Введение

Дендрит в металлургии - это характерная деревоподобная структура кристаллов, растущих по мере затвердевания расплавленного металла, форма, полученная более быстрым ростом вдоль энергетически благоприятных кристаллографических направлений. Этот дендритный рост имеет большие последствия в отношении свойств материала.

Формирование

Дендриты образуются как в униарных (однокомпонентных), так и в многокомпонентных системах. Требование заключается в том, что жидкость (плавленный материал) должна быть подохлажденной, или сверхохлажденной, ниже точки замерзания твердого вещества. Сначала в недоохлажденном расплаве вырастает сферическое твердое ядро. По мере роста сферы, сферическая морфология становится нестабильной и ее форма становится нарушенной. Твердая форма начинает выражать предпочтительные направления роста кристалла. Это направление роста может быть связано с анизотропией поверхностной энергии твердо-жидкого интерфейса или с легкостью прикрепления атомов к интерфейсу на разных кристаллографических плоскостях или и то, и другое (например, см. кристалл трещины). В металлических системах кинетика прикрепления к интерфейсу обычно незначительна (для не незначительных случаев см. Дендрит (кристалл)). В металлических системах твердое тело затем пытается минимизировать площадь поверхностей с наибольшей поверхностной энергией. Поэтому, когда дендрит растет, его кончик становится все более острым. Если анизотропия достаточно велика, дендрит может иметь фасетированную морфологию. Микроструктурная длина определяется взаимодействием или равновесием между поверхностной энергией и температурным градиентом (который управляет тепло/диффузией растворенного вещества) в жидкости на границе. По мере того, как происходит затвердевание, все большее количество атомов теряют свою кинетическую энергию, что делает процесс экзотермическим. Для чистого материала латентное тепло высвобождается на твердо-жидком интерфейсе, так что температура остается постоянной до полного затвердевания расплава. Скорость роста получаемого кристаллического вещества будет зависеть от того, насколько быстро это скрытое тепло может быть отброшено. Дендрит, растущий в недоохлажденном расплаве, можно рассматривать как параболическую иглу, похожую на кристалл, которая растет с постоянной скоростью, сохраняя форму. Ядрообразование и рост определяют размер зерна при равноугольной затвердевании, в то время как конкуренция между смежными дендритами определяет первичное расстояние в колонном росте. Как правило, если расплав медленно охлаждается, ядра новых кристаллов будут меньше, чем при большом переохлаждении. В результате дендритного роста появляются дендриты больших размеров. И наоборот, быстрый цикл охлаждения с большим недоохлаждением увеличит количество ядер и, таким образом, уменьшит размер полученных дендритов (и часто приводит к небольшим зернам). Меньшие дендриты обычно приводят к более высокой пластичности продукта. Одним из применений, где можно увидеть дендритный рост и полученные в результате свойства материала, является процесс сварки. Дендриты также распространены в литых изделиях, где они могут стать видимыми при гравировке полированного образца. По мере того как дендриты развиваются дальше в жидкий металл, они становятся горячее, потому что они продолжают извлекать тепло. Если они станут слишком горячими, они снова растают. Это переплавление дендритов называется рекалесценцией. Дендриты обычно образуются в условиях неравновесия.

Применение

Применение дендритного роста в направленном затвердевании - лопасти газотурбинных двигателей, которые используются при высоких температурах и должны справляться с высокими напряжениями вдоль основных осей. При высоких температурах границы зерна слабее, чем зерна. Для того, чтобы свести к минимуму воздействие на свойства, границы зерна выравниваются параллельно дендритам. Первым сплавом, использованным в этом приложении, был сплав на основе никеля (MAR M 200) с 12,5% вольфрамом, который накапливался в дендритах во время затвердевания. В результате получены лезвия с высокой прочностью и устойчивостью к ползучести, протяженностью вдоль длины отливки, что дает улучшенные свойства по сравнению с традиционно отливным эквивалентом.