основании измерений размеров дендритной ячейки, составляют 10в3-10в4 К/с, что ставит эти порошки в один ряд с мелкодисперсными порошками других способов распыления.

Благодаря тонкой микроструктуре и отсутствию ликвации, заготовки из таких порошков лучше поддаются горячей обработке давлением, чем обычные деформируемые сплавы. Более того, сплавы, которые при традиционной технологии получения относят к разряду литейных, будучи получены этим методом, легко деформируются.

Микроструктура и механические свойства. С помощью Оспрей-процесса был получен широкий ряд жаропрочных сплавов, в том числе Nim С263, IN 901, Nim 115, MAR-М200, Rene 80.

Размер зерна получаемых заготовок зависит от содержания легирующих элементов в сплаве. Такие высоколегированные сплавы, как Nim 115 характеризуются чрезвычайно тонким однородным зерном (10—14 мкм). Сплавы с более низким содержанием легирующих элементов, например IN 901, также обладали однородной по размеру зерна микроструктурой, однако в процессе осаждения и последующего охлаждения заготовки в этих сплавах происходило огрубление зерна до 0 40 мкм.

Как и следовало ожидать, в структуре заготовок отсутствуют какие-либо проявления ликвации или анизотропии, характерные для обычных деформированных сплавов, но наблюдается небольшая микропористость, устраняемая последующей горячей обработкой давлением.

Хотя, как утверждают разработчики, при Оспрей-процессе исключается сохранение в структуре заготовки границ между отдельными частицами, вполне очевидно, что границы зерен как в заготовке, так и в деформированном материале, обогащены карбидами и, подобно границам частиц в порошковых материалах, снижают пластичность. Это заметно даже при небольшом общем объеме опубликованных данных по механическим свойствам таких материалов (табл. 3.2). Их прочность при растяжении и сопротивление ползучести выигрывают при сопоставлении со свойствами обычных деформированных сплавов, но по пластичности они им явно уступают. Можно предполагать, что для повышения пластичности придется внести изменения в состав сплавов (понизить содержание С), подобно тому, как это было сделано по отношению к порошковым материалам.

Хотя перспективность Оспрей-процесса применительно к авиационным материалам можно считать доказанной, более широкое применение этой технологии потребует ее дальнейшего усовершенствования.

Процесс VADER. Этот процесс можно рассматривать как одну из технологий плавления металла и одновременно как вариант Оспрей-процесса. Отличие от обычного Оспрей-процесса заключается в использовании другого способа плавления, а также в более крупном размере получаемых частиц (несколько миллиметров в диаметре). Процесс (рис. 3.34) состоит в одно: временном плавлении двух электродов, между которыми горит электрическая дуга. Для поддержания постоянной длины дуги электроды по мере их оплавления непрерывно перемещают навстречу друг другу. Образующийся жидкий металл стекает с торцов электродов отдельными каплями, не успевая перегреваться. Частично затвердевшие капли попадают в форму. В отличие от столбчатой дендритной структуры, присущей слиткам обычного вакуумного дугового переплава и электрошлакового переплава, слитки, получаемые этим методом, состоят из равноосных зерен (типичный размер 113 мкм) и не проявляют свойственной обычным слиткам склонности к растрескиванию. Это справедливо даже по отношению ко многим сплавам очень сложного состава. Такие сплавы, как IN 100, Rene 95, MERL 76 удавалось получать в виде слитков 0 200 мм и h=500 мм. Благодаря однородному размеру зерна сплавы, полученные методом VADER, легко деформируются в условиях изотермической штамповки. При этом зерно дополнительно измельчается. Основным достоинством метода считают пониженное содержание неметаллических включений в сплаве, что должно приводить к увеличению времени до разрушения при усталостных испытаниях.

Микроструктура и механические свойства. Рис. 3.35, а демонстрирует повышенную однородность микроструктуры, достигаемую в методе VADER, по сравнению с обычным вакуумным электродуговым переплавом (рис. 3.35,б). Зональная ликвация, ясно видная в слитке вакуумного дугового переплава, при этом методе полностью отсутствует. Большинство механических свойств, согласно, улучшается даже по сравнению со свойствами порошкового сплава IN 100. Наиболее существенное улучшение состоит в уменьшении разброса при определении характеристик малоцикловой усталости, что связано, главным образом, со снижением числа критических дефектов.

Возможны и другие варианты процесса, основанные на использовании электронно-лучевой или плазменной плавки.

Метод лазерной наплавки Layerglazing. Метод заключается в послойном наращивании материала требуемого состава и микроструктуры путем лазерного плавления непрерывно подводимого металла (рис. 3.36) в виде проволоки или порошка. Порошок легче получить, при этом он может быть достаточно просто подан в зону плавления. Луч лазера одновременно оплавляет подаваемый материал и верхний слой подложки, чем обеспечивается надежная связь между слоями за счет эпитаксии. Для поддержания высоких скоростей охлаждения изготавливаемая деталь непрерывно вращается и охлаждается изнутри водой. Таким способом были получены модельные диски турбины 0 13,2 см и толщиной 3,2 см. При этом использовали сплавы системы Ni—Cr—Al—Mo. Был получен без растрескивания сплав Ni—5Аl—19,5Мо—8,8Сr [% (по массе)], в котором после высокотемпературного отжига не происходил ячеистый распад, характерный для ранее применявшихся бесхромистых сплавов. Структура материалов содержит очень небольшое количество включений и пор, размер которых не больше 4 мкм. Расчетные значения скоростей охлаждения составляют ~10в4 К/с.

