Компактирование порошков дисперсноупрочненных жаропрочных сплавов
Поскольку механические свойства дисперсноупрочненных сплавов в столь большой степени определяются их конечной структурой, а следовательно и всей совокупностью процессов ТМО, выбор условий компактирования и деформации этих материалов должен производиться с особой тщательностью.
До изобретения механического легирования компактирование осуществляли преимущественно традиционными методами порошковой металлургии — холодным прессованием и спеканием. Спекание проводят обычно в атмосфере водорода, что обеспечивает восстановление всех посторонних оксидов, которые могут присутствовать в порошке. Все операции следует проводить ниже T начала плавления, чтобы избежать коагуляции дисперсных частиц. Поскольку при спекании не удается достичь плотности 100%, спеченный материал используют лишь в качестве исходной заготовки для последующего компактирования и деформации. Наиболее широко применяемые способы деформации — экструзия, прокатка и т. п.
Применимость технологии спекания ограничена сплавами, не содержащими таких активных элементов, как Al и Ti. Примерами сплавов, получаемых по традиционной технологии порошковой металлургии, могут служить TD-Ni и TD-NiCr. Механически легированные порошки нельзя спекать по ряду причин:
1. Из-за больших размеров частиц (60—100 мкм) капиллярные силы, ответственные за усадку, уменьшаются практически до нуля.
2. Высокая твердость частиц порошка препятствует его холодному компактированию.
3. При T спекания происходит рекристаллизация и рост зерен, что исключает получение крупного удлиненного зерна в изделиях большого диаметра.
Основная цель компактирования механически легированных порошков состоит в получении компактной заготовки, которую затем деформируют с таким расчетом, чтобы сохранить в материале движущую силу рекристаллизации.
К числу параметров, сочетанием которых определяются условия протекания процесса, относятся Т, степень деформации и скорость деформации.
Основными методами компактирования (рис. 7.19) являются ГИП и горячая экструзия. Из шести возможных вариантов получения изделий заданной формы, показанных на рис. 7.20, в настоящее время применяется лишь метод механической обработки полуфабрикатов, имеющих грубозернистую структуру. Метод прямой штамповки порошка, объединяющий в одну операцию компактирование и TMO (аналогично прямой экструзии порошка), пока еще никем не опробован, хотя при получении некоторых изделий он мог бы привести к успеху.
При дальнейшем обсуждении вопросов компактирования нам достаточно помнить, что получаемый материал должен иметь мелкозернистую (или мелкозернистую деформированную) структуру. При этом условии последующая TMO может быть успешной.
Экструзия. Из числа применяемых в настоящее время технологий компактирования экструзия, несомненно, имеет наиболее важное значение. Вопросы выбора параметров экструзии подробно обсуждаются как в патентной, так и в технической литературе. По своей величине эти параметры могут изменяться при переходе от одного сплава к другому, но при этом основные принципы остаются неизменными.
При экструзии скорость перемещения плунжера является зависимым параметром, тогда как T и коэффициент вытяжки — независимые переменные. На рис. 7.20 показаны линии равных скоростей при экструзии сплава МА753 на лабораторном прессе усилием 680 т. Линии располагаются вдоль диагонали, при этом снижение T или увеличение вытяжки приводит к уменьшению скорости. В конечном счете, при уменьшении T и увеличении вытяжки достигается некоторая предельная линия, выше которой экструзия невозможна.
Условия работы пресса экструзии, которые отражает рис. 7.20, в сочетании с рекристаллизационным поведением сплава, определяют свойства материала после деформации (рис. 7.21, см. 7.5). Образование крупнозернистой рекристаллизованной структуры возможно лишь при определенных сочетаниях T экструзии и вытяжки. Результаты, полученные при экструзии заготовок одного диаметра, могут быть использованы для расчета параметров экструзии заготовок любого другого размера. Полагая, что важнейшей переменной, определяющей степень полноты протекания рекристаллизационных процессов, является скорость деформации е, связь этой величины с остальными параметрами процесса выражают соотношением:
где V — скорость перемещения плунжера (при заданной Т); R — коэффициент вытяжки; D — диаметр заготовки.
При одной и той же T заготовки большего диаметра для достижения той же скорости деформации необходимо экструдировать при существенно больших скоростях перемещения плунжера. К сожалению, большинство прессов экструзии неспособно обеспечить столь высокие скорости при этих условиях прессования. Типичная величина верхнего предела поперечного сечения экструдированных профилей из дисперсноупрочненных сплавов сложного состава составляет 20—30 см2.
Горячее изо статическое прессование. ГИП как метод компактирования обладает большими возможностями с точки зрения получения полуфабрикатов и изделий больших сечений. Однако эти возможности все еще остаются не реализованными.
Исследования фирмы «Кгирр» показывают, что ГИП и экструзия позволяют достичь примерно одинаковых значений твердости. При более детальном анализе установлено, что сплав МА738 (IN738+Y2О3) имеет после ГИП несколько больший размер зерна, чем после экструзии (рис. 7.22). Это оказывает влияние на характер протекания рекристаллизационных процессов. Более того, имеются различия в структуре выделений у'-фазы, распределении крупных включений и текстуре, обусловленные различием в термомеханических условиях обработки. В сплаве МА738 максимальный размер зерна 500 мкм может быть получен после предварительного отжига порошка при 950 °С, последующего ГИП при 1050 °С, 200 МПа в течение 1 ч и отжига в соляной ванне при 1240 °С в течение 3 мин. Этот размер зерна достаточно велик, однако он намного меньше того, который получают при литье этого сплава в вакууме (3000 мкм). В сплаве МА6000 после аналогичных условий ГИП максимальный размер зерна оказался еще меньше.
