Влияние методов быстрого затвердевания на прочность металлических сплавов

Введение

Прочность выхода металлических сплавов — напряжение, при котором материал начинает деформироваться пластически — является критическим параметром в структурной инженерии и высокопроизводительной конструкции компонентов. Обычные литьевые пути, такие как литье песка или слитковая металлургия, часто производят относительно грубые микроструктуры, которые ограничивают достижимую прочность. За последние несколько десятилетий методы быстрого затвердевания (RS) появились в качестве мощного набора процессов, которые преодолевают эти ограничения путем охлаждения расплавленного металла со скоростью, превышающей 10 ] 3 3 6 10 8 K /s. Эта экстремальная скорость охлаждения глубоко изменяет путь затвердевания, давая рафинированные зерна, перенасыщенные твердые растворы и даже аморфные или нанокристаллические структуры. Эти уникальные микроструктурные состояния непосредственно повышают прочность выхода сплавов, что делает процессы RS незаменимыми для передовых аэрокосмических,

Взаимосвязь между быстрой затвердеванием и прочностью на выходе регулируется несколькими классическими и современными механизмами усиления. Путем подавления диффузии на большие расстояния и ограничения роста зерна методы RS позволяют получать сплавные композиции, которые было бы невозможно получить с помощью равновесных методов. Эта статья предоставляет всеобъемлющий, технически подробный обзор влияния быстрого затвердевания на прочность на выход металлических сплавов, охватывающий основные физические процессы, микроструктурную эволюцию, механизмы усиления, методы характеристики и текущие и будущие применения. Дискуссия строится от фундаментальных принципов до практических инженерных результатов, с целью вооружить инженеров материалов и исследователей четким пониманием того, как использовать методы RS для максимального увеличения прочности.

Каковы методы быстрого затвердевания?

Быстрое затвердевание (RS) относится к семейству процессов, которые охлаждают расплавленный металл от температуры его жидкого металла до твердого состояния со скоростью, намного превышающей те, которые достигаются при обычном литье. Высокие скорости охлаждения подавляют равновесные фазовые преобразования, приводящие к метастабильным микроструктурам с рафинированными шкалами длины. Наиболее распространенные методы RS включают расплавление, закалку сплита и атомизацию. Каждый метод имеет различные возможности в отношении скорости охлаждения, формы продукта и масштабируемости.

Расплавление спиннинга

При расплавлении поток расплавленного сплава выбрасывается на быстро вращающееся медное или стальное колесо.Жидкость распространяется на тонкую ленту (обычно толщиной 20–100 мкм), которая охлаждается со скоростью 105-107 К/с. Лента затвердевает в миллисекундах, захватывая растворители в растворе и производя мелкозернистое или аморфное строение.Телеплавкое расплавление широко используется для получения материалов-предшественников для магнитных сплавов, пайки фольги и аморфных металлов.

Сплэт Кенчинг

Закалка сплэта включает воздействие небольшой капли жидкого металла между двумя холодными пластинами с высокой теплопроводностью (часто медью) или на один холодный субстрат. Скорость охлаждения может превышать 10 7 K/s, производя тонкие хлопчатобумажные сплиты с чрезвычайно рафинированной микроструктурой. Этот метод в основном используется в лабораторных исследованиях для изучения фундаментального поведения затвердевания и для скрининга новых композиций сплава для потенциала RS.

Атомизация

Процессы атомизации (атомизация газа, атомизация воды и центробежная атомизация) производят мелкие частицы порошка путем распада расплавленного металлического потока с использованием газообразной или жидкой струи высокого давления или центробежной силы. Отдельные частицы порошка затвердевают со скоростью порядка 10 3 -10 6 K/s, в зависимости от размера частиц. Полученные порошки затем консолидируются с помощью горячего изостатического прессования (HIP) или аддитивного производства для создания объемных компонентов. Атомизация является наиболее коммерчески масштабируемой техникой RS и является основой современной металлической порошковой промышленности для аддитивного производства и порошковой металлургии.

Другие техники

Дополнительные методы RS включают лазерное плавление поверхности, электронное плавление пучка и электростатическую левитацию. Они используются для специализированных поверхностных обработок или обработки без контейнеров. Все методы RS имеют общую цель достижения высоких тепловых градиентов и быстрой тепловой экстракции, которые контролируют зарождение и рост твердых фаз.

