I. In-Natura Fiżika ta' Inklużjonijiet Metalliċi u l-Evoluzzjoni tas-Sistemi ta' Klassifikazzjoni
L-inklużjonijiet metalliċi fl-azzar, bħala "markaturi mikroskopiċi" tal-proċess metallurġiku, mhux biss jirriflettu l-istorja sħiħa tal-proċess tat-tidwib iżda jsiru wkoll "qattiela inviżibbli" li jirrestrinġu l-applikazzjoni ta '-azzar high-end. Fl-iżvilupp ta' kważi seklu-tal-metallurġija, il-fehim tal-inklużjonijiet għadda minn bidla konjittiva minn "ta' ħsara u għandha titneħħa" għal "kontrollabbli u ottimizzabbli għall-użu." Ir-riċerka fit-teknoloġija moderna tal-azzar nadif turi li l-eliminazzjoni kompletament tal-inklużjonijiet la hija ekonomika u lanqas prattika; l-għan xjentifiku huwa li jiġu kkontrollati f'meded ta' daqs sikur u morfoloġija favorevoli.
Skont is-sistema ta' klassifikazzjoni moderna bbażata fuq mekkaniżmi ta' formazzjoni, l-inklużjonijiet metalliċi żviluppaw f'sistema ta' erba'-dimensjonali li tinkludi "reazzjoni tal-interface-esoġena-endoġena-preċipitazzjoni sekondarja." Frammenti metalliċi eżoġeni, bħala l-aktar difetti makroskopiċi tipiċi, għandhom proċess ta 'formazzjoni mimli b'varjabbli tal-proċess. Meta l-addittivi ta' liga ta'-tidwib-għoli (bħal ferrotungstenu, ferromolibdenu) jiġu miżjuda ma' azzar imdewweb, tifforma film imdewweb ewtektiku ta' Fe-W jew Fe-Mo fuq il-wiċċ tal-blokka. Il-ħxuna ta 'dan il-film tiddetermina r-rata tat-tidwib. Studji juru li meta d-daqs tal-blokka tal-liga jaqbeż dimensjoni kritika (Dc=30mm), ir-rata tat-trasferiment tas-sħana tal-film imdewweb tal-wiċċ hija inqas mir-rata ta 'konduzzjoni termali interna, u toħloq fenomenu ta' "qalba kiesħa" bi gradjent ta 'temperatura li jaqbeż il-200 grad / ċm. Din il-qalba mhux imdewba żżomm l-istruttura tal-kristall oriġinali tagħha matul is-solidifikazzjoni sussegwenti, b'diskrepanza kostanti tal-kannizzata ta '7-12% meta mqabbla mal-matriċi, li tifforma sors naturali ta' konċentrazzjoni tal-istress.
L-inklużjonijiet tal-proċess tal-iwweldjar huma rikorrenza fuq skala mikroskopika tal-proċess metallurġiku. Fil-proċess tal-iwweldjar TIG, meta d-densità tal-kurrent tal-iwweldjar taqa 'taħt valur kritiku (120A li jikkorrispondi għal densità tal-kurrent ta' 85 A/mm²), il-qtar imdewweb iffurmat fil-ponta tal-elettrodu tat-tungstenu hija ristretta mill-bilanċ bejn it-tensjoni tal-wiċċ u l-gravità. Simulazzjonijiet ta 'dinamika tal-fluwidu komputazzjonali juru li qtar iżgħar minn 1.5mm fid-dijametru juru trajettorji oscillatorji instabbli fil-qasam tal-fluss tal-gass tal-protezzjoni tal-argon. Xi qtar jiddevjaw mid-direzzjoni tal-fluss prinċipali fis-saff tal-konfini tal-pool tal-weldjatura u jinqabdu mill-metall tal-weldjatura li jissolidifika malajr. Dawn il-partiċelli tat-tungstenu maqbudin għandhom mikro-karatteristiċi uniċi: saff ta 'ossidu tal-wiċċ ta' madwar 50-200nm ħxuna u l-preżenza ta 'fażi metastabbli -W ġewwa minħabba tkessiħ rapidu, b'ebusija sa 1.3 darbiet dik tal-fażi -W konvenzjonali.
