Направление, полнота и интенсивность протекания структурных превращений в металлических сплавах определяется степенью неравновесности их структуры. Дополнительные возможности в управлении процессами структурообразования сплавов можно создать, если на каждой стадии технологического процесса направленно создавать структурное состояние с заданной степенью неравновесности. Вместе с тем, в существующих технологических процессах режимы обработки на каждой стадии, как правило, назначаются исходя из желаемого результата данной стадии и удобств ее проведения. Влияние формирующейся степени неравновесности на процессы структурообразования на последующих стадиях практически не учитывается.
Движущей силой процесса формирования нового структурно-фазового состояния сплава является уменьшение свободной энергии системы при образовании и увеличении в размерах области, занятой новой структурой или фазой. Увеличивать скорость и полноту фазового или структурного превращения можно увеличивая величину выигрыша в энергии или снижая значение энергетического барьера. Формирование исходной структуры сплава с повышенным уровнем свободной энергии будет способствовать протеканию фазовых и структурных превращений за счет большего выигрыша в величине уменьшения свободной энергии вследствие появления области новой структуры или фазы.
Следует также учитывать, что повышенная степень неравновесности, вызванная, например, увеличением концентрации вакансий, плотности дислокаций, измельчением зерна способствует ускоренному протеканию диффузионных процессов, что интенсифицирует структурно-фазовые превращения.
В этой связи, представляется целесообразным подход к разработке технологических процессов получения изделий из цветных сплавов, основанный на регулировании степени неравновесности структуры, формируемой на каждой стадии процесса, в том числе и на стадиях преддеформационной и деформационной обработках. В этом случае появляется возможность управлять процессами формирования структуры и свойств путем создания промежуточных состояний с заданным уровнем свободной энергии, обеспечивающих активизацию необходимых структурных изменений на последующих стадиях.
Для технологических процессов получения деформированных изделий из алюминиевых сплавов следует на промежуточных стадиях процесса формировать состояния с повышенным запасом свободной энергии, в частности, за счет реализации ускоренных охлаждений с температур завершения кристаллизации слитков или деформирования полуфабрикатов, температур непродолжительного гомогенизационного нагрева, применения циклических температурных воздействий и т.д.
Предлагаемое совершенствование методов обработки алюминиевых сплавов основано на принципе движения к конечному структурно-фазовому состоянию сплава через промежуточные состояния с максимально возможной степенью неравновесности, создаваемой за счет рационального назначения технологических факторов управления формированием структуры и свойств. Допустимый уровень избытка запаса свободной энергии определяется, во-первых, недопустимостью появления дефектности изделия; во-вторых, избыток энергии не должен приводить к развитию недопустимых структурных изменений в сплаве, приводящим к ухудшению его свойств или технологичности. Второе требование часто может быть удовлетворено изменением традиционных режимов обработки.
Реализация описанного подхода для деформируемых алюминиевых сплавов позволила:
- разработать технологию ускоренной термической обработки слитков, обеспечивающую достаточную деформируемость сплава: при сравнении с традиционной длительной гомогенизацией реализуются те же усилия прессования и повышенные скорости прессования, а длительность обработки сокращается до 1-2 часов; достигается повышение прочностных, пластических и усталостных свойств пресс-изделий;
- разработать технологию получения прессованных и штампованных заготовок, использующую ускоренное последеформационное охлаждение с температур окончания деформации в схемах предварительной термомеханической обработки; достигается повышение прочностных и усталостных свойств при сохранении пластичности, ударной вязкости, вязкости разрушения и сопротивления коррозии.
Изучены закономерности формирования структуры и свойств алюминиевых и титановых сплавов при использовании электронно-лучевого и лазерного термоупрочнения. Данные виды обработки, используя быстрые нагревы и охлаждения, формируют неравновесные структурные состояния сплавов, существенно изменяя закономерности протекания последующих структурно-фазовых превращений. Установлено, что при быстрой кристаллизации поверхностного слоя деформированных алюминиевых образцов (сплав Д16) при электронно-лучевой обработке формируется структура с сильно измельченным зерном и повышенной микротвердостью ( после естественного старения). За счет этого можно достичь существенного улучшения усталостной долговечности изделий ( число циклов до разрушения увеличивается до двух раз), если специальными приемами исключить образование поверхностных трещин.
Определены возможности лазерного поверхностного легирования титана и деформируемых сплавов на его основе из однослойных и двухслойных металлических покрытий. Разработаны рекомендации по улучшению физико-механических характеристик поверхностных слоев полуфабрикатов. Получены результаты по закономерностям формирования поверхностных слоев с заданными свойствами, составом и структурой, обладающих прочной связью с основой изделия. Установлены наиболее эффективные легирующие элементы покрытий, позволяющие увеличить износостойкость изделий в 4-6 раз. При этом оценена роль степени неравновесности структурных параметров в титановых сплавах на эффективность поверхностного легирования и термоупрочнения с использованием лазерного нагрева.
Таким образом, на основе комплексных исследований алюминиевых и титановых сплавов установлена ведущая роль степени неравновесности структурных параметров в формировании направления, полноты и интенсивности протекания процессов структурно-фазовых превращений.