Сплавы на основе дисперсионного - никеля - разрабатываются с определенным содержанием в их составе элементов, образующих осаждение - (таких как Al, Ti, Nb). Процесс старения делится на две основные стадии:
Первая обработка раствором: Сплав нагревают до высокой температуры (обычно 980–1150 градусов) и выдерживают в течение определенного периода времени. Это позволяет элементам, образующим осадки -, равномерно растворяться в ГЦК-решетке на основе никеля -, образуя пересыщенный твердый раствор. Затем проводят быстрое охлаждение (закалку водой или воздухом) для подавления выделения вторых фаз при комнатной температуре, поддерживая метастабильное пересыщенное состояние твердого раствора.
Последующее лечение старения: Пересыщенный твердый раствор нагревают до средней температуры (обычно 600–850 градусов) и выдерживают от нескольких до десятков часов. При этой температуре растворимость элементов, образующих осадки - в никеле, резко снижается. Пересыщенные атомы (Al, Ti, Nb) будут диффундировать и агрегироваться в матрице, а также вступать в реакцию с атомами никеля, образуяупорядоченные фазы интерметаллических соединений(наиболее распространенными являются '' фаза Ni₃(Al,Ti) и '' фаза Ni₃Nb). Эти фазы когерентны или полу- когерентны с границей раздела матрицы, что может препятствовать движению дислокаций и, таким образом, улучшать прочность сплава на растяжение.
Улучшение прочности на растяжение за счет старения в основном достигается за счет следующих трех эффектов блокировки дислокаций -:
Параметры решетки фаз ' и '' немного отличаются от параметров решетки на основе никеля -. Когда эти упрочняющие фазы выделяются в матрице, вокруг фаз формируется локальное поле упругих деформаций. При движении дислокации в матрице ей необходимо преодолеть сопротивление поля деформаций, что увеличивает сопротивление деформации сплава и, следовательно, повышает прочность на разрыв. Чем меньше размер частиц упрочняющей фазы, тем более равномерным является распределение и тем сильнее влияние поля деформаций.
Когда размер частиц упрочняющей фазы достигает определенного уровня (обычно 10–50 нм), дислокации не могут прорезать частицы, а могут лишь обходить их, оставляя вокруг частиц дислокационные петли. Для образования этих петель требуется дополнительная энергия, что увеличивает трудность движения дислокаций и еще больше повышает прочность сплава. Для высокотемпературных сплавов на основе никеля - - этот механизм играет доминирующую роль на среднетемпературной стадии - старения.
Во время старения следовые количества карбидных элементов (таких как C) в сплаве также будут выделяться вдоль границ зерен с образованием мелких частиц карбидов (таких как TiC, NbC). Эти частицы могут закреплять границы зерен, предотвращать скольжение границ зерен в процессе растяжения и избегать межзеренного разрушения. В то же время микроэлементы, такие как B и Zr, добавленные в сплав, будут сегрегировать по границам зерен, улучшая прочность связи границ зерен и косвенно способствуя повышению прочности на разрыв.
Влияние обработки старением на прочность не является простой линейной зависимостью, а тесно связано с температурой и временем выдержки:
Температура старения: Если температура слишком низкая, скорость диффузии атомов низкая, а выделение упрочняющих фаз недостаточно, что приводит к низкой прочности; при слишком высокой температуре частицы упрочняющей фазы будут быстро расти (укрупняться), потеряется связность интерфейса с матрицей, ослабится влияние поля деформаций, и прочность существенно снизится.
Время выдержки: С увеличением времени выдержки количество выделений упрочняющих фаз сначала увеличивается, а затем имеет тенденцию к насыщению. Чрезмерно длительное время выдержки приведет к укрупнению частиц и снижению эффекта упрочнения.
Если взять в качестве примера сплав Inconel 718, оптимальная система старения обычнодвойная - стадия старения: нагрев до 720 градусов в течение 8 часов, охлаждение до 620 градусов со скоростью 55 градусов в час и выдержка 8 часов. После такой обработки в матрице выделяется большое количество мелких '' фаз, а ее предел прочности может достигать более 1300 МПа, что в 2–3 раза выше, чем у закаленного состояния -.
Следует отметить, что усиление старения эффективно только длядисперсионное - упрочнение сплавов на основе никеля -содержащие элементы, образующие осадки -. Для сплавов на основе никеля -, упрочняемых на раствор - (таких как Hastelloy C276, Alloy 600) без Al, Ti и Nb, обработка старением не может вызвать фазы упрочнения, поэтому она не может улучшить их прочность на разрыв. Кроме того, процесс старения немного снижает пластичность сплава, одновременно улучшая прочность, поэтому систему старения необходимо оптимизировать в соответствии с фактическими требованиями применения, чтобы сбалансировать прочность и пластичность.
