3.6 Отжиг при температурах выше неравновесного солидуса

Целью отжига-гомогенизации при температурах выше неравновесного солидуса является увеличение степени гомогенизации структуры слитка, если при обычном гомогенизационном отжиге полная гомогенизация не достигается.

При этом значительно повышается пластичность сплава, сокращается продолжительность отжига. Однако использование такого вида отжига на практике ограничено в связи с опасностью пережога и сильного порообразования, резко ухудшающих комплекс механических свойств сплавов. Известно, что нагрев сплавов до температур, вызывающих хотя бы частичное оплавление структурных составляющих, например эвтектик, приводит к резкому понижению пластичности. Это обусловлено тем, что в образующейся при оплавлении жидкости скапливаются газы, диффундирующие в нее в связи со значительно более высокой растворимостью их в жидкости по сравнению с твердым раствором.

Увеличение количества примесей в очаге плавления может вызывать окисление основного металла и легирующих компонентов, образование хрупких химических соединений типа нитридов, гидридов и пр. В этом случае последующая кристаллизация очагов оплавления будет приводить к усадочным явлениям, приводящим к возникновению пористости и трещин, что свойственно явлению пережога.

Все эти структурные дефекты наблюдаются, если сплав нагревается хотя бы на единицы градусов выше температуры равновесного солидуса. Нагрев литого сплава до температуры выше неравновесного солидуса также приводит к образованию очагов плавления в объеме сплава. Однако появляющиеся микрообъемы жидкости в данном случае оказываются метастабильными, неустойчивыми включениями, способными к взаимодействию с окружающим твердым раствором путем диффузионного обмена атомами основных компонентов сплава в направлении установления равновесия. Это приводит к исчезновению со временем жидких включений за счет изотермической диффузионной кристаллизации.

Непрерывная миграция поверхности раздела между твердым раствором и исчезающей жидкостью во времени предотвращает диффузионное перераспределение примесей в жидкую фазу, исключая, или, по крайней мере, уменьшая ее газонасыщение. Изотермические условия кристаллизации, кинетика которой контролируется диффузионным массопереносом вещества через межфазную поверхность, уменьшают степень проявления усадки при затвердевании жидких включений, исключая образование пористости.

Таким образом, образование очагов плавления при температурах выше неравновесного, но ниже равновесного солидуса может не вызывать отрицательного воздействия на структуру и свойства сплавов, в связи с чем оказывается возможным гомогенизационный отжиг при температуре выше неравновесного солидуса.

Абсолютное повышение температуры по сравнению с обычным гомогенизационным отжигом даже на 20 - 30 градусов, особенно при температурах, близких к температуре плавления, существенно увеличивает скорость диффузионных процессов, что ускоряет завершение гомогенизации и приводит к более полному устранению химической неоднородности в сплаве. Например, гомогенизационный отжиг промышленных слитков из сплава Д16 при температуре 515 °С (температура неравновесного солидуса 508 °С) ускоряет гомогенизацию в 2,5 раза по сравнению с обычным гомогенизационным отжигом при 480 °С.

Пластические свойства (относительное удлинение) возрастают при этом в 1,5 - 2,0 раза, что улучшает технологичность слитков при обработке давлением.

Более полное устранение неравновесных структурных составляющих в сплаве может быть обусловлено и самим фактом изменения его агрегатного состояния. Присутствие их в этих условиях в виде жидкой однородной капли вместо твердой гетерогенной, например, эвтектической колонии, улучшает условия диффузионного обмена на межфазной границе с окружающим твердым раствором, исключает необходимость диссоциации одной из фаз эвтектики.

Кроме того, легче осуществляются процессы диффузионного обмена в объеме самой жидкой капли по сравнению с твердой частицей.

Этот вид отжига был предложен А.М. Бочваром еще в 1927 году, однако применение его ограничено и сейчас. Кроме того, такой отжиг не проводится, если неравновесная структурная составляющая, образующаяся при неравновесной кристаллизации, располагается в виде сплошной пленки по границам зерен. Для таких сплавов отжиг при температуре выше неравновесного солидуса приводил бы к нарушению межзеренных связей сразу по всем межзеренным поверхностям, деформации и разрушению изделий.