Диффузионный отжиг (гомогенизация). Основные требования к жаропрочным сплавам. Методы исследования процессов старения Аl–Сu–Мg сплавов

1.Диффузионный отжиг (гомогенизация).

Гомогенизация – вид т/о заключающийся в нагреве, выдержке при определенной температуре и последующем охлаждении с целью устранения последствий дендритной ликвации.

В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твердых растворов чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла - внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления.

На примере системы с эвтектическим превращением (рис. 5.3) схематично показано изменение средней концентрации твердого раствора сплава 1 в интервале температур кристаллизации при отклонении от равновесия. Кристаллы твердого раствора содержат меньше легирующего компонента В по сравнению с равновесной концентрацией.

Если температура конца кристаллизации сплава из-за уменьшения содержания компонента В в твердом растворе станет ниже эвтектической, как это показано на рис. 1 для сплава I (t₂ < t_э), то оставшийся к моменту достижения эвтектической температуры жидкий раствор затвердевает по эвтектической реакции, и в структуре сплава появляется эвтектическая составляющая.

Внутрикристаллическая ликвация, особенно в случае появления в структуре эвтектической составляющей, затрудняет последующую обработку давлением, так как снижается пластичность сплавов.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора. При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг применяется для устранения дендритной ликвации в слитках и отливках (особенно из легированных сталей)и слитках многих алюминиевых сплавов.

Рис. 1. Диаграмма состояния компонентов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии и с эвтектическим превращением ( - изменение средней концентрации кристаллов твердого раствора в условиях неравновесной кристаллизации)

В стальных слитках в результате диффузионного отжига достигается более равномерное распределение фосфора, углерода и легирующих элементов в объеме зерен твердого раствора. Если температура отжига достаточно высока, отжиг приводит к более благоприятному распределению сульфидов. Диффузионный отжиг стальных слитков ведут при температуре 1100-1300°С с выдержкой 20-50 ч и последующим медленным охлаждением. При этом образуется крупнозернистая видманштеттовая структура, имеющая характерное игольчатое строение феррита .

Для исправления структуры отливки после диффузионного отжига подвергают полному фазовому отжигу для образования нормальной структуры.

У сталей, склонных к ликвации, диффузионный отжиг улучшает вязкость и пластичность в прокатанной или кованой стали в направлении поперек волокна.

В слитках алюминиевых сплавов ликвация особенно нежелательна. В результате ликвации оси дендритов содержат меньше легирующих элементов, чем межосные пространства и границы зерен, поэтому при охлаждении слитков вторичные кристаллы выделяются главным образом между осями дендритов и по границам зерен, часто в очень неблагоприятной форме (по границам зерен в виде сплошных хрупких оболочек).

Диффузионный отжиг слитков алюминиевых сплавов проводят при температуре 420-520°С с выдержкой 20-30 ч для устранения ликвации.

Гомогенизация — разновидность отжига, которая находит широкое применение для деформируемых алюминиевых сплавов. В технологическом процессе производства деформированных полуфабрикатов (листов, профилей, штамповок и т. д.) гомогенизация является первой термической обработкой. Слиток с неоднородной термодинамически неустойчивой структурой подвергают гомогенизации, в результате которой его структура становится более гомогенной, пластичность повышается, что позволяет значительно интенсифицировать последующую обработку давлением (прессование, прокатка) и уменьшить технологические отходы.

В ряде случаев гомогенизация позволяет также улучшить свойства деформированных изделий.

Рассмотрим сущность гомогенизации и основные принципы выбора режима гомогенизации на примере бинарного сплава Al+4% Сu. В равновесном состоянии, как видно из диаграммы состояния (рис. 13), структура сплава представлена твердым раствором (a) и вторичными выделениями фазы А1₂Сu. В слитке сплава Al+4% Сu в результате неравновесной кристаллизации образовалась неравновесная эвтектика; интерметаллидный ободок по границам дендритных ячеек (рис. 12) состоит из эвтектических (достаточно грубых) включений фазы Al₂Cu. Очевидно, что, если нагреть сплав до t_гом (рис. 13) и выдержать при этой температуре, эвтектические включения А1₂Сu растворятся в твердом растворе, выровняется концентрация меди по объему твердого раствора. Сплав при t_гом будет иметь однофазную гомогенную структуру.