Микроструктурные особенности, вызванные быстрым затвердеванием

Сигнатура микроструктур RS — это их отклонение от равновесия. Скорости охлаждения, опережающие атомную диффузию, производят четыре основных типа микроструктурных признаков: рафинированные зерновые и дендритные структуры , расширенная твердая растворимость , нанокристаллические и аморфные фазы и метастабильные кристаллические фазы . Эти особенности являются прямым источником повышенной прочности на выходе.

Утончение зерна и дендритовое разложение рук

При быстром затвердевании количество событий зарождения на единицу объема резко увеличивается, потому что недостаточное охлаждение (температура ниже равновесного жидкого) очень высока. Это приводит к большой популяции мелких зерен, как правило, в диапазоне от микрометра до нанометра. Например, сплавы Al-Cu затвердевают при 10 6 K/s могут демонстрировать размеры зерна ниже 500 нм по сравнению со 100-200 мкм в обычных отливках. Вторичная дендритовая стрелка (SDAS) также резко сокращается, часто опускаясь ниже 1 мкм. Эта очищенная шкала непосредственно повышает прочность выхода через соотношение Холла-Петча.

Расширенная растворимость твердого

При равновесном затвердевании максимальная растворимость легирующего элемента в матрице ограничена фазовой диаграммой. Быстрое затвердевание может улавливать растворенные атомы в решетке далеко за пределы равновесной растворимости, создавая перенасыщенный твердый раствор. Например, растворимость Fe в Al может быть увеличена с примерно 0,05 при.% до более 4 при.% посредством расплавного прядения. Эти перенасыщенные сплавы затвердевают за счет усиления раствора, так как чужеродные атомы создают локальные штаммы решетки, препятствующие движению дислокации.

Аморфные и нанокристаллические структуры

Если скорость охлаждения превышает критическую скорость образования стекла (обычно 10 ]5 -10 7 , жидкость может полностью обходить кристаллизацию и образовывать аморфную (стеклянную) структуру. Аморфные сплавы не имеют границ зерна и дислокаций, что выводится из прочности плотной, неупорядоченной атомной упаковки. Натуральные металлические стекла (BMG) могут иметь прочность выхода, превышающую 2 ГПа. Чаще всего RS производит смесь аморфных и нанокристаллических фаз, где нанокристаллиты (2-50 нм) встроены в аморфную или кристаллическую матрицу. Эта нанокомпозитная структура может демонстрировать очень высокую прочность выхода из-за комбинации границы зерна, твердого раствора и механизмов обхода Орована.

Метастабильные кристаллические фазы

Быстрое затвердевание может также образовывать кристаллические фазы, которые не появляются на равновесной фазовой диаграмме. Эти метастабильные фазы часто имеют различные параметры решетки и механические свойства, чем стабильные фазы. Например, в сплавах Al-Li RS может производить фазу δ' (Al]3]Li) с тонкой когерентной дисперсией, которая значительно усиливает сплав. Образование таких фаз обеспечивает дополнительное усиление осадков.

Укрепление механизмов в быстро затвердевших сплавах

Увеличение прочности выхода, наблюдаемое в РС-обработанных сплавах, обусловлено наложением нескольких укрепляющих механизмов.Относительный вклад каждого механизма зависит от системы сплава, скорости охлаждения и постобработки.

Зал-Петч (Граница зерна) Укрепление

Отношение Холла — Печа, σy = σ0 + kd—1/2, где d — размер зерна, описывает, как увеличивается прочность на урожайность при уменьшении размера зерна.В RS-сплавах распространены размеры зерна от 100 нм до нескольких микрометров, что приводит к существенному усилению. Например, чистый никель с размером зерна 10 мкм имеет прочность на урожайность около 70 МПа, тогда как нанокристаллический никель (размер зерна ~100 нм) может превышать 800 МПа. Эффект Холла — Печа особенно эффективен в RS-сплавах, поскольку мелкие зерна создают множество границ зерна, которые блокируют вывихи.

