Остання редакція: 2026-06-10
Тези доповіді
Високоентропійні сплави (ВЕС) – це новий клас багатокомпонентних систем, у яких п’ять і більше елементів змішані у приблизно рівних концентраціях. Особливістю їх синтезу є необхідність отримання рівномірного хімічного складу та запобігання утворенню неметалевих вкраплень, крихких фаз і втрат летких елементів, таких як Al і Ti. Вибір технології плавлення має суттєвий вплив на структуру, фазовий склад і властивості кінцевого матеріалу.
Основні способи синтезу ВЕС можна умовно розділити на рідкофазні та порошкові.
Для одержання високоякісних виливків з високоентропійних сплавів необхідне значне перегрівання над температурою ліквідус (250-300 °C) та інтенсивне перемішування. Найбільш розповсюджений спосіб одержання ВЕС – це дуговий переплав в інертному середовищі, який забезпечує високу температуру і швидке нагрівання шихти. Але погане перемішування розплаву та значне випаровування легкоплавких металів не дають можливості отримувати заданий хімічний склад сплаву з необхідною точністю. Як правило, при отриманні високоентропійних сплавів за методом дугового плавлення проводять не менше п’яти переплавів, після кожної плавки зливок перевертається для кращого перемішування.
Для системи Ni–Fe–Cr–Co–Ti–Al, яка містять легкоплавкі та хімічно активні елементи, оптимальним компромісом між якістю та економічністю є вакуумна індукційна плавка. Вакуумна індукційна плавка дає змогу отримувати більші за масою зливки (до кількох кілограмів) з хорошою хімічною однорідністю. Недоліком є контакт розплаву з тиглем, що може призводити до забруднення сплаву продуктами взаємодії, а також потреба у контролі ефективного перемішування.
Плавка ВЕС в індукційних печах також має ряд труднощів:
1. До складу ВЕС входять карбідоутворювальні елементи, тому плавити їх у графітових тиглях неможливо.
2. Плавлення у набивній футерівці також утруднено через велику кількість компонентів та невеликий розмір шихтових матеріалів.
3. Використання високочастотних індукційних печей з непрямим нагріванням шихти також малоефективне через погане перемішування розплаву.
Тому було розроблено обладнання для вакуумної індукційної плавки з динамічним електромагнітним перемішуванням. Принцип ґрунтується на дії індукованих струмів Фуко та електромагнітного тиску, які створюють конвективні потоки у розплаві. Керуючи частотою поля, можна регулювати глибину проникнення струму і характер циркуляції металу. Для виплавлення високоентропійних сплавів було розроблено та виготовлено спеціальну індукційну вакуумну піч. Піч виготовлена на базі вакуумної камери в якій є можливість вводити компоненти в розплав по ходу плавки та розливати розплав в форму без розгерметизації печі. Для цього було розроблено та виготовлено високочастотний генератор, який дає змогу змінювати частоту у діапазоні 23–35 кГц та здійснювати імпульсний нагрів. Основні технічні характеристики високочастотного генератора представлені в табл. 1.
Такі режими забезпечують:
– чергування глибокого та поверхневого перемішування;
– гомогенізацію складу без тривалого перегрівання;
– зменшення втрат Al і Ti за рахунок введення в кінці плавки;
– зниження ймовірності утворення крихких σ- та Laves-фаз за рахунок можливості виливу розплаву в металеву форму без розгерметизації печі.
Переваги підходу створеного обладнання:
1. Можливість вводити компоненти в розплав по ходу плавки.
2. Можливість розливати розплав у форму без розгерметизації печі.
3. Забезпечення хімічної однорідності при мінімальних втратах Al і Ti.
4. Менше дендритної сегрегації та зниження кількості крихких фаз.
5. Керовані умови нагріву та охолодження, що підвищують відтворюваність структури.
6. Можливість отримання заготовок масою до 0,5 кг, придатних для подальшого дослідження, термомеханічного оброблення або подрібнення на порошки.
Створена установка з імпульсним високочастотним генератором забезпечує ефективне перемішування розплаву, стабільну температуру та високу однорідність зливків ВЕС. Що робить її оптимальним технологічним рішення для лабораторного синтезу високоентропійних сплавів системи типу Ni–Fe–Cr–Co–Ti–Al. Загальний вигляд розробленої та виготовленої вакуумної індукційної установки приведено на рис. 1.
Рисунок 1. Фотографія розробленої та виготовленої вакуумної індукційної печі для виплавки виливків із високоентропійних сплавів
Плавлення проводиться в алундовому тиглі, який розміщено в графітовому стакані. Товщина стінки графітового стакана підібрана таким чином, щоб не відбувалось повного екранування шихти від електромагнітних хвиль. Тому розплав в процесі плавки активно перемішується. Сам графітовий стакан з алундовим тиглем розміщаються в алундовій трубі, навколо якої щільно набита цирконова вата для кращої тепло- та електроізоляції від індуктора. Температуру розплаву вимірюють вольфрам-ренієвою термопарою ВР 20/5. Тиск у робочій камері печі вимірюється за допомогою вакуумметра. Таким чином, виготовлена установка забезпечує плавку, інтенсивне перемішування розплаву та нагрівання до температури вище 1800 °С, що необхідно для успішного одержання високоентропійних сплавів. Плавки проводяться в середовищі очищеного аргону, а в якості вихідних матеріалів використовувались: сплав ковар (Fe – 51,7 %; Ni – 29,8 %; Co – 17,26 %); сплав ВТ6 (Ti – 88,2 %; Al – 6,46 %; V – 4,63 %); високочисті метали: нікель, алюміній, хром та кобальт. Після розплавлення та розчинення всіх компонентів сплав перегрівається вище температури ліквідус на 250-300 °C і витримується у рідкому стані не менше 10 хвилин, перемішування розплаву відбувається в імпульсному режимі. Температура плавлення ВЕС розраховується теоретично за рівнянням:
, (1)
де Тm – середня температура плавлення ВЕС;
(Тn)i – температура плавлення i-го компонента.
Плавки проводили у плавильному блоці, який спроектовано та представлено на рис. 2. Він складається із індуктора з водяним охолодженням діаметром 85 мм, графітового тигля діаметром 60 мм, керамічного тигля діаметром 46 мм. Зазор між зовнішнім стаканом та графітовим тиглем заповнений теплоізоляцією. Максимальна маса сплаву 500 г, тривалість плавлення не більше 1 години.
Рисунок 2. Схема плавильного блока
Таблиця 1. Основні технічні характеристики високочастотного генератора