CC BY
22
НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ,
ЗАКОНОМЕРНОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ, _НЕДЕНДРИТНАЯ СТРУКТУРА СЛИТКОВ_
УДК 620.19
НОВАЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (научное открытие ВИЛСа)
Г.И. Эскин, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail:info@oaovils.ru)
В статье обсуждаются основные положения научного открытия и перспектива его применения в технологии легких и жаропрочных никелевых сплавов.
Ключевые слова: дендритный параметр, недендритное зерно, скорость охлаждения расплава.
A New Mechanism of Metallic Material Solidification (a Scientific Discovery Made at VILS). G.I. Eskin.
Main points of a scientific discovery and prospects of its application in technologies of light alloys and Ni-base superalloys are discussed.
Key words: dendritic parameter, non-dendritic grain, melt cooling rate.
В 1983 г. Комитет по открытиям и изобретениям СССР выдал диплом на научное открытие коллективу специалистов ВИЛСа под руководством В.И. Добаткина [1].
В наше время хорошо известно, что размер дендритного параметра (или среднестатистического линейного размера дендритной ячейки) зависит от скорости охлаждения при кристаллизации по гиперболическому закону (в логарифмических координатах - по прямой линии).
Впервые это установил выдающийся российский ученый Владимир Иванович Добат-кин в процессе разработки теории и практики непрерывного литья слитков алюминиевых сплавов. В своем докладе в МАТИ в 1946 г. и затем в своей монографии [2] он обосновал, что размеры ветвей дендрита однозначно зависят от скорости кристаллизации, то есть при ускорении процесса кристаллизации увеличивается несоответствие между процессами тепло- и массопереноса. Результаты исследований В.И. Добаткина, безусловно, составляют основу научного откры-
тия, сделанного им в 40-е годы прошлого столетия. К сожалению, тогда в стране не существовала система регистрации научных открытий.
Только после получения группой специалистов ВИЛСа новых результатов по недендритной кристаллизации легких и жаропрочных сплавов Комитет по открытиям и изобретениям СССР зарегистрировал научное открытие.
В основе материалов открытия лежат результаты исследований, проведенные в ВИЛСе по непрерывному литью слитков разных сечений из ряда алюминиевых и магниевых сплавов с применением ультразвуковой (кавитационной) обработки кристаллизующегося расплава. При кавитационном воздействии на расплав можно настолько увеличить число зародышей кристаллизации перед фронтом кристаллизации, что размеры предельно измельченных недендритных зерен будут вести себя в зависимости от скорости охлаждения точно так же, как размеры дендритного параметра.
Исследования показали, что для получения недендритной структуры при кристаллизации слитков из алюминиевых и магниевых сплавов необходимо сочетать воздействие на процесс затвердевания ультразвуковой (кавитационной) обработки с присутствием в составе сплавов модифицирующих примесей переходных металлов.
В это же время появились новые результаты по получению недендритного зерна при сверхбыстрой кристаллизации гранул алюминиевых сплавов [3] и микрокристаллического (недендритного) зерна в гранулах никелевых сплавов при акустическом газовом распылении [4] и центробежном распылении [5] расплава.
Таким образом, в условиях формирования избытка зародышей кристаллизации при кристаллизации самых различных металлических материалов было обнаружено, что образующиеся предельно измельченные недендритные зерна имеют размеры, которые определяются исключительно гиперболической зависимостью от скорости охлаждения.
Эта зависимость выражается достаточно простым уравнением: C=Av-n, где С - размер недендритного зерна или дендритного параметра, мкм; V - скорость охлаждения, К/с; А и п - постоянные.
В логарифмических координатах влияние скорости охлаждения на размеры недендритных зерен или дендритного параметра для слитков и гранул легких и жаропрочных никелевых сплавов можно представить в виде полосы с небольшим разбросом экспериментальных значений (см. рисунок).
Кратко формула открытия сформулирована следующим образом:
«Экспериментально установлено, что при создании в расплаве избыточного числа центров кристаллизации, например при сочетании ультразвуковой обработки в режиме кавитации с введением модификаторов зародышевого типа, в отливке формируется структура субдендритного типа (недендритная структура), а фактором, однозначно определяющим размер субдендритного зерна и обеспечивающим предельное его измельчение, становится скорость охлаждения».