Strutturi fonduti-speċifiċi, bħala prodotti tal-proċess ta' solidifikazzjoni, għandhom mekkaniżmi ta' formazzjoni aktar kumplessi. Il-formazzjoni ta '"għeluq kiesaħ" tinvolvi l-akkoppjar ta' kinetika ta 'ossidazzjoni u dinamika tal-fluwidu. Waqt it-tferrigħ, il-film tal-ossidu ffurmat fuq il-wiċċ tal-azzar (prinċipalment FeO) jinqasam u jinqabad minħabba fluss turbulenti. Dejta sperimentali turi li meta l-veloċità tat-tferrigħ taqbeż 0.8 m/s, il-probabbiltà tal-frammentazzjoni tal-film tal-ossidu tiżdied tliet darbiet. Dawn il-frammenti ta' ossidu jgħaddu minn proċessi kumplessi ta' tnaqqis-dissoluzzjoni fi ħdan l-azzar imdewweb. Il-partijiet imnaqqsa b'mod mhux komplut jiffurmaw qlub għonja ta' ossiġnu-, imdawra b'żoni tal-gradjent tal-kompożizzjoni, fejn il-gradjent tal-varjazzjoni tal-kontenut tal-karbonju mill-qalba 'l barra jista' jilħaq 0.5% għal kull 100µm.
II. L-Evoluzzjoni Moderna tat-Teknoloġija ta 'Sejbien ta' Inklużjoni
Il-limitazzjonijiet tal-ittestjar metallografiku tradizzjonali qed isiru dejjem aktar evidenti fil-qasam tal-materjali avvanzati. It-teknoloġija moderna ta' skoperta qed tiżviluppa lejn direzzjonijiet "multi-skala, multi-modali, u dinamiċi fil--situ". Skopta kbira fit-teknoloġija tal-ittestjar ultrasoniku hija l-applikazzjoni tat-teknoloġija tal-array f'fażijiet. Permezz ta' arrays ta' sondi b'64-128 element, ir-riżoluzzjoni ta' skoperta tista' taqbeż minn livell millimetru għal sub-millimetru. L-aħħar riċerka tindika li l-kombinazzjoni ta’ sondi ffukati ma’ teknoloġija ta’ apertura sintetika ttejjeb ir-rata ta’ skoperta għal inklużjonijiet ta’ livell ta’ 100µm-mill-30% tradizzjonali għal 85%, filwaqt li tippermetti lokalizzazzjoni spazjali tridimensjonali.
It-teknoloġija tal-analiżi tal-mikroskopija elettronika għaddiet minn bidliet rivoluzzjonarji. Il-mikroskopija elettronika tal-iskannjar tal-emissjoni tal-kamp flimkien mal-immappjar tal-ispettroskopija dispersiva tal-enerġija (EDS) tista 'tlesti analiżi tad-distribuzzjoni elementali fuq diversi millimetri kwadri fi ftit minuti. It-teknika aktar avvanzata tad-diffrazzjoni tal-elettron backscatter (EBSD) tista 'tiżvela r-relazzjoni ta' orjentazzjoni kristallografika bejn l-inklużjonijiet u l-matriċi, li hija kruċjali għall-fehim tal-mogħdijiet tal-propagazzjoni tal-qsim. L-esperimenti sabu li meta relazzjonijiet speċifiċi ta 'orjentazzjoni (bħal kubu-orjentazzjoni tal-kubu) jeżistu fl-interface tal-matriċi ta' inklużjoni-, l-enerġija interfacial tonqos b'35%, u d-diffikultà tal-bidu tal-qsim tiżdied kif xieraq.
Żviluppi fit-teknoloġija tal-karatterizzazzjoni fuq skala-atomika jipprovdu perspettivi ġodda għall-fehim tan-natura tal-inklużjonijiet. Tomografija tas-sonda atomika (APT) tista' tibni mill-ġdid id-distribuzzjoni elementali tridimensjonali b'riżoluzzjoni atomika. Analiżi APT riċenti tal-interface bejn l-inklużjonijiet tat-TiN u l-matriċi żvelat żona ta 'transizzjoni ta' 2-3nm ħoxna fl-interface. F'din iż-żona, il-konċentrazzjonijiet Ti u N juru bidliet fil-gradjent, akkumpanjati minn segregazzjoni ta 'elementi bħal C u Si. Din il-mikrostruttura tispjega għaliex ċerti interfaces juru reżistenza eċċezzjonali għall-propagazzjoni tal-qsim.
L-iżvilupp tat-teknoloġija tal-monitoraġġ onlajn qed ibiddel il-mod tradizzjonali ta' spezzjoni post-facto. Sistema ta 'spezzjoni tal-wiċċ tal-billetta tal-ikkastjar kontinwu bbażata fuq spettroskopija ta' tqassim tal-laser-indotta (LIBS) tista 'tanalizza l-kompożizzjoni tal-wiċċ f'-ħin reali b'veloċità ta' 100 punt kull sekonda. Sistema ta' spezzjoni tal-wiċċ CCD tal-linja-scan installata waqt ir-rolling bis-sħana tuża algoritmi ta' tagħlim tal-magni biex tidentifika anomaliji tal-wiċċ ikkawżati minn inklużjonijiet, b'rata ta 'preċiżjoni ta' identifikazzjoni li taqbeż il-95%. Din id-data ta'-ħin reali tipprovdi tieqa ta' ħin prezzjuża għall-aġġustamenti tal-proċess, li tippermetti bidla minn "skoperta passiva" għal "kontroll attiv."