Укрепление твердых решений

Сверхнасыщенные твердые растворы, производимые РС, содержат высокую концентрацию растворенных атомов в решетке растворителя. Эти атомы взаимодействуют с дислокациями через поля несоответствия упругого модуля и деформации решетки, повышая напряжение, необходимое для движения дислокации. Усиление приращения Δσss пропорционально квадратному корню концентрации растворенного вещества, которое может быть на порядок выше, чем в равновесных сплавах. Этот механизм особенно важен в РС алюминиевых, магниевых и медных сплавах.

Укрепление осадков и обход Орована

Когда RS сплавы выдерживаются, мелкие осадки часто образуются из перенасыщенной матрицы. Эти осадки, которые часто метастабильны и наноразмерны (<50 nm), can be either shearable or non-shearable. Coherent precipitates are sheared by dislocations, while incoherent particles force dislocations to bow around them (Orowan mechanism). The Orowan stress is inversely proportional to the interparticle spacing, and RS can produce extremely dense, finely spaced precipitate distributions. For instance, in RS Al–Sc alloys, Al]3Sc осадки 5-10 нм могут увеличить прочность выхода более чем на 300 МПа.

Усиление дислокации

Быстрое затвердевание вносит высокую плотность закаленных дислокаций, часто порядка 1014—1016 м—2. Эти дислокации служат препятствиями для подвижных дислокаций, увеличивая напряжение потока.Кроме того, при деформации тонкая структура зерна и затвердевание осадков вызывают быстрое накопление дислокаций, приводящее к высоким скоростям уплотнения работы.Сочетание высокой начальной плотности дислокации и эффективных барьеров даёт высокую выходную силу.

Композитное усиление (аморфное/нанокристаллическое)

В сплавах, образующих двухфазную аморфную + нанокристаллическую структуру, прочность может превышать прочность любой фазы в отдельности. Нанокристаллы выступают в качестве жестких препятствий в аморфной матрице, а аморфная фаза обеспечивает высокую прочность, в то время как кристаллы придают пластичность. Прочность выхода таких композитов может приближаться к теоретическому пределу материала. Например, сплавы RS на основе Fe с 20–30 об.% нанокристаллических α-Fe частиц в аморфной матрице имеют прочность выхода 1,5–2,0 ГПа.

Количественное влияние на силу удобрения

Поразительно, что благодаря RS удалось добиться повышения прочности на выходе. Для количественной оценки мы можем рассмотреть несколько репрезентативных сплавных систем.

Эти примеры показывают, что RS может умножать прочность на коэффициенты 1,5-3 по сравнению с обычной обработкой, в зависимости от системы сплавов и оптимизации после обработки.

Характеристика и анализ микроструктур RS

Для полного использования RS для повышения прочности на выходе необходима тщательная характеристика. Общие методы включают рентгеновскую дифракцию (XRD) для определения фазы и оценки размера зерна посредством пикового расширения (метод Шеррера). Электронная микроскопия передачи (TEM) обеспечивает прямые изображения границ зерна, дислокаций и осадков на наноуровне. Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) используется для обнаружения температур перехода стекла и событий кристаллизации в аморфных сплавах. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) с дифракцией обратного рассеяния электронов (EBSD) показывает ориентацию и текстуру на основе электронов. Эти методы помогают соотносить параметры обработки (скорость охлаждения, температура расплава, скорость субстрата) с микроструктурными особенностями и прочностью на выходе. Например, анализ TEM сплавов RS Al-Fe показал, что увеличение скорости охлаждения от 10 4 до 10 7 K /s уменьшает размер зерна от

Применение быстро затвердевших высокопрочных сплавов

Высокие предельные значения мощности, достигнутые RS, позволили использовать более легкие, долговечные и эффективные компоненты.

аэрокосмическая

Аэрокосмические конструкции требуют высоких прочных соотношений к весу. Обработанные RS алюминиевые сплавы (например, Al-Cu-Li, Al-Sc) используются в шкурах фюзеляжа и разреженных крыльях. RS титановые сплавы используются в лопастях турбин и компонентах шасси. Например, Boeing 787 использует сплавы RS Al-Cu-Li для снижения веса. Увеличенная прочность на выходе позволяет более тонкие секции, снижая общий вес самолета и расход топлива.

автомобильный

Автопроизводители используют RS магний и алюминиевые сплавы для блоков двигателя, коробок передач и компонентов подвески. Сплавы магния, обработанные через RS, могут иметь предел прочности, превышающий 400 МПа, тогда как обычные отливки магния редко превышают 200 МПа. Это позволяет более легкие конструкции, которые повышают топливную эффективность и уменьшают выбросы.

