Výkovky zo superzliatiny na báze niklu: Tepelné spracovanie na kontrolu veľkosti zrna v kriticky rotujúcich častiach

Turbínové disky, kompresorové disky, hriadele a výkovky rotorov sa točia pri vysokej rýchlosti a vysokej teplote tisíce hodín. Porucha nie je únik; je to katastrofálna udalosť. Pre tieto časti nie je veľkosť kovových zŕn kozmetickým detailom. Rozhoduje, ako diel odoláva únavovým trhlinám, tečeniu a pomalému rastu trhlín. Táto príručka vysvetľuje, ako tepelné spracovanie nastavuje veľkosť zrna vo výkovkoch zo superzliatiny na báze niklu, ako sa porovnávajú hlavné trasy a čo by kupujúci mali špecifikovať a overiť.

Veľkosť zŕn vo výkovku zo superzliatiny je daná dvoma vecami, ktoré spolupracujú: históriou spracovania za tepla, ktorá vytvára zrná, a teplotou tepelného spracovania vo vzťahu k teplote, pri ktorej sa rozpúšťajú spevňujúce alebo pripevňovacie častice. Roztok pod touto teplotou udržuje zrná jemné (lepšia pevnosť v ťahu a únave); riešenie nad ním umožňuje zrná rásť hrubšie (lepšia odolnosť proti rastu trhlín pri tečení a zotrvaní). Dvojité mikroštruktúrne úpravy sa snažia dať každej časti disku veľkosť zrna, ktorú potrebuje.

Prečo záleží na veľkosti zrna v kritických rotujúcich častiach?

Pretože jemné a hrubé zrná chránia pred rôznymi spôsobmi zlyhania. Jemné zrná poskytujú vyššiu pevnosť v ťahu a lepšiu odolnosť proti únave pri nízkom cykle; hrubé zrná poskytujú lepšiu odolnosť proti tečeniu a zotrvaniu pri raste trhlín pri vysokej teplote. Žiadna jednotlivá veľkosť zrna nie je najlepšia všade v rotujúcej časti.

Zrnko je malý kryštál. Hranice medzi zrnami sú slabé miesta pri vysokej teplote, kde sa kov môže pomaly deformovať (tečať) pozdĺž nich. Pri nižšej teplote je opak pravdou: hranice blokujú trhliny, takže viac hraníc (jemnejších zŕn) znamená pevnejší kov odolnejší voči únave. Disk má obe podmienky naraz. Vývrt (stred) je chladnejší a nesie vysoké cykly namáhania. Ráfik sa zahrieva viac a sedí pri trvalom zaťažení.

Tabuľka 1. Kompromis veľkosti zrna v zliatinách diskov, ako je opísané v publikovanej literatúre o tepelnom spracovaní diskov plynových turbín.

Čo kontroluje veľkosť zrna pri výkovku zo superzliatiny na báze niklu?

Ovládajú ho tri páky: ako veľmi a ako horúci je kov deformovaný počas kovania, ktoré častice sú prítomné na hraniciach zŕn a konečná teplota spracovania roztoku vzhľadom na solvus (teplota, pri ktorej sa tieto častice rozpúšťajú).

Pri kovaní sa pri deformácii rekryštalizáciou vytvárajú nové, malé zrná. Počas neskoršieho zahrievania majú tieto zrná tendenciu rásť, pretože veľké zrná majú menšiu hraničnú plochu a tým aj nižšiu energiu. Tvrdé častice sediace na hraniciach zŕn pôsobia ako kotvy a zastavujú tento rast. InZliatina 718fáza ukotvenia je delta (δ); v zliatinách práškových kovových diskov je to hrubé primárne gama prvočíslo ( ′). Keď teplota tepelného spracovania prekročí bod, v ktorom sa kotvy rozpustia, zrná môžu rýchlo rásť. To je dôvod, prečo je teplota solvusu najdôležitejším číslom pri kontrole veľkosti zrna.

Ako delta fáza riadi veľkosť zŕn v Inconel 718?

Delta fáza je fáza bohatá na niób, ktorá sa tvorí na hraniciach zŕn medzi približne 800 a 1000 stupňami. Počas kovania a spracovania v roztoku vypína hranice, takže zliatina 718 zostáva jemnozrnná, pokiaľ teplota roztoku zostáva pod hodnotou delta solvus, približne 1010–1020 stupňov.

Falšovatelia to využívajú zámerne. Pri „delta spracovaní“ je materiál udržiavaný na vyzrážaní delta fázy pred a počas kovania, takže zrná zostávajú malé, keď sa diel neskôr zahrieva. Publikované údaje ukazujú, aká citlivá je veľkosť zrna na teplotu a obsah delta. V jednej štúdii sochoru s ultrajemnou zrnitosťou 718 roztok 1800 stupňov F (približne 980 stupňov) počas 5 hodín zanechal asi 2,6 % delta a poskytol veľkosť zrna ASTM 9, zatiaľ čo 1850 stupňov F (asi 1010 stupňov) počas 1 hodiny zanechal asi 4,6 % delta. jednotná štruktúra ASTM 11–12 v delta spracovanom materiáli.