Согласно сделанному открытию, чтобы сформировать недендритную структуру любой отливки (слиток, гранула, чешуйка) вместо дендритной, нужен избыток центров кристаллизации перед фронтом затвердевания. При этом совершенно не важен способ размножения зародышей кристаллизации. При литье слитков и фасонных отливок (скорость охлаждения расплава <103 К/с), как правило, работает гетерогенный механизм кристаллизации на примесях, в том числе с применением кавитационной обработки расплава.
При создании большого числа активных центров кристаллизации в единице объема растущие на фронте кристаллизации дендри-ты не успевают выбросить ветви до соприкосновения с соседними дендритами. Поэтому процесс кристаллизации слитка завершается на начальной стадии роста каждого дендрита. В результате достигается предельная степень измельчения дендрита до размеров дендритного параметра, а образующаяся структура становится субдендритной [6].
Гетерогенное зарождение на модифицирующих примесях интенсифицируется при кавитационной обработке расплава за счет смачивания и введения в процесс кристаллиза-
Влияние скорости охлаждения расплава на размеры недендритных зерен (1-3) и дендритного параметра (4-13) для алюминиевых (1,4-11), магниевых (2,12) и никелевых (3,13) сплавов по собственным и литературным данным:
I - недендритные зерна и дендритный параметр;
II - дендритные зерна
ции огромного числа субмикронных частиц из числа собственных оксидов и других неметаллических твердых образований «планктона». Без кавитационной обработки несмачивае-мые частицы не участвуют в процессе кристаллизации и отходят в шлак.
Другая возможность участия кавитационной обработки в интенсификации зародыше-образования может быть реализована при введении в расплав лигатурных прутков, которые уже содержат дисперсные модификаторы зародышевого действия. Разрушение агломератов этих частиц за счет кавитационной обработки повышает их модифицирующую способность и позволяет получить недендритную структуру слитка практически в любом алюминиевом сплаве [7].
Иначе происходит образование недендритной структуры при сверхбыстрой кристаллизации гранул и чешуек, когда может работать спонтанный механизм размножения зародышей кристаллизации за счет докристал-лизационного(первоначального) переохлаждения расплава.
При этом может усиливаться не только гетерогенное зародышеобразование на примесях, но и происходить гомогенное (кластерное) образование зародышей [8].
Как указывает В.И. Добаткин, развитие металлургии гранул жаропрочных никелевых сплавов привело к необходимости пересмотра зависимости их структуры от первоначального переохлаждения [9]. Дело в том, что первоначальное или стартовое переохлаждение мелких капель расплава никелевых сплавов может быть достаточно большим. Оно может оказать существенное влияние на процесс кристаллизации и структуру гранул по двум причинам [10].
Во-первых, переохлаждение увеличивает скорость кристаллизации металла, внося дополнительный вклад к внешнему охлаждению капель. Во-вторых, что самое главное, оно может достичь величин, когда термодинамически устойчивыми зародышами окажутся уже кластеры.
Спонтанная кристаллизация с большим числом центров неизбежно приведет к образованию недендритной структуры, которая возникает и в других случаях, когда энергия
образования зародышей в расплаве оказывается меньше, чем энергия выбрасывания ветвей ядром дендрита.
По мнению В. И. Добаткина [10], разработка технологии гранулирования на основе использования предварительного переохлаждения для получения предельного измельчения структуры гранул является достаточно перспективной и трудной задачей. Для ее успешного решения необходимо выполнить следующие условия:
- повысить чистоту расплава и охлаждающей среды с целью предотвращения окисления капель и гетерогенного зарождения кристаллов на твердых частицах примесей и окисных пленках;
- создать максимальную равномерность гранул по размерам и массе;
- разработать механизм воздействия на переохлаждение капель, который бы регулировал создание переохлаждения и позволял на определенной стадии полета инициировать одновременное начало кристаллизации.
Вместе с тем создание такой технологии может дать существенный выигрыш в измельчении структуры и повышении свойств изделий из гранулируемых никелевых сплавов.
