1.2. Нанотехнологии в литейном производстве

Процесс затвердевания при охлаждении любого жидкого металлического материала начинается с образования центров кристаллизации, а получаемая структура определяется скоростью роста кристаллов твёрдой фазы. Если число центров кристаллизации мало, а скорость роста велика, то получается крупнокристаллическая микроструктура, имеющая низкие параметры прочности. В случае образования большого числа центров кристаллизации и малой скорости их роста образуется мелкокристаллическая структура, отличающаяся более высокими параметрами прочности.

В процессе начала кристаллизации затвердевающего вещества при уменьшении температуры, когда вокруг образовавшегося зародыша твёрдой фазы находится жидкость, происходит образование субзерна или блока со средним размером около 100 нм. Когда ничто не мешает росту кристаллизующегося наноразмерного субзерна, оно имеет идеальное монокристаллическое атомное строение с повышенным значением параметров механической прочности в объёме этого монокристаллического образования по сравнению с прочностью более значительного по геометрическим размерам кристалла, включающего границы блоков. Границы блоков служат поверхностными дефектами атомно-кристаллического строения вещества, изобилуют линейными дефектами - дислокациями, снижающими механическую прочность материала. Блочная субзёренная структура внутри литого зерна - кристалла обнаруживается методами электронной микроскопии большой разрешающей способности и имеет средний размер на уровне 10^-7 м. Поэтому, вводя в исходный шихтовой материал наноразмерные порошки или синтезированные частицы более тугоплавкого компонента, возможно увеличить число центров кристаллизации, что приведёт к увеличению прочности конструкционного сплава в макрообъёме. В настоящее время проводятся широкие исследования в области получения наноразмерных порошков различных материалов [ 2 ].

Другим атрибутом любой литой наноструктуры металлических конструкционных материалов является факт образования дендритов (древовидных участков) на начальном периоде кристаллизации твёрдой фазы при медленном охлаждении из жидкого состояния. Максимальная скорость роста зародышей кристаллов наблюдается по плоскостям и направлениям наибольшей плотности упаковки атомов в случае наличия градиента температуры в кристаллизующемся объёме. Например, в объёмно-центрированной кубической ячейке - по плоскостям и направлениям III - это объёмные плоскости и направления объёмных диагоналей куба [ 1 ]. В результате кристаллизации вырастают длинные ветви, называемые осями первого порядка, от которых начинают расти ветви второго порядка, а затем ответвляются оси третьего порядка. Такая направленная дендритная кристаллизация металлических материалов, начинающаяся в нанооб-ластях, распространяется до микро- и макроразмеров кристаллов, обнаруживаемых методом оптической микроскопии. Столбчатые древовидные кристаллы растут преимущественно в направлении, противоположном теплоотводу, что всегда видно на макроструктуре слитков сплавов. На этом эффекте основан метод направленной кристаллизации ряда деталей, например литых лопаток газотурбинных двигателей, многих постоянных магнитов из литых сплавов типа алнико и др. Максимальный размер дендрита, составлявшего 39 см, был обнаружен учеником великого русского металлурга Д.К. Чернова в усадочной раковине 100 тонного стального цилиндрического с прибыльной частью слитка, отлитого в металлическую изложницу. "Дендрит Чернова" обошёл многие учебники металлографии и металловедения.

Таким образом, факты наличия блочной субзёренной и дендритной упорядоченной структуры литого металла указывают на закономерность самоорганизации или самосборки наносистем литых конструкционных материалов, которыми в настоящее время пытаются научиться управлять, с целью достижения необходимых свойств.

Литейное производство в сочетании с другими технологическими методами является необходимым составляющим элементом созданной к настоящему времени нанотехнологии нанокристаллических микролегированных высокопрочных алюминиевых сплавов за счёт получения аномально пересыщенных твёрдых растворов [ 2 ].

Литьё со скоростями охлаждения на уровне 10⁶ град/сек привело к созданию особого класса аморфно-металлических конструкционных материалов, имеющих высокие значения параметров прочности в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, а иногда высокими магнитными, инварными, эльинварными и др. свойствами [ 1 ].

Литьё в сочетании с последующей деформационно-термической обработкой предоставляет широкие возможности для развития нанотехнологии с целью существенного повышения прочностных и специальных свойств конструкционных материалов.