Le leghe a base di nichel - indurente per precipitazione - sono progettate con un certo contenuto di elementi che formano - per precipitazione (come Al, Ti, Nb) nella loro composizione. Il processo di invecchiamento si divide in due fasi fondamentali:
Prima il trattamento con la soluzione: La lega viene riscaldata ad alta temperatura (solitamente 980–1150 gradi) e mantenuta per un periodo di tempo. Ciò consente agli elementi che formano la precipitazione - di dissolversi uniformemente nel reticolo FCC a base di nichel -, formando una soluzione solida sovrasatura. Quindi, viene effettuato un raffreddamento rapido (tempra in acqua o raffreddamento ad aria) per sopprimere la precipitazione delle seconde fasi a temperatura ambiente, mantenendo lo stato sovrasaturo metastabile della soluzione solida.
Successivo trattamento di invecchiamento: La soluzione solida sovrasatura viene riscaldata a una temperatura media (solitamente 600–850 gradi) e mantenuta per diverse o decine di ore. A questa temperatura, la solubilità degli elementi che formano la precipitazione - nel nichel diminuisce drasticamente. Gli atomi sovrasaturi (Al, Ti, Nb) si diffonderanno e si aggregheranno nella matrice e reagiranno con gli atomi di nichel per formarefasi composte intermetalliche ordinate(i più comuni sono la fase Ni₃(Al,Ti) e la fase Ni₃Nb). Queste fasi sono coerenti o semi - coerenti con l'interfaccia della matrice, il che può ostacolare il movimento delle dislocazioni e quindi migliorare la resistenza alla trazione della lega.
Il miglioramento della resistenza alla trazione mediante il trattamento di invecchiamento si ottiene principalmente attraverso i seguenti tre effetti di blocco della dislocazione -:
I parametri reticolari delle fasi ' e '' sono leggermente diversi da quelli della matrice a base di nichel -. Quando queste fasi di rinforzo precipitano nella matrice, attorno ad esse si formerà un campo di deformazione elastica locale. Quando la dislocazione si sposta nella matrice, deve superare la resistenza del campo di deformazione, il che aumenta la resistenza alla deformazione della lega e quindi migliora la resistenza alla trazione. Quanto più piccola è la dimensione delle particelle della fase di rinforzo, tanto più uniforme sarà la distribuzione e tanto più forte l'effetto del campo di deformazione.
Quando la dimensione delle particelle della fase di rinforzo raggiunge un certo livello (solitamente 10–50 nm), le dislocazioni non possono tagliare le particelle e possono solo aggirarle, lasciando anelli di dislocazione attorno alle particelle. La formazione di questi anelli richiede energia aggiuntiva, che aumenta la difficoltà del movimento della dislocazione e migliora ulteriormente la resistenza della lega. Per le leghe a base di nichel - ad alta temperatura -, questo meccanismo gioca un ruolo dominante nella fase di invecchiamento a temperatura media -.
Durante il trattamento di invecchiamento, anche tracce di elementi di carburo (come C) nella lega precipiteranno lungo i bordi dei grani per formare particelle fini di carburo (come TiC, NbC). Queste particelle possono fissare i bordi dei grani, impedire lo scorrimento dei bordi dei grani durante il processo di trazione ed evitare la frattura intergranulare. Allo stesso tempo, oligoelementi come B e Zr aggiunti alla lega segregeranno ai bordi dei grani, migliorando la forza di legame dei bordi dei grani e contribuendo indirettamente al miglioramento della resistenza alla trazione.
L’effetto del trattamento di invecchiamento sulla resistenza non è una semplice relazione lineare, ma è strettamente correlato alla temperatura e al tempo di mantenimento:
Temperatura di invecchiamento: Se la temperatura è troppo bassa, la velocità di diffusione degli atomi è lenta e la precipitazione delle fasi di rinforzo è insufficiente, con conseguente bassa resistenza; se la temperatura è troppo alta, le particelle della fase di rinforzo cresceranno rapidamente (ingrossandosi), la coerenza dell'interfaccia con la matrice andrà persa, l'effetto del campo di deformazione si indebolirà e la forza diminuirà in modo significativo.
Tempo di attesa: Con il prolungarsi del tempo di permanenza la quantità di precipitazione delle fasi di rinforzo aumenta prima e poi tende a saturarsi. Un tempo di permanenza eccessivamente lungo causerà l'ingrossamento delle particelle e ridurrà l'effetto rinforzante.
Prendendo come esempio la lega Inconel 718, il sistema di invecchiamento ottimale è solitamentedoppio - stadio di invecchiamento: riscaldamento a 720 gradi per 8 ore, raffreddamento a 620 gradi a una velocità di 55 gradi /h e mantenimento per 8 ore. Dopo questo trattamento, un gran numero di fasi fini vengono precipitate nella matrice e la sua resistenza alla trazione può raggiungere più di 1300 MPa, che è 2-3 volte quella dello stato come - estinto.
Va notato che il rafforzamento dell'invecchiamento è efficace solo perleghe a base di nichel - indurente per precipitazione -contenente elementi che formano precipitazioni -. Per le leghe a base di nichel - indurente in soluzione (come Hastelloy C276, Alloy 600) senza Al, Ti e Nb, il trattamento di invecchiamento non può far precipitare le fasi di rinforzo, quindi non può migliorare la loro resistenza alla trazione. Inoltre, il processo di invecchiamento ridurrà leggermente la plasticità della lega migliorandone al tempo stesso la resistenza, pertanto il sistema di invecchiamento deve essere ottimizzato in base ai requisiti applicativi effettivi per bilanciare resistenza e plasticità.