Недендритная структура слитков никелевых сплавов была получена также при изготовлении слитков методом вакуумного двухэ-лектродного переплава (ВДЭП), когда образование зародышей кристаллизации происходило за счет первоначального переохлаждения в каплях, поступающих в лунку кристаллизующегося слитка [11].
Формирование предельно измельченной недендритной структуры в слитках и гранулах из легких и жаропрочных никелевых сплавов позволяет заметно поднять пластичность литого металла, что особенно важно для высокопрочных алюминиевых сплавов с их склонностью к образованию трещин при литье и деформации.
К этому следует добавить еще одну особенность формирования предельно измельченной недендритной структуры слитков и гранул. В предельно измельченной недендритной структуре наряду с измельчением зерна происходит измельчение и других элементов
структуры. В частности, существенно измельчаются частицы вторых фаз в эвтектике по границам зерен, микропоры и др.
Все эти структурные изменения сохраняются после деформации и способствуют повышению уровня механических и ресурсных свойств деформированных полуфабрикатов из легких и жаропрочных никелевых сплавов.
Сегодня в наибольшей степени изучено влияние недендритной структуры слитков на свойства литого и деформированного метал-
ла при непрерывном литье алюминиевых и магниевых сплавов [12].
Однако, по нашему мнению, следует в самое ближайшее время оценить преимущества формирования недендритного зерна в дисперсных гранулах никелевых сплавов после центробежного распыления. Чтобы в полной мере получить эти преимущества в процессе гранулирования, необходимо будет повысить чистоту распыляемого металла и разработать средства эффективного охлаждения потока летящих капель.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добаткин В. И., Белов А. Ф., Эскин Г. И., Боровикова С. И., Гольдер Ю. Г. Закономерность кристаллизации металлических материалов/ Научное открытие. Диплом № 271//Открытия. Изобретения. 1983. № 37. C. 1.
2. Добаткин В. И. Непрерывное литье и литейные свойства. - М.: Оборонгиз, 1948. - 154 с.
3. Эскин Г. И., Боровикова С. И., Веселов-ский Н. В., Дискин А. М. Закономерности формирования структуры гранул алюминиевых сплавов при ультразвуковом методе распыле-ния//Металлургия гранул. - М.: ВИЛС, 1986. Вып. 3. С. 213-222.
4. Сафронов В. П., Рытов Н. Н., Эскин Г. И, Со-луянов Ю. Ф. Совершенствование технологии газоструйного распыления//Металлургия гранул. - М.: ВИЛС, 1983. Вып. 1. C. 59-63.
5. Patterson R. I., Cox A.R., Van Reuth E.C. Rapid Solidification Rate Processing and Application to Turbine Engine Materials//Journal of Metals. 1980. V. 32. № 9. C. 34-36.
6. Добаткин В. И., Эскин Г. И., Боровикова С. И. К вопросу о формировании субдендритной структуры слитка при ультразвуковой обработке расплава в процессе кристаллизации//Тех-нология легких сплавов. 1971. № 6. C. 9-17.
7. Эскин Г. И., Бочвар С.Г., Ялфимов В. И. К вопросу о формировании недендритной структуры в слитках алюминиевых сплавов//Технология легких сплавов. 2010. № 1.
8. Добаткин В. И., Эскин Г. И. Недендритная структура в слитках легких сплавов//Цветные металлы. 1991. № 12. С. 64-67.
9. Добаткин В. И. Совместное воздействие переохлаждения расплава и внешнего теплоот-вода на формирование структуры слитков, отливок и гранул//Алюминий и технический прогресс. - М.: ВИЛС, 1987. С. 164-171.
10. Добаткин В. И. Роль кинетических и термодинамических факторов при кристаллизации гранул/Металлургия гранул. - М.: ВИЛС, 1983. Вып. 1. С. 23-33.
11. Сафронов В.П., Раковщик Г. М., Филимонов А. В. Литье мелкозернистых слитков//Тех-нология и обработка легких и специальных сплавов. - М.: ВИЛС, 1994. С. 322-328.
12. Эскин Г. И. Закономерности формирования недендритной структуры в слитках и гранулах из легких и жаропрочных никелевых сплавов //Перспективные технологии легких и специальных сплавов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. С. 194-212.
