Общие закономерности формирования направленной структуры при высокоградиентной направленной кристаллизации жаропрочных сплавов

При направленной кристаллизации литейных никелевых жаропрочных сплавов обычно формируется дендритно-ячеистая структура, образованная ветвями дендритов, развившихся от зародышей или центров кристаллизации, растушие дендриты пронизывают отливку ветвями различных по­рядков (от первого до третьего), при этом ветви дендритов в никелевых жа­ропрочных сплавах всегда растут вдоль кристаллографических направлений <001 >, а наиболее развитые оси первого порядка формируются в направле­нии максимального температурного градиента на фронте роста. Данная осо­бенность дендритного роста определяется гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) неупорядоченного никелевого у-твердого раствора жаропроч­ного сплава. При этом ось дендрита совпадает с направлением ребра куба, являющегося осью пирамиды, образованной четырьмя плотноупакованными плоскостями {III}.

Для промышленных жаропрочных сплавов характерно многокомпонентное легирование: алюминием, титаном, хромом, кобальтом, молибденом, вольф­рамом, ниобием, гафнием, углеродом, другими элементами; как правило, они имеют достаточно большой интервал кристаллизации (40-80'С)

где интервал кристаллизации; TL - температура ликвидус сплава; Ts - температура солидус сплава.

Поэтому при НК перед фронтом роста существует жидкотвердая область, в которой формируются растущие дендриты; размер этой зоны зависит как от интервала кристаллизации жаропрочного сплава, так и от температурного градиента на фронте кристаллизации

Где L - высота жидкотвердой области; -температурный градиент на фронте кристаллизации.

Количественные характеристики дендритной структуры — расстояние между осями первого или второго порядка - связаны со скоростью охлаждения расплава на фронте кристаллизации.

Анализ формирования дендритной структуры отражаются уравнение:

где - междендритное расстояние; -коэффициент, пропорциональный интервалу кристаллизации; R - скорость перемещения фронта кристаллизации.

Экспериментальные исследования по высокоградиентной НК интерметаллидных сплавов типа ВКНА и жаропрочных сплавов Rene N5 и CMSX-4 подтвердили правильность вышеуказанной зависимости и позволили представить ее графически (рис. 60), что соответствует результатам теоретического анализа формирования дендритной структуры.

Рисунок 57 Зависимость междендритного расстояния от скорости охлаждения жаропрочных сплавов

Рост дендритов при НК сложнолегированных жаропрочных сплавов сопро­вождается дендритной ликвацией, которую можно выразить в виде коэффи­циента распределения

-отношение концентрации примеси в твердой фазе C_S к ее концентрации в жидкой фазе C_L. При этом легирующие элементы с коэффициентом рас­пределения К₀<1 концентрируются в межосном пространстве (алюминий, титан, ниобий, тантал) (рис. 61, а), а легирующие элементы с коэффициен­том распределения К₀>1 (вольфрам, рений) - преимущественно в осях ден­дритов (рис. 61, б).

К₀-коэффициент распределения легирующего элемента

С₀-исходная концентрация

Рисунок 58 Фрагмент диаграммы состояния компонентов А-В

Условия дендритной кристаллизации с учетом концентрационного переохлаждения в жидкости на фронте кристаллизации могут быть представле­ны в виде уравнения

( )

где m- наклон линии ликвидуса; С₀ - исходная концентрация легирующего элемента; D - коэффициент диффузии легирующего элемента в жидкости.

При невысоком температурном градиенте (например, на медном водоохлаждаемом кристаллизаторе; метод Бриджмена, G ~ 20 С/см) размер жидко-твердой области может достигать десятков миллиметров (рис. 62, а), что обеспечивает формирование крупнодендритной структуры ( = 400-800 мк\с развитыми осями второго порядка.

При этом растущие ветви дендритов оттесняют атомы легирующих элементов с коэффициентом распределения К₀ < 1 в междендритное пространство, где в последнюю очередь (в условиях неравновесной кристаллизации) может затвердевать эвтектика, состоящая из крупных частиц. При более низком градиенте на фронте кристаллизации (G < 10 С/см) и малых скоростях кристаллизации избыточная эвтектика может образовывать на поверхности отливки «струйчатую полосчатость» в виде цепочек равноосных зерен (freckles), ориентированных в направлении роста и содержащих в структуре избыточные выделения эвтектических фаз, а также междендритные поры.

Рисунок 59 Схема фронта кристаллизации в условиях дендритного роста при НК: а – G=20^оС/см, б- G=200^оС/см.

Рисунок 60. Характерная структура (х100) жаропрочного сплава ЖС32 в зависимости от температурного градиента на фронте кристаллизации: а - G =20'С/см; б - G = 200'С/см

Рисунок 61 Избыточные выделения эвтектической фазы (freckles) в виде цепочек равноосных зерен на поверхности литой лопатки ГТД:а- «струйчатая полосчатость»; б - микроструктура (х100) отливки с такими выделениями

При высоком температурном градиенте на фронте кристаллизации (НК с жидкометаллическим охладителем при G =200 /см) размер жидкотвердой области (рис. 62, б) существенно уменьшается, что содействует формированию регулярной тонкодендритной структуры ( =100-180 мкм) с равномерно распределенными, значительно меньшими по размеру выделениями частиц эвтектических фаз (см. рис. 63, б).

При НК с невысоким температурным градиентом, когда размер жидко-твердой зоны достаточно велик, из-за перекрытия дендритных каналов осями второго порядка течение расплава к основанию дендритов затруднено. Вследствие различных молярных объемов жидкой и твердой фаз, преимущественно эвтектических, кристаллизующихся в последнюю очередь (в основании дендритов), образуются междендритные поры. Механизм их образования во многом связан с усадкой меньшим объемом твердых фаз по сравнению с жидкостью.

При высокоградиентной НК высота жидкотвердой области значительно уменьшается, что облегчает подпитку расплавом оснований дендритов. В этом случае существенно уменьшается дендритная ликвация и размер выделений эвтектических фаз. Все это содействует уменьшению количества и размера междендритных пор.