Nikkel alapú szuperötvözet kovácsolt anyagok: hőkezelés a szemcseméret szabályozására a kritikus forgó alkatrészekben

A turbinatárcsák, a kompresszortárcsák, a tengelyek és a forgórészek kovácsolásai nagy sebességgel és magas hőmérsékleten forognak több ezer órán keresztül. A hiba nem szivárgás; ez egy katasztrofális esemény. Ezeknél az alkatrészeknél a fémszemcsék mérete nem kozmetikai részlet. Ez határozza meg, hogy az alkatrész hogyan áll ellen a kifáradásos repedéseknek, a kúszásnak és a lassú repedésnövekedésnek. Ez az útmutató elmagyarázza, hogy a hőkezelés hogyan határozza meg a szemcseméretet a nikkel alapú szuperötvözet kovácsolásoknál, hogyan kell összehasonlítani a főbb útvonalakat, és mit kell megadniuk és ellenőrizniük a vásárlóknak.

A szuperötvözetből készült kovácsoltság szemcseméretét két dolog együttesen határozza meg: a szemcséket létrehozó meleg megmunkálási előzmények és a hőkezelési hőmérséklet ahhoz a hőmérséklethez képest, amelyen az erősítő vagy rögzítő részecskék feloldódnak. Ha ez alatt a hőmérsékleten oldjuk, a szemcsék finomak maradnak (jobb szakítószilárdság és kifáradás); a felette történő megoldás lehetővé teszi a szemek durva növekedését (jobb kúszás és tartós repedésnövekedési ellenállás). A kettős mikroszerkezetű kezelések megpróbálják a lemez minden részének megfelelő szemcseméretet adni.

Miért számít a szemcseméret a kritikus forgó alkatrészekben?

Mert a finom és durva szemcsék védenek a különböző meghibásodási módok ellen. A finom szemcsék nagyobb szakítószilárdságot és jobb alacsony ciklusú kifáradásállóságot biztosítanak; a durva szemcsék jobb kúszást és tartós repedésnövekedést biztosítanak magas hőmérsékleten. Egy forgó részen nem mindenhol a legjobb egyetlen szemcseméret sem.

A szemcse egy apró kristály. A szemcsék közötti határok magas hőmérsékleten gyenge pontok, ahol a fém lassan deformálódhat (kúszhat) ezek mentén. Alacsonyabb hőmérsékleten az ellenkezője igaz: a határvonalak blokkolják a repedéseket, így a több határ (finomabb szemcsék) erősebb, fáradásállóbb fémet jelent. Egy lemezen mindkét feltétel egyszerre van. A furat (középen) hűvösebb és nagy igénybevételi ciklusokat hordoz. A felni melegebben fut, és tartós terhelés alatt áll.

1. táblázat: A tárcsás ötvözetek szemcseméretének kompromisszuma, a gázturbinás tárcsás hőkezelési irodalomban leírtak szerint.

Mi szabályozza a szemcseméretet egy nikkel alapú szuperötvözet kovácsolásban?

Három kar szabályozza: mennyire és milyen melegben deformálódik a fém a kovácsolás során, mely részecskék vannak jelen a szemcsehatárok rögzítéséhez, és a végső oldatkezelési hőmérséklet a solvushoz viszonyítva (az a hőmérséklet, amelyen ezek a részecskék feloldódnak).

A kovácsolás során a deformáció átkristályosítással új, apró szemcséket hoz létre. A későbbi hevítés során ezek a szemek hajlamosak megnőni, mert a nagy szemeknek kisebb a határterületük, és ezért alacsonyabb az energiájuk. A szemcsehatárokon ülő kemény részecskék horgonyként működnek, és megállítják ezt a növekedést. In718-as ötvözeta rögzítési fázis delta (δ); por-fém korongötvözetekben durva primer gamma-primer ( ′). Amint a hőkezelési hőmérséklet eléri azt a pontot, ahol a horgonyok feloldódnak, a szemek gyorsan növekedhetnek. Ezért a solvus hőmérséklet a legfontosabb szám a szemcseméret szabályozásban.

Hogyan szabályozza a Delta Phase a szemcseméretet az Inconel 718-ban?

A delta fázis egy nióbiumban gazdag fázis, amely körülbelül 800 és 1000 fok közötti szemcsehatárokon képződik. A kovácsolás és az oldatkezelés során rögzíti a határvonalakat, így az Alloy 718 finomszemcsés marad mindaddig, amíg az oldat hőmérséklete a delta solvus alatt marad, körülbelül 1010–1020 fok.