III. Prinċipji fiżikokimiċi tal-Kontroll tal-Inklużjoni
Il-qalba tal-kontroll tal-inklużjoni tinsab fil-fehim tal-imġieba tagħhom fl-azzar imdewweb. Filwaqt li l-liġi ta 'Stokes tiddeskrivi l-imġieba f'wiċċ l-ilma ta' partiċelli sferiċi ideali, l-imġiba ta 'inklużjonijiet fl-azzar imdewweb attwali hija ħafna aktar kumplessa. L-ewwelnett, il-koeffiċjent tat-tkaxkir għal partiċelli mhux-sferiċi huwa 1.5-3 darbiet dak ta 'dawk sferiċi, li jirriżulta f'veloċità korrispondenti aktar baxxa f'wiċċ l-ilma. It-tieni nett, gradjenti ta 'veloċità kkawżati minn konvezzjoni ta' l-azzar imdewweb jiġġeneraw l-effett Magnus, li jikkawżaw spostament laterali ta 'partiċelli li jduru. Simulazzjonijiet ta 'dinamika tal-fluwidu komputazzjonali juru li f'tundish, it-trajettorja attwali ta' inklużjoni ta 'Al₂O₃ b'dijametru ta' 50µm hija 40-60% itwal mill-mogħdija ideali.
Il-bażi fiżika tat-teknoloġija tal-purifikazzjoni elettromanjetika tinsab fid-differenza fil-konduttività elettrika bejn l-inklużjonijiet u l-azzar imdewweb. Meta kamp manjetiku alternanti (frekwenza 50-1000 Hz) jiġi applikat għal azzar imdewweb, kurrenti indotti huma ġġenerati b'mod differenti fl-azzar u l-inklużjonijiet. Kalkoli teoretiċi juru li għal inklużjonijiet ta 'ossidu b'konduttività inqas minn 1% ta' azzar imdewweb, il-forza elettromanjetika differenzjali tista 'tkun 10-100 darba l-forza gravitazzjonali. Mitħna tal-azzar li tapplika kamp manjetiku li jdur bi frekwenza ta '200 Hz u densità ta' fluss manjetiku ta '0.1 T tejbet ir-rata ta' tneħħija ta 'inklużjonijiet ta' 20-50µm b'40%. Sabet ukoll effett ta 'frammentazzjoni sinifikanti fuq l-Al₂O₃ raggruppat, li naqqas id-daqs medju tal-cluster minn 150µm għal 80µm.
L-ottimizzazzjoni tal-proċessi tad-deossidazzjoni tinvolvi bilanċ bejn it-termodinamika u l-kinetika. Al₂O₃ iġġenerat mid-deossidazzjoni tradizzjonali tal-aluminju huwa solidu u suxxettibbli li jifforma gruppi. It-trattament bil-kalċju jista' jittrasforma Al₂O₃ f'punt ta' tidwib-baxx- (<1500°C) calcium aluminates. Experimental data indicates that when the Ca/Al mass ratio reaches 0.12-0.15, the proportion of liquid inclusions exceeds 80%. The more advanced magnesium-calcium composite treatment technology, by forming MgO·Al₂O₃ spinel phase, reduces its contact angle in molten steel by 15° compared to Al₂O₃, making it easier to coalesce and float.
Il-kontroll tar-riossidazzjoni hija l-isfida ewlenija tat-teknoloġija moderna tal-azzar nadif. Kuntatt bejn l-azzar imdewweb u l-arja għal 0.1 sekondi biss jista 'jżid il-kontenut ta' ossiġnu b'5-10 ppm. L-użu ta 'sistema ta' siġillar b'żennuna twila u żennuna tad-dħul mgħaddsa, flimkien ma 'purtiera tal-gass Ar, tista' tillimita r-riossidazzjoni sa 1 ppm. Żviluppi reċenti fit-teknoloġija tal-kontroll intelliġenti jinvolvu monitoraġġ f'ħin reali tal-attività u t-temperatura tal-ossiġnu tal-azzar imdewweb biex jaġġustaw dinamikament il-fluss tal-gass protettiv. Dan naqqas il-konsum ta 'argon għal kull tunnellata ta' azzar bi 30% filwaqt li naqqas il-prodotti ta 'riossidazzjoni b'50%.