В табл. 3.3 приведены некоторые механические свойства сплавов, полученных методом лазерной наплавки. В литературе отсутствуют сведения о применяемых защитных средах и степени загрязнения материала в процессе обработки.

Плазменное напыление в условиях высокоскоростного затвердевания (метод RSPD). Широко известный способ плазменного нанесения покрытий может быть использован также и для получения массивных изделий. На рис. 3.37 показана схема устройства для плазменного напыления.

Образование плазмы происходит внутри плазмотрона путем ионизации газов электрической дугой. В качестве плазмообразующих газов применяют обычно аргон или азот с добавками гелия или водорода. Под воздействием плазменных температур (~ 10 000 К) газ в плазмотроне быстро расширяется, в результате чего его скорость на выходе из сопла в камеру низкого давления достигает величины, соответствующей значениям числа Маха порядка 3. При пониженном давлении число столкновений частиц плазмы с молекулами среды, приводящих к ее торможению и охлаждению, минимально. Даже на расстоянии 0,5 м от сопла плазмотрона плазма имеет T в несколько тысяч граду сов и скорость в несколько тысяч метров в секунду.

Порошок осаждаемого материала вводится в плазменный поток либо через канал плазмотрона, либо под срез сопла. Частицы порошка разгоняются потоком газа (обычно Ar) и инжектируются в плазменный факел. Вследствие ускорения частиц плазмой время их полета до соударения с подложкой составляет примерно миллисекунду.

В практике плазменного напыления принято использовать порошки, просеянные через сито с определенным размером ячейки, чтобы большая часть наиболее крупных частиц при напылении успевала расплавляться. При этом частицы самых тонких фракций испаряются или выносятся газовым потоком из зоны напыления. Часто применяют порошок фракции —400 меш, в котором размер наиболее крупных сферических частиц равен 37 мкм, и в то же время значительную долю составляют частицы мельче 5 мкм. Температура и скорость частицы в момент ее соударения с подложкой зависят от размера частицы, физических свойств материала, а также от параметров плазмы.

При напылении таких высокотемпературных материалов, как жаропрочные сплавы на основе Fe, Co и Ni, наиболее прочная связь с подложкой достигается за счет нагревания ее поверхности выше 850 °C и очистки этой поверхности путем зажигания дуги обратной полярности (см. рис. 3.38) непосредственно перед подачей порошка. При такой обработке с поверхности подложки удаляется оксидная пленка. Высокая температура подложки затрудняет сохранение метастабильных структур, что не столь существенно, поскольку для никелевых сплавов эта T является рабочей, и, следовательно, такие структуры быстро распались бы в процессе службы.

Для материалов, получаемых плазменным напылением, характерно содержание кислорода на уровне 300—500 ppm. Большая часть кислорода присутствует уже в исходном материале. Порошок фракции —400 меш может содержать 200—400 р. р. т. кислорода. Общее увеличение содержания кислорода при различных вспомогательных операциях и плазменном напылении обычно не превышает 100 р. р. т.

Микроструктура и механические свойства. В результате ускоренного затвердевания при плазменном напылении формируется ячеистая микроструктура с субмикронным размером ячейки (рис. 3.38). При обработке на твердый раствор сплавов Rene 80 и IN 738 в режимах 1250 °C, 2 ч и 1160 °С, 2 ч, соответственно, происходило некоторое огрубление структуры, после которого зерно имело размер 7 и 2 мкм. На рис. 3.39 представлены свойства этих сплавов при растяжении в зависимости от Т.

Вследствие малой величины зерна прочность при комнатной T значительно выше, чем у литых и термообработанных сплавов того же состава. Путем изменения условий термообработки в напыленном сплаве IN 738 удалось достичь прочности при комнатной T 1585 МПа, что примерно на 520 МПа выше, чем для литого IN 738.

В большей части исследованного температурного интервала пластичность напыленных сплавов намного превосходит пластичность их литых аналогов. При 800—1000°C имеет место явно выраженный минимум пластичности. Аналогичный эффект потери пластичности наблюдался в том же интервале Вудфордом и Брикнеллом в жаропрочных сплавах, испытавших воздействие кислородсодержащих сред при повышенных температурах, что могло быть объяснено влиянием диффузии кислорода по границам зерен. Возможно, что высокое содержание кислорода в сплавах, полученных плазменным напылением, оказывается достаточным, чтобы вызвать в них такое же падение пластичности.

Для того, чтобы снизить содержание кислорода и тем самым повысить пластичность сплавов, необходимо дальнейшее усовершенствование процесса.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: