3.3 Зерномежове (ЗМ) зміцнення

Зерномежове зміцнення пов'язано с тим, що при ковзанні дис­локації від одного зерна до іншого змінюється кристалографічний на­прямок, окрім того, відбувається взаємодія з дислокаціями що розта­шовані на межах зерна.

Накопичення дислокацій в примежових ділянка, у випадку, коли дислокація не здатна подолати межу, призводить до підвищення на­пружень, що створюють можливості до появи у сусідньому зерні дже­рела нових дислокацій.

В дрібнозернистому металі зерномежове зміцнення більше ніж в крупнозернистому. Кількість меж зерен, як перешкод для переміщення дислокацій в дрібнозернистому матеріалі вище. Межі зерен є ефектив­ними бар'єрами що гальмують пересування дислокацій, у випадку дрібнозернистого матеріалу кількість перешкод у вигляді меж є біль­шою, отже, для руху дислокацій потрібні вищі напруження. В загаль­ному випадку є справедливим рівняння:

—1

ат =ао + кй 2

де аТ — границя плинності;

к - коефіцієнт, постійний для даного матеріалу, при визначе­ній температурі та швидкості деформації; —   < к <+1 - зро­стає зі збільшенням сегрегації атомів втілення; й - розмір зерна;

а0 - напруження тертя кристалічної гратки. Опір втомі (а) - також залежить від розмірів зерна, збільшуєть­ся у випадку дрібнозернистої структури.

—1

ая = аяо + кяй 2 У випадку дрібнозернистого матеріалу жароміцність зменшуєть­ся через полегшення проходження дифузійних процесів на межах, що супроводжується руйнуванням внаслідок утворення пор, тріщин при надмірному накопиченні дислокації, якщо не відбувається релаксації напружень.

При виготовленні деталей з жароміцних матеріалів існують спе­ціальні технологічні прийоми, що дозволяють поєднати високий опір втомі з достатнім рівнем жароміцності. Наприклад, для підвищення опору втомі робочих лопаток газової турбіни бажано забезпечити отримання дрібнозернистої структури, але збільшення довжини меж в цьому випадку полегшує дифузію на межах і сприяє розвитку міжзе-реної повзучості при експлуатації, жароміцність погіршується. Вирі­шення цього протиріччя можливе за умови формування в зовнішньому шарі деталі дрібнозернистої структури із збереженням крупного зерна всередині.

Якщо в поверхневому шарі створити дрібнозернисту структуру, енергія утворення тріщини зростає, але, через незначну товщину шару з дрібнозернистою структурою, жароміцність майже не змінюється. У випадку виготовлення лопаток великого перерізу така структура може бути отримана поверхневим модифікуванням сплавів. На поверхню ке­рамічної форми наносять дисперсні частинки оксидів, наприклад СоО2. При взаємодії розплавленого металу з формою дисперсні оксиди з поверхні керамічної форми переходять у примежовий шар рідкого металу та виступають зародками кристалізації, внаслідок цього в по­верхневому шарі формується дрібне зерно, товщина шару - кілька мі­ліметрів.

Якщо лопатка в перерізі тонка, для створення необхідної струк­тури проводиться дробоструменева обробка поверхні мікрокульками (діаметр сталевих загартованих кульок - 1-2 мм). Після холодної пла­стичної деформації проводять рекристалізаційне відпалювання. При правильному підборі режиму деформування та відпалювання на пове­рхні створюється зерно на 2-3 порядки дрібніше ніж в середині лопат­ки, товщина зміненого шару в цьому випадку складає 2-3 зерна.

Значною проблемою при експлуатації деталей ГТУ є міжзерене ковзання. Чим легше ковзання, тим нижче опір повзучості. Властивос­ті меж зерен визначаються наявністю на межах домішок і частинок вторинних фаз.

Зміна швидкості дифузії на межах зерен пов' язана із процесом міжзереного руйнування. На процес повзучості можна впливати вве­денням малої кількості домішок: так, при введенні 0,01% В, самоди­фузія нікелю (N1) при 800°С на межах зерен уповільнюється приблиз­но в 5 разів, із збільшенням часу до руйнування в чотири рази. Олово (8п) прискорює самодифузію нікелю при 700°С в 7 разів, ітрій (У) -уповільнює при 800°С в 4 рази. Мікролегування РЗМ дозволяє зміню­вати структурно-енергетичний стан меж зерен та впливати на процеси міжзереного руйнування.