сплавов. У алюминиевых сплавов с пересыщенным твердым раство­ ром прочность возрастает в 1,5-2,0 раза. Такая прочность достигает­ ся при охлаждении расплава путем распыления и последующего пе­ ревода мельчайших частиц в компактное состояние путем пластиче­ ской деформации.

Сплавы на основе Fe, Ni, Со с добавками неметаллов С, В, Р, Si в аморфном состоянии приобретают повышенные электромагнитные характеристики. Ленты из таких сплавов толщиной 50-100 мкм, по­ лученные путем литья на водоохлаждаемый барабан, используют для изготовления сердечников трансформаторов и головок магнитофо­ нов. Некоторые материалы приобретают полупроводниковые свой­ ства, другие становятся сверхпроводимыми.

9.2. Получение монокристаллических изделий

Свойства поликристаллических металлов и сплавов зависят от формы и размеров кристаллов, а также от состояния их границ. Для получения истинных значений некоторых свойств твердых тел необ­ ходимо испытывать монокристаллические образцы.

Монокристаллы находят достойное применение и в технических системах, благодаря своим особым и стабильным свойствам. Чаще всего это монокристаллы германия и кремния, которые используются в полупроводниковых системах Монокристаллические детали из ту­ гоплавких металлов и сплавов позволяют повысить надежность аэ­ рокосмических аппаратов. Лучшие характеристики имеют магнит­ ные материалы в виде монокристаллов.

Для получения монокристаллов необходимо регулировать теп­ лоотвод. Основной принцип всех методов выращивания монокри­ сталлов можно выразить следующим образом: отвод скрытой тепло­ ты не должен сопровождаться таким переохлаждением, при котором могут образоваться зародыши новых кристаллов. Для реализации этого принципа необходимо создать такие условия, чтобы тепло­ та отводилась через растущий кристалл. Это возможно, если крис­ талл соприкасается с холодильником, а питающий его расплав по­ догревается.

Все методы выращивания монокристаллов можно поделить на три группы:

-вытягивание кристалла из расплава;

-направленная кристаллизация всей массы расплава;

-последовательное расплавление небольших зон слитка. Важное значение имеет момент начала кристаллизации, т.е. за-

родышеобразование. В большинстве случаев используют затравоч­ ные кристаллы из того же материала, что и расплав, или из материала с близкими параметрами кристаллической решетки. Использование

в 1917 году Чохральским (J.Z. Czochralski), используют в полупро­ водниковой промышленности. В этом случае над тиглем 4 на верти­ кальном штоке 1 устанавливают затравочный кристалл 2 и опускают его до соприкосновения с расплавом. Схема вытягивания кристалла показана на рис. 96. После установления теплового равновесия шток начинают вращать и медленно поднимать со ско­ ростью, равной скорости роста кристал­ ла. Если скорость подъема будет отли­ чаться от скорости роста, то произойдет либо утолщение, либо утоныпение се­

чески активных веществ необходимо создавать защитную атмосферу или вакуум, поэтому тигель с расплавом находится в герметичной камере 4 с индукционным подогревом 5.

Метод нормального затвердевания применяют для получения монокристаллов из веществ с относительно невысокой температурой плавления. Схема процесса показана на рис. 97.

Рис. 97. Схема выращивания монокристаллов по методу нормального за­ твердевания: 1- кристалл; 2 - холодильник; 3- расплав; 4 - источник тепла

Кристаллы выращивают в так называемых лодочках. Это вытя­ нутые тигли небольшого сечения, открытые сверху (рис. 98). В узкой части тигля помещают затравочный кристалл, а остальную полость заполняют расплавом.

\/ Ц кристалла. Для лучшего теплоотвода

левая часть тигля может быть снабже­ на дополнительным водяным охлаж­ дением. В лодочку можно загружать и твердую садку. В этом случае снача­ ла плавят загруженный материал

и часть затравочного кристалла, а потом перемещают плоский фронт кристаллизации, сдвигая лодочку или нагреватель. По этому методу можно выращивать кристаллы различной формы, меняя конфигура­ цию полости лодочки, закрывая ее крышкой.

Если требуется вырастить кристалл с определенной ориентаци­ ей кристаллической решетки, то и затравочный кристалл должен иметь ту же самую ориентацию. В связи с этим на первом этапе вы­ ращивания монокристаллов всегда встает задача получения затра­ вочных кристаллов с известной ориентацией, совпадающей с тре­ буемой или близкой к ней в монокристалле. Если угол между осью затравки и геометрической осью кристалла не более 40°, то, устанав­ ливая затравку в лодочке под этим углом, заданную ориентацию

