Сегрегация при литье сплавов: Типы, причины и устранение

Введение

Сегрегация при литье сплавов - критическое явление, влияющее на качество и эксплуатационные характеристики металлов и сплавов. Оно относится к неравномерному распределению легирующих элементов в процессе затвердевания. Эта неоднородность может привести к изменению механических, химических и физических свойств, что часто приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик.

Понимание типов, причин и стратегий уменьшения сегрегации необходимо для производства высококачественных сплавов.

Типы сегрегации

• Микросегрегация:

Микросегрегация происходит в микроскопических масштабах внутри отдельных зерен или между дендритными рукавами. Во время затвердевания растворенные элементы имеют тенденцию концентрироваться в последних затвердевших областях, часто на границах зерен или в междендритных областях. Этот тип сегрегации может привести к локальным изменениям в составе, что может повлиять на микроструктурные и механические свойства сплава.

• Макросегрегация:

Макросегрегация происходит в макроскопических масштабах, когда состав изменяется по всей отливке или слитку. Она часто видна невооруженным глазом и может привести к масштабным изменениям свойств сплава. Макросегрегация обычно возникает из-за движения жидкой фазы во время затвердевания, что приводит к неравномерному распределению растворенных элементов.

[1]

Причины сегрегации

1. Коэффициент разделения (k):

Коэффициент разделения, определяемый как отношение концентрации растворителя в твердой фазе к концентрации в жидкой фазе, играет важную роль в сегрегации. Если коэффициент разделения меньше единицы (k < 1), растворитель имеет тенденцию концентрироваться в жидкой фазе во время затвердевания, что приводит к сегрегации. Например, в сплаве алюминия с медью медь имеет тенденцию концентрироваться в жидкой фазе, что приводит к сегрегации при затвердевании сплава.

2. Скорость затвердевания:

Скорость затвердевания сплава влияет на степень сегрегации. Быстрое охлаждение задерживает растворенные элементы в жидкой фазе, создавая градиент концентрации. Напротив, медленное охлаждение дает больше времени для перераспределения растворителя, потенциально уменьшая микросегрегацию, но увеличивая риск макросегрегации из-за более длинных путей диффузии.

3. Разница в плотности:

Разница в плотности между элементами растворителя и растворенного вещества может привести к сегрегации под действием силы тяжести. Более тяжелые элементы могут оседать на дно расплава, в то время как более легкие элементы поднимаются наверх. Это может создать значительные градиенты состава в затвердевшем сплаве.

4. Термические градиенты:

Неравномерное распределение температуры во время затвердевания может вызвать направленное затвердевание, при котором состав изменяется вдоль фронта затвердевания. Тепловые градиенты вызывают движение жидкости в расплаве, что может еще больше усугубить сегрегацию.

5. Поток жидкости и конвекция:

Естественная или принудительная конвекция в расплавленном сплаве может переносить растворители, что приводит к сегрегации. Потоки жидкости, вызванные тепловыми градиентами, механическим перемешиванием или электромагнитными силами, могут вызвать неравномерное распределение легирующих элементов.

Стратегии уменьшения влияния

1. Регулирование скорости охлаждения:

Регулировка скорости охлаждения является основным методом уменьшения сегрегации. Оптимизируя скорость охлаждения, можно найти баланс между слишком быстрым и слишком медленным затвердеванием. Контролируемые профили охлаждения помогают поддерживать равномерное распределение растворителей. Например, в методах направленного затвердевания для эффективного управления распределением растворителя применяется контролируемый тепловой градиент.

2. Перемешивание или электромагнитная обработка:

Механическое перемешивание или электромагнитное перемешивание может улучшить смешивание растворителей в расплаве. Механическое перемешивание подразумевает физическое перемешивание расплавленного сплава для обеспечения однородного распределения растворителей. Электромагнитное перемешивание использует электромагнитные поля для создания потока жидкости в расплаве, что улучшает распределение растворителей и уменьшает сегрегацию.

3. Рафинирование зерна:

Добавление нуклеирующих агентов или рафинеров зерен может способствовать образованию мелких равноосных зерен, что может уменьшить степень сегрегации. Например, в алюминиевые сплавы можно добавлять титан или бор для уточнения структуры зерна, что приводит к более равномерному распределению растворенных элементов.