Медицинские имплантаты

Кобальт-хром и титановые сплавы, обработанные RS (часто с помощью порошкового и аддитивного производства), обеспечивают высокую прочность, износостойкость и биосовместимость для ортопедических имплантатов, таких как стебли бедра и подносы для коленей. Тонкая микроструктура также улучшает срок службы усталости, критический фактор для долгосрочной производительности имплантата.

Энергетика и оборона

RS-никелевые суперсплавы используются в горячих секциях газовых турбин и в ядерных реакторах. Высокоэнтропийные сплавы (HEA), обработанные с помощью RS, обещают применение в броне и высокотемпературных конструкциях. Для высокоточных шестерен и пружин в системах обороны были исследованы металлические стекла из-за их высокой прочности и упругого хранения энергии.

Будущие направления и вызовы

Продолжает развиваться область быстрого затвердевания. Несколько новых тенденций обещают еще больше повысить прочность урожайности и расширить применимость.

Аддитивное производство (AM) с RS-порошками

Слияние порошкового слоя и направленное энергетическое осаждение зависят от быстрого затвердевания частиц порошка микронного размера. Локализованное плавление и быстрое затвердевание в АМ производят тонкие микроструктуры, которые часто превышают свойства кованых материалов. Мониторинг in situ и контроль обратной связи скорости охлаждения могут позволить адаптировать размер зерна и фазовый состав для максимизации прочности выхода в конкретных областях компонента.

Высокоэнтропийные сплавы (HEA) и композиционно сложные сплавы

HEA, такие как CoCrFeNiMn, могут быть обработаны через RS для получения перенасыщенных твердых растворов с мелкими зернами. Сочетание нескольких основных элементов и RS позволяет создавать микроструктуры с прочностью выхода выше 1000 МПа при сохранении пластичности. Огромное композиционное пространство предлагает множество возможностей для оптимизации.

Насыпные металлические стекла (BMG) и композиты металлического стекла

В то время как BMG обладают исключительной прочностью, их хрупкая природа при комнатных температурах ограничивает применение. Исследования сосредоточены на формировании композитов BMG с нанокристаллическими или дендритными фазами, которые улучшают прочность без ущерба для прочности выхода. Новые стеклообразующие композиции с более низкими критическими скоростями охлаждения позволяют отливать более крупные секции как полностью аморфные.

Вычислительное моделирование и машинное обучение

Фазово-полевое моделирование и моделирование конечных элементов используются для прогнозирования размера зерна, недостаточного охлаждения и остаточных напряжений во время РС. Модели машинного обучения, обученные на базах данных экспериментов РС, могут идентифицировать сплавные композиции и параметры обработки, которые максимизируют прочность выхода. Этот подход ускоряет открытие новых высокопрочных РС-сплавов.

Гибридная обработка

Комбинирование RS с термомеханическими обработками (например, угловым прессованием с равным каналом или торсией под высоким давлением) может дополнительно усовершенствовать микроструктуру. Например, порошки RS, консолидированные тяжелой пластической деформацией, могут достигать прочности на выход 1,5-2,0 ГПа в алюминиевых сплавах.

Заключение

Быстрые методы затвердевания коренным образом изменили ландшафт конструкции сплава, позволив микроструктурам, которые недостижимы посредством обычного литья. Прочность выхода металлических сплавов резко увеличивается за счет рафинирования размера зерна, расширения твердой растворимости, формирования аморфных или нанокристаллических фаз и введения метастабильных осадков. Эти улучшения возникают благодаря эффекту Холла-Петча, укреплению твердого раствора, обходу Орована и повышению плотности дислокации. Реальные применения в аэрокосмическом, автомобильном, медицинском и энергетическом секторах уже получают выгоду от этих более прочных, более легких материалов. Поскольку такие методы, как аддитивное производство, вычислительное моделирование и разработка высокоэнтропийного сплава, созревают, роль быстрого затвердевания в достижении беспрецедентных прочностей выхода будет только расти. Для инженеров и исследователей материалов понимание и контроль пути затвердевания является ключом к разблокированию следующего поколения высокоэффективных структурных сплавов.