1.11.6. Микроструктура распыленных частиц технических сплавов

Автор с сотрудниками исследовали микроструктуру распыленных частиц быстрорежущей стали в широком диапазоне скоростей охлаждения.

На рис. 1.28 представлены типичные образцы микроструктур.

Рис. 1.28. Микроструктура порошка быстрорежущей стали, х250:

а – дендритная; б – равноосная

Выявляются две формы структурных образований  дендритная и равноосная. На некоторых исследованных образцах можно наблюдать смешанную структуру из дендритов и равноосных зерен. Дендритные формы преобладают у порошковых частиц, затвердевавших со скоростями охлаждения 510³  110⁴ К/с. Повышение скорости охлаждения до 10⁵ К/с и выше приводит к образованию равноосной микроструктуры.

Рис. 1.29. Дефекты порошковых частиц, х 250: а – газовые раковины; б ‑ крупный дендрит; в – сателлиты	Рис. 1.30. Микроструктура алюминиевого сплава Д16: а – гранула, х 12000; б – слиток, х 100

Существенное влияние на формирование и микроструктуру распыленных газом частиц оказывает турбулентность газового потока в зоне распыления, где одновременно сосуществуют мелкие уже затвердевшие частицы и более крупные капли расплава. Мелкие твердые частицы двигаются в потоке газа с повышенной скоростью и часто сталкиваются с еще не затвердевшими каплями расплава, что приводит к появлению дефектных частиц (рис. 1.29). В структуре крупных частиц образуются газовые поры, внутри которых расположены очень мелкие сферические частицы, внедрившиеся в жидкую каплю (рис. 1.29а). В некоторых случаях, внедрившаяся в каплю мелкая частица становится центром зарождения крупного дендрита (рис. 1.29б). Определенная часть мелких частиц приваривается к крупным частицам, в форме «сателлитов» (рис. 1.29в). Описанные дефекты порождают различные виды микронеоднородности структуры, которые могут негативно влиять на свойства порошковых изделий.

В литературе имеются сведения о микроструктуре алюминиевых гранул, скорость охлаждения которых была в диапазоне 10³-10⁵ К/с. Микроструктура матрицы (твердый раствор) всегда имеет дендритную форму. Если первичными при затвердевании гранул являются дендриты   фазы, то частицы вторых фаз, образующихся в объемах, ограниченных ветвями дендритов, особенно дисперсны. Размер частиц вторых фаз, для случая эвтектической кристаллизации, составляет сотые или десятые доли микрометра. На рис. 1.30 показана микроструктура алюминиевого сплава Д16. Сопоставляется микроструктура гранулы при увеличении х 12000 (электронный микроскоп) и обычная микроструктура слитка при увеличении х 100. Очевидно, что в распыленных порошках размер частиц второй фазы примерно в 100 раз меньше, чем в слитках. К настоящему времени накоплено много экспериментальных данных о связи дендритного параметра (или диаметра равноосного зерна) со скоростью охлаждения расплава. Эта зависимость имеет вид:

d_п = K/ V^m , (1.58)

где d_п – дендритный параметр (размер зерна); V – скорость охлаждения; К и m – постоянные для данного сплава и способа распыления. По данным разных исследователей показатель степени m изменяется от 0,3 до 0,5. По нашим экспериментальным данным размер дендритного параметра в распыленных газом порошках быстрорежущей стали составляет 2 – 3 мкм при размере порошковых частиц 70 – 100 мкм.

Отметим в итоге, что одним из основных эффектов быстрого затвердевания является получение высокодисперсной литой структуры металлических сплавов. Типичный размер зерна у подобных структур d  5 мкм при субмикронных размерах частиц вторых фаз.