A hamisítók ezt szándékosan használják ki. A "delta feldolgozás" során az anyagot úgy tartják, hogy a kovácsolás előtt és közben delta fázist kicsapjon, így a szemcsék kicsik maradnak, amikor az alkatrészt később felmelegítik. A közzétett adatok azt mutatják, hogy a szemcseméret mennyire érzékeny a hőmérsékletre és a deltatartalomra. Egy ultrafinom szemcséjű 718-as tuskón végzett vizsgálatban egy 1800°F-os (körülbelül 980°-os) oldat 5 órán keresztül körülbelül 2,6% deltát hagyott hátra, és ASTM 9-es szemcseméretet adott, míg 1850 F-os (körülbelül 1010°-os) 1 órán át körülbelül 4,6% -os deltát hagyott maga után, és egy külön ASTM-es standard 10-es korongot adott. 954 fokos egyenletes ASTM 11-12 szerkezetet hozott létre a delta-feldolgozott anyagban.

2. táblázat: Az oldat hőmérséklete és a delta fázis hatása az Alloy 718 szemcseméretére. Források: TMS Superalloys eljárások (1992, 2001) és szabadalmi irodalom az Alloy 718 hőkezelésről. Az ASTM számok ASTM E112 szemcseméret-számok; magasabb finomabbat jelent.

Az elvitel kompromisszum. A delta fázis segít megtartani a szemcseméretet, de a szemcsehatárokon befolyásolhatja a hajlékonyságot és a feszültség-korróziós viselkedést is, ezért egyes alkalmazások szándékosan feloldják azt. Egy közzétett szabadalom a feszültségkorrózióállóságról beszámol arról, hogy a delta solvus feletti izzítás eltávolította a határdeltát, de eldurvult az ASTM 8-ból az ASTM 3-ba. Ezért az oldat hőmérsékletét választották az alkalmazáshoz, nem pedig egy általános táblázatból másolták le.

Mi a különbség a Subsolvus és a Supersolvus hőkezelés között?

A subsolvus oldatos kezelés a gamma prime solvus alatt történik, durva primer ′ részecskéket hagy, amelyek szemcséket rögzítenek, és finom szemcséket ad. A Supersolvus kezelés a solvus felett történik, feloldja ezeket a részecskéket, és hagyja, hogy a szemcsék eldurvuljanak. Az első az erőnek és a fáradtságnak kedvez; a második a kúszással és repedésnövekedéssel szembeni ellenállást részesíti előnyben.

Ez a választás elsősorban az erősen ötvözött, gamma-prime-erősítésű fémpor-korongötvözetekre vonatkozik, például a René 88DT-re, amelynek gamma-prime szolvusa körülbelül 1110–1116 fok (2030–2040 F fok). Az ezekkel az ötvözetekkel kapcsolatos publikált munka megjegyzi, hogy a subsolvus kezelések körülbelül 10-20%-át visszatartják a durva primer ′ részecskéknek, amelyek korlátozzák a szemcsék növekedését, míg a supersolvus kezelések elvesztik ezt a korlátot, és lehetővé teszik a szemek növekedését.

3. táblázat: Subsolvus versus supersolvus oldatos kezelés gamma-prime-erősítésű korongötvözetek esetében. Források: TMS Superalloys eljárás, NASA lemeztanulmányok és GE szabadalmi irodalom.

A Supersolvus feldolgozás központi szerepet játszott a René 88DT fejlesztésében, ahol a szupersolvus oldatos kezeléssel kifejlesztett durvább szemcseméret várhatóan jótékony hatással volt a kúszásra, és a program célja a fáradási repedések növekedési ütemének nagymértékű csökkentése volt a René 95-höz képest. Az ötvözet osztályának Supersolvus kezelése durva szemcseméretet eredményezhet, amely megközelíti az ASTM 6-ot, és javítja a fárasztó repedésekkel szembeni ellenállást.

Mi az Inconel 718 kovácsolt termékek szabványos hőkezelése?

Oldatos lágyítás kb. 925-1010 fokon, majd gyors lehűtés, majd kétlépcsős életkor: 718 fok 8 órán keresztül, kemencében hűtés kb. 620 fokra, 18 óra teljes öregedési idő, majd levegőhűtés. Ha az oldat lépését a delta solvus alatt tartja, akkor megőrzi a finom szemcséket.

4. táblázat: Tipikus 718-as ötvözet oldat- és öregedési ciklus. Források: AMS 5662/5663 gyakorlatra hivatkozó szállítói adatlapok. Mindig kövesse az irányadó specifikációt és a vásárlási rendelést.

Az öregítési lépések nem sokat változtatnak a szemcseméreten, mert 718 fok és 620 fok jóval az oldat hőmérséklete alatt van. Amit csinálnak, az az, hogy kicsapják az erősítő fázisokat ( ″ és ′). A szemcseméretet ezért a kovácsolási útvonal és a megoldási lépés rögzíti; az öregedés aztán erőt ad.

Mi az a kettős mikroszerkezetű hőkezelés, és miért használják lemezekhez?

A kettős mikroszerkezetű hőkezelés egy korongnak finom szemcsés, nagy szilárdságú furatot és durva szemcsés, kúszásálló peremet ad azáltal, hogy a két régiót a solvushoz képest eltérő hőmérsékletre melegíti. Célja, hogy megszüntesse az egy szemcseméretű kompromisszumot.

Az egyenletes hőkezelés egyenletes szemcseméretet biztosít az egész korongon, legyen az akár finom, akár durva, ami kompromisszumra kényszerít. A kettős kezelésnél a perem a gamma prime solvus fölé kerül, hogy eldurvuljon, míg a furat a solvus alatt marad. Az LSHR korszerű tárcsás ötvözetével kapcsolatos kutatás során a subsolvus és a supersolvus lehetőségeket, valamint számos kettős szerkezetű opciót vizsgáltak, amelyek finom szemcsés, nagy szilárdságú furat és durva szemcsés, kúszásálló perem kialakítására szolgálnak.

A módszernek megvan a maga kihívása: a finom és durva régiók közötti átmeneti zóna. A NASA kutatói tanulmányozták a kifáradás meghibásodásának módjait egy kettős mikroszerkezetű lemez szemcseméretű átmeneti zónájában, és a hőkezelési szabadalmak további kockázatot jegyeznek fel, hogy a fúrólyuk túlságosan a solvus alatti hőmérséklet túlöregedheti a gamma-prime-ot, és megszüntetheti az előnyt. A kettős mikroszerkezetű kezelés precíz hőszabályozást és alapos tesztelést igényel.

Milyen hibákat okozhat a rossz szemcseméret-szabályozás?

A fő hibák a rendellenes durva szemcsék (kritikus szemcsenövekedés), a kevert vagy sávos szemcseszerkezetek, a túlzott oldathőmérséklet miatt túlnőtt szemek és a maradék feszültség vagy a kioltó repedés, amelyek mindegyike csökkentheti a kifáradási élettartamot, vagy kiszámíthatatlanná teheti az eredményeket.

5. táblázat: Szuperötvözet kovácsolások gyakori szemcseméret-hibái és azok megelőzése.

Hogyan kell a vevőknek meghatározniuk és ellenőrizniük a szemcseméretet?

Adja meg az ötvözetet és az irányadó specifikációt, a szükséges ASTM E112 szemcseméret-tartományt (és a maximálisan megengedhető durva szemcseméretet), a vizsgálati helyeket és a hőkezelési útvonalat, majd kérjen tanúsítványokat és ezt igazoló metallográfiát.

A szemcseméretet az ASTM E112 skálán jelentik, ahol a nagyobb szám finomabb szemcsét jelent. Az alábbi táblázat hozzávetőleges átlagos szemcseátmérőt ad a szuperötvözet kovácsolásoknál szokásosan előforduló számokhoz.

6. táblázat: Hozzávetőleges ASTM E112 szemcseméret-átszámítások.

7. táblázat: Vevői ellenőrző lista a szemcseméret-kritikus szuperötvözet kovácsolásához.

Gyakran Ismételt Kérdések

A kovácsolás deformációja hozza létre a szemcséket, a rögzítő részecskék (delta fázis a 718-as ötvözetben, durva primer gamma-prime korongötvözetekben) visszatartja őket, és a solvushoz viszonyított oldat hőmérséklete dönti el, hogy ezek a részecskék megmaradnak vagy feloldódnak.

Mi az Inconel 718 delta solvusa?

Körülbelül 1010-1020 fok. A közzétett értékek kissé eltérnek, mert a solvus függ az időtől, a morfológiától és a helyi nióbiumtartalomtól; az egyik tanulmány 1033 fok körüli számított egyensúlyi értékről és 1020 fok körüli látszólagos értékről számol be.

Mi a subsolvus kontra supersolvus hőkezelés?

A Subsolvus oldatos kezelés a gamma prime solvus alatt, és finom szemcséket és jobb szakító- és kifáradási tulajdonságokat biztosít. A Supersolvus a solvus felett van, és durva szemcséket és jobb kúszási és repedésnövekedési ellenállást biztosít.

Miért nem tesz minden szemcsét durvává a kúszásállóság érdekében?

A durva szemcsék csökkentik a szakítószilárdságot és az alacsony ciklusú kifáradási szilárdságot, ami a tárcsa hidegebb, nagy igénybevételnek kitett furatánál számít. Ezért léteznek kettős mikroszerkezetű kezelések.

Mi az Inconel 718 szabványos hőkezelése?

Gyors hűtéssel 925-1010 fok körüli hőkezeléssel, majd 718 fokon 8 órán át öregítjük, kemencében kb. 620 fokra hűtjük, összesen 18 órán át tartjuk, és levegővel lehűtjük.

Mi a kritikus gabonanövekedés?

Rendellenesen durva szemcsék, amelyek a kritikus igénybevételnek kitett területeken képződnek fémporötvözetek, például René 88DT szuperszolvális hőkezelése után. Ismert a kovácsolás és a hőkezelés kockázata, amelyet a feldolgozási ellenőrzések megelőzésére terveztek.