Кристалізація евтектичних стопів

Евтектичні жароміцні стопи є перспективними матеріалами для лопаток, що працюють при температурах до 1100 °С та більше. На відміну від звичайних евтектик, в таких стопах та фаза, кількість якої менша, формується в процесі кристалізації у вигляді безперервних стрижнів або пластин впорядковано розташованих вздовж вісі тепловідводу. При об’ємній частці цієї фази менше 32 % утворюються стрижні, а більше 32% — пластини. Така армуюча фаза зберігається аж до температури солідус стопу.

Евтектичні стопи уявляють собою суміш двох твердих фаз, розподіл і форма (морфологія) яких може дуже суттєво розрізнятися в різних бінарних системах. Залежно від вигляду і розподілу двох твердих фаз, що створюють евтектику, розрізнюються наступні структури: пластинчаста, глобулярна, стрижньова і голчаста. Вигляд евтектики пластинчастого типа наведено на рис.2.9, а. Вона утворюється, зокрема в стопах Pb-Sn. Евтектика стрижньового типу складається з сукупності стрижнів однієї фази, що чергуються в безперервній матриці другої фази, як показано на рис.2.9,б. Евтектика глобулярного типу, що зображена на рис.2.9,в, не особливо поширена. Прикладом слугує евтектика Cu-Cu₂O, коли фаза Cu₂O виділяється у вигляді частинок сферичної форми. В голчастій евтектиці, згідно рис.2.9,г, друга фаза має нерегулярну форму, що нагадує голки, які безладно орієнтовані по відношенню до безперервної матриці. Така евтектика утворюється в системі Al-Si. Кремній виділяється у вигляді голок, оточених твердим розчином на основі алюмінію.

Структура евтектики залежить від умов кристалізації і співвідношення фаз. Якщо хімічні склади твердих фаз еквідістантні по відношенню до евтектичного складу рідини, або якщо немає великої відмінності в питомих об’ємах, зайнятих кожною з двох твердих фаз, то може утворюватися пластинчаста або стрижньова структура. Утворення другої фази в вигляді голок або виділень нерегулярної форми часто спостерігається в системах, де евтектична точка ближче до хімічного складу однієї з твердих фаз і де фаза, що присутня в стопі в невеликій кількості, має високу анізотропію.

 

а	б
в	г

а – пластинчасте, б – стрижньова, в – глобулярна, г - голчаста

Рисунок 2.9 – Схематичне зображення росту евтектик різного типу

У випадку пластинчастої евтектики кристалізація рідини евтектичного складу починається з утворення центрів кристалізації однієї з твердих фаз. Зростання кристалів цієї фази продовжується до тих пір, поки концентрація другого компоненту на фронті кристалізації не стане достатньою для утворення центрів кристалізації другої фази. Зародження кристалів другої фази може відбутися безладно, в об’ємі рідини, або на кристалах першої фази. У випадку зародження на кристалах першої фази починається одночасне зростання кристалів двох фаз і відбувається евтектична кристалізація. Якщо друга фаза безладно виникає в об’ємі рідини, то на кристалах другої фази може відбутися зародження кристалів першої фази і починається евтектичне зростання обох фаз. І в першому і в другому випадках при кристалізації відбувається зростання обох фаз в поперечному і повздовжному напрямках. При формуванні евтектики пластинчастого типу форма фронту кристалізації не може бути плоскою і гладкою, оскільки кристали фаз, які утворюють евтектику, мають різні хімічні склади та властивості. Форма фронту кристалізації залежить від наступних факторів: теплопровідність твердих фаз, кількість домішок, величина поверхневого натягу між фазами. На товщину пластин впливає швидкість кристалізації. При збільшенні швидкості кристалізації час для дифузії домішок перед фронтом кристалізації зменшується і тому товщина пластини зменшується. Тоді шлях для дифузії стає коротше, і домішка, яка виділилася попереду однієї з пластин встигає продифундувати до сусідньої пластини, забезпечуючи тим самим умови, необхідні для подальшого їх зростання. Зменшення ширини пластин призводить до збільшення кількості меж між ними, а це в свою чергу призводить до збільшення сумарної зерномежевої енергії меж і, отже, система буде прагнути до зменшення довжини меж.

Процес утворення евтектики стрижньового типу аналогічний утворенню евтектики пластинчастого типу. Евтектики глобулярного типу є результатом безперервного гетерогенного зародження другої фази в рідині попереду фронту кристалізації. При цьому кристали другої фази приймуть неправильну (голчасту) форму, якщо вони володіють анізотропією зростання, і глобулярну форму, якщо швидкість росту кристалів в усіх напрямках приблизно однакова.

Перше покоління нікельових жароміцних евтектичних стопів представлено системами типу g-МС, g¢-d і g/g¢-d, де матрицею є або g-розчин, або g¢-фаза, або g-розчин, зміцнений g¢-фазою. Армуючими фазами слугують карбіди МС (NbC, ТaС) або інтерметалід Ni₃Nb(d-фаза).Такі стопи відрізняються високою стабільністю структури та властивостей при високих температурах і зберігають свою міцність аж до температур 0,8...0,9 Т_топл. Для робочих температур газів близько 2000К перспективними є евтектичні стопи на основі важкотопких оксидів.

Друге покоління евтектичних жароміцних стопів це композиції g/g¢—МС і g/g¢—a, де a — важкотопкий метал (Мо-пермалой, W). Частка карбідів (NbC, ТaС) в них складає 5...16%, а a-металу — 20...32 %.

Евтектичні стопи отримують тим же способом спрямованої кристалізації з високим температурним градієнтом, що і стовпчасті та монокристалічні стопи, але із значно меншими швидкостями кристалізації — 6...10 мм/год. Із збільшенням швидкості кристалізації в цих межах зростає надійність виробів із жароміцних стопів.