даже в мыслях не допускали, что такие ответственные детали можно изготовлять из литых заготовок. В 40-х годах прошлого века литые сопловые лопатки успешно прошли испытания на двигателях. В со­ временных газотурбинных двигателях устанавливаются охлаждае­ мые рабочие лопатки. Единственным способом изготовления таких лопаток с системой внутренних каналов является литье по выплав­ ляемым моделям. Основные конструкционные свойства металлов и сплавов (прочность, пластичность, сопротивление усталости и др.) зависят от структуры отливок. В начале освоения литых лопаток стремились к получению равномерной мелкозернистой макро­ структуры. Поскольку границы зерен являются наиболее слабым ме­ стом в структуре жаропрочных сплавов, то лопатки с такой структу­ рой быстро исчерпали свои возможности. Повышение эксплуатаци­ онной прочности лопаток стало возможным при получении лопаток с направленной структурой. Границы зерен в лопатках должны рас­ полагаться вдоль оси лопатки. Дальнейшее повышение работоспо­ собности лопаток может быть достигнуто при полном устранении слабого звена в структуре жаропрочных сплавов - междендритных границ. Будущее за литыми лопатками с монокристаллической структурой.

Для получения заданной кристаллической структуры необходи­ мо управлять процессами зарождения кристаллов и их дальнейшим ростом.

Общие теоретические положения кристаллизации сплавов рас­ смотрены в главах 3 и 4 данного пособия. Главной особенностью кристаллизации сплавов является появление концентрационного пе­ реохлаждения. По мере увеличения концентрации легирующих ве­ ществ, растворенных в базовом металле, конфигурация межфазной поверхности между твердой и жидкой фазами изменяется от плоской и гладкой для чистых металлов до ячеистой и затем дендритной. Эти изменения сопровождаются увеличением степени дендритной ликвации.

Жаропрочные сплавы для лопаток имеют сложный химический состав. В ходе их кристаллизации непременно появляется концен­ трационное переохлаждение, которое и оказывает существенное влияние на рост кристаллов. Кроме решения проблем зародышеобразования и направленности роста кристаллов, при литье лопаток не­

обходимо регулировать скорость кристаллизации для получения оп­ ределенной микро-структуры в кристаллах. Условия перехода от плоского фронта кристаллизации к дендритному приведены ранее (см. рис. 54). Вернемся еще раз к рассмотрению этого вопроса.

сплавов.

В идеале лопатки должны иметь направленную столбчатую структуру или монокристаллическую бездендритную структуру с кристаллографической ориентацией [001]. Такая структура может быть получена только при направленной кристаллизации (НК). Про­ цесс НК необходимо организовать так, чтобы скорость роста была максимальной, а скорость зародышеобразования минимальной (ско­ рость роста должна превышать скорость появления новых центров кристаллизации).

Кристаллографическая ориентация кристалла может управлять­ ся введением затравок с требуемой кристаллографической ориента­ цией. Скорость кристаллизации должна обеспечивать максимальную устойчивость плоского фронта и, как следствие, минимальную оста­ точную химическую неоднородность закристаллизовавшегося ме­ талла (дендритную ликвацию).

При разработке промышленных методов НК за основу была принята схема Бриджмена. Форма закрепляется на водоохлаждаемом штоке и постепенно извлекается из зоны нагрева. Основные схемы НК показаны на рис. 101. Проблема увеличения скорости кристалли­ зации решалась путем перехода от радиационного охлаждения фор­ мы с отливкой (см. рис. 101, а) к конвективному охлаждению формы в охлаждающей жидкости (см. рис. 101, б, в). Ввиду того, что полу­ чение отливок из жаропрочных сплавов осуществляется в вакууме, то в качестве охлаждающих жидкостей применяют металлические расплавы с низкой упругостью паров в вакууме при температурах контакта с формой («1100 °С). Малую скорость испарения в вакууме при рабочих температурах имеют: олово, алюминий, галлий, индий и эвтектические смеси этих металлов. Из них главным образом исполь­ зуют алюминий.

Метод направленной кристаллизации с применением жидкоме­ таллических охлаждающих сред назван высокоскоростным (ВНК). ВНК обладает уникальными возможностями по созданию управляе­ мых структур жаропрочных сплавов даже в одной отливке с целью обеспечения оптимального сочетания свойств по высоте изделия.

Следует иметь в виду, что монокристаллической лопаткой или отливкой называют изделие, «выросшее» из одного зародыша и не имеющее границ зерен на протравленной поверхности. При этом в матрице монокристаллического изделия имеются включения пер­ вичных фаз с другим параметром или типом кристаллической ре­ шетки (карбиды, бориды и др.) и вторичные выделения некоторых фаз. Таким образом, монокристалл жаропрочного сплава не отвечает классическому определению монокристалла как объекта с непрерыв­ ной кристаллической решеткой. Это объясняется тем, что жаро­ прочные сплавы имеют сложный многокомпонентный состав. Мик­ роструктура жаропрочных сплавов, как показано на рис. 102, чувст­ вительна к скорости охлаждения в процессе НК. При изменении