4. Методы направленной кристаллизации:

Методынаправленной кристаллизации, такие как зонное рафинирование, могут помочь управлять распределением растворителей. При зонной рафинировке расплавленная зона перемещается через твердый сплав, обеспечивая перераспределение растворителей и уменьшая сегрегацию. Регулирование градиента при затвердевании также может быть использовано для достижения более однородного состава.

5. Гомогенизационная термообработка:

Термообработка после затвердевания, известная как гомогенизация, может способствовать диффузии растворителей, выравнивая различия в составе, вызванные сегрегацией. Этот процесс включает в себя нагрев затвердевшего сплава до температуры, при которой диффузия значительна, но ниже температуры плавления, что позволяет перераспределить растворители.

6. Использование сплавов с одинаковыми температурами плавления:

Выбор легирующих элементов со схожими температурами плавления может уменьшить тенденцию к сегрегации. Сплавы с близкими температурами плавления имеют тенденцию застывать более равномерно, сводя к минимуму градиенты состава.

Похожие случаи и отчеты о сегрегации при литье сплавов

Ниже приведены несколько примечательных случаев и отчетов, которые подчеркивают важность решения проблемы сегрегации в различных промышленных и исследовательских условиях:

Пример 1: аэрокосмическая промышленность - титановые сплавы

В работе "Контроль макросегрегации в крупных слитках титановых сплавов", написанной Дж. Д. Коттоном и М. Г. Берком, подробно описывается, как оптимизированные процессы вакуумно-дугового переплава (VAR) и методы электромагнитного перемешивания были применены для снижения макросегрегации в слитках титановых сплавов. Исследование показало, что благодаря контролю параметров затвердевания и использованию передовых методов перемешивания можно значительно улучшить однородность состава сплава, что приведет к улучшению механических свойств конечных аэрокосмических компонентов.

Пример 2: автомобильная промышленность - алюминиевые сплавы

Работа "Смягчение микросегрегации в высокопрочных алюминиевых сплавах для автомобильной промышленности" была посвящена проблеме микросегрегации в сплавах алюминия с медью. Исследователи изучили влияние различных скоростей охлаждения и обработки гомогенизацией на структуру микросегрегации. Они обнаружили, что сочетание быстрого охлаждения и последующей гомогенизационной термообработки эффективно снижает микросегрегацию, что приводит к более равномерным механическим свойствам. Эти результаты были использованы при производстве легких автомобильных компонентов с улучшенными характеристиками и долговечностью.

Пример 3: Аддитивное производство - 3D-печать металлов

"Контроль микросегрегации в аддитивно изготовленных сплавах" А. Д. Роллетт, Т. ДебРой исследовал явления микросегрегации в различных аддитивно изготовленных сплавах, включая титановые и алюминиевые сплавы. Исследователи изучили влияние различных параметров процесса AM, таких как мощность лазера и скорость сканирования, на микросегрегацию. Они обнаружили, что оптимизация этих параметров, наряду с термической обработкой после процесса, может значительно уменьшить микросегрегацию. Полученные результаты способствуют повышению качества и производительности металлических компонентов, изготовленных методом аддитивного производства, что делает их более пригодными для критически важных применений в аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности.

Заключение

Сегрегация при литье сплавов существенно влияет на эксплуатационные характеристики и надежность металлов и сплавов. Понимая типы и причины сегрегации, металлурги могут реализовать эффективные стратегии ее уменьшения для получения высококачественных материалов.

Контроль скорости охлаждения, механическое и электромагнитное перемешивание, измельчение зерен, методы направленного затвердевания, гомогенизационная термообработка и тщательный выбор сплавов - все это необходимые инструменты для управления и снижения сегрегации. Эти стратегии должны быть адаптированы к конкретным системам сплавов и областям применения для достижения оптимальных результатов, обеспечивая производство сплавов с однородными свойствами и улучшенными эксплуатационными характеристиками. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

[1] K. J. B. R. W. C. ... P. V. (2001). Энциклопедия материалов: Наука и технология. https://www.sciencedirect.com/referencework/9780080431529/encyclopedia-of-materials-science-and-technology