Склонность жаропрочного сплава к усадочной пористости – по свойствам остаточной жидкости

Усадочная пористость – один из самых упрямых дефектов жаропрочных отливок. Она возникает в самом конце кристаллизации, когда большая часть металла уже твёрдая, а остаточная жидкость заперта между дендритами. Металл при затвердевании уменьшается в объёме, и эту усадку должна восполнять подпитка – жидкость, которая течёт к месту затвердевания через узкие каналы между ветвями дендритов. Где подпитка не успевает, остаётся пора.

Обычно склонность сплава к пористости оценивают по опыту или по интервалу кристаллизации: чем он шире, тем длиннее и запутаннее путь подпитки. Авторы из Пекинского университета науки и технологий попробовали свести её к нескольким измеримым свойствам самой остаточной жидкости – и получить метод, который ранжирует сплавы ещё до заливки.

Как устроена подпитка

Этот раздел – наше пояснение, чтобы было понятно, почему авторы выбрали именно эти параметры; в аннотации его нет.

В конце кристаллизации двухфазная зона похожа на губку: каркас из дендритов и жидкость в его порах. Течение жидкости через такую пористую среду описывает закон Дарси: скорость течения пропорциональна перепаду давления и проницаемости среды и обратно пропорциональна вязкости жидкости. Проницаемость задаётся геометрией каркаса – расстоянием между осями дендритов и долей жидкости. Чем меньше осталось жидкости и чем мельче дендриты, тем уже каналы.

Сколько жидкости нужно подать, задаёт разница плотностей твёрдой и жидкой фаз: чем она больше, тем сильнее металл «садится» при затвердевании. Насколько легко жидкость пройдёт, задают вязкость и проницаемость. Если требуемый поток больше, чем каналы способны пропустить при доступном перепаде давления, давление в жидкости падает и появляется пора. Отсюда и интерес к свойствам именно остаточной, последней жидкости: её состав из-за ликвации сильно отличается от исходного сплава, а с ним меняются и плотность, и вязкость.

Что изучали

Пять сплавов разного состава – от хорошо известного GH4169 до высоколегированных GH4975 и GH4065. Склонность к пористости определяли заливкой проб. Структуру и ликвацию на заключительной стадии кристаллизации смотрели тремя способами: изотермической закалкой в ходе кристаллизации (чтобы «заморозить» жидкость в нужный момент и измерить её состав), направленной кристаллизацией и дифференциальной сканирующей калориметрией.

По измеренным составам твёрдой и жидкой фаз в конце кристаллизации авторы термодинамическим расчётом нашли характеристики остаточной жидкости. Затем вместе с расстоянием между осями дендритов и интервалом затруднённого питания количественно оценили, как всё это вместе влияет на пористость.

Что получили

Ведущих факторов два – разница плотностей твёрдой и жидкой фаз и вязкость остаточного расплава. На их основе по закону Дарси построен метод, который ранжирует сплавы по склонности к пористости. По словам авторов, предсказанная склонность для разных сплавов хорошо согласуется с результатами опытов, и метод даёт основу для разработки составов многокомпонентных сплавов и для оптимизации процесса.

Численных значений мы не приводим: статья по подписке, разбор сделан по аннотации, и цифры нужно смотреть в полном тексте.

Где границы

Пять сплавов – немного для общего критерия. Речь в работе о слитках деформируемых сплавов, а условия питания слитка и тонкостенной лопатки со стержнем различаются сильно: у лопатки свои тепловые узлы, прибыли и путь подпитки, а направленная кристаллизация сама по себе меняет и PDAS, и проницаемость. Поэтому перенос метода на литейные сплавы для лопаток – гипотеза, хотя физика у него общая.