Tabuľka 2. Vplyv teploty roztoku a delta fázy na zrnitosť zliatiny 718. Zdroje: Zborník TMS Superalloys (1992, 2001) a patentová literatúra o tepelnom spracovaní Alloy 718. Čísla ASTM sú čísla zrnitosti ASTM E112; vyššie znamená jemnejšie.

Take away je kompromisom. Delta fáza pomáha udržiavať veľkosť zŕn, ale na hraniciach zŕn môže tiež ovplyvniť ťažnosť a napäťovo-korózne správanie, takže niektoré aplikácie ju zámerne rozpúšťajú. Publikovaný patent o odolnosti proti korózii pod napätím uvádza, že žíhaním nad delta solvus sa odstránili hraničné delta, ale zhrubli zrná z ASTM 8 na ASTM 3. To je dôvod, prečo je teplota roztoku zvolená pre aplikáciu, nie skopírovaná z generickej tabuľky.

Aký je rozdiel medzi tepelným spracovaním Subsolvus a Supersolvus?

Ošetrenie subsolvusovým roztokom sa vykonáva pod gama primárnym solvusom, zanecháva hrubé primárne ′ častice, ktoré zapichujú zrná, a poskytujú jemné zrná. Ošetrenie Supersolvus sa vykonáva nad solvusom, rozpúšťa tieto častice a necháva zrná zhrubnúť. Prvý podporuje silu a únavu; druhý uprednostňuje odolnosť proti tečeniu a rastu trhlín.

Táto voľba sa vzťahuje hlavne na vysoko legované, gama-primom spevnené zliatiny práškového kovu, ako je René 88DT, ktorého gama primárna solvus bola hlásená pri asi 1110–1116 stupňoch (2030–2040 stupňoch F). Publikované práce o týchto zliatinách poznamenávajú, že úpravy subsolvus zadržia zhruba 10–20 % hrubých primárnych ′ častíc, ktoré obmedzujú rast zŕn, zatiaľ čo úpravy supersolvus toto obmedzenie strácajú a umožňujú zrnám rásť.

Tabuľka 3. Ošetrenie roztokom subsolvus verzus supersolvus pre zliatiny diskov spevnených gama-primerom. Zdroje: Zborník TMS Superalloys, štúdie disku NASA a patentová literatúra GE.

Spracovanie Supersolvus bolo ústredným bodom vývoja René 88DT, kde sa očakávalo, že hrubšia veľkosť zrna vyvinutá úpravou roztoku supersolvus prospeje tečeniu a program bol zameraný na veľké zníženie rýchlosti rastu únavových trhlín v porovnaní s René 95. Spracovanie Supersolvus tejto triedy zliatiny môže produkovať hrubé zrná blížiace sa ASTM 6 pre lepšiu odolnosť proti rastu únavových trhlín.

Aké je štandardné tepelné spracovanie pre výkovky Inconel 718?

Roztokové žíhanie pri asi 925 – 1010 stupňoch, po ktorom nasleduje rýchle ochladenie, potom dvojstupňové starnutie: 718 stupňov po dobu 8 hodín, pec ochladenie na asi 620 stupňov, udržiavanie na celkovej dobe starnutia 18 hodín, potom ochladenie vzduchom. Udržiavanie kroku roztoku pod delta solvus zachováva jemné zrno.

Tabuľka 4. Typický cyklus roztoku a starnutia zliatiny 718. Zdroje: dátové listy dodávateľa s odkazom na prax AMS 5662/5663. Vždy dodržiavajte platné špecifikácie a objednávky.

Kroky starnutia veľmi nemenia veľkosť zŕn, pretože 718 stupňov a 620 stupňov sú výrazne pod teplotou roztoku. To, čo robia, je urýchliť fázy posilňovania ( ″ a ′). Veľkosť zŕn je preto pevne stanovená cestou kovania a krokom riešenia; starnutie potom nastavuje silu.

Čo je tepelné spracovanie s duálnou mikroštruktúrou a prečo sa používa pre disky?

Tepelné spracovanie s dvojitou mikroštruktúrou dáva kotúču jemnozrnný, vysoko pevný vývrt a hrubozrnný okraj odolný voči tečeniu zahrievaním dvoch oblastí na rôzne teploty vzhľadom na solvus. Jeho cieľom je odstrániť kompromis typu jedno zrno pre všetkých.

Rovnomerné tepelné spracovanie poskytuje jednotnú veľkosť zrna v celom disku, či už jemnú alebo hrubú, čo si vyžaduje kompromis. Pri dvojitej úprave je ráfik privedený nad gama primárny solvus, aby sa zhrubol, zatiaľ čo diera je udržiavaná pod solvusom. Výskum pokročilej diskovej zliatiny LSHR skúmal možnosti subsolvus a supersolvus a niekoľko možností s dvojitou štruktúrou, navrhnutých tak, aby poskytovali jemnozrnný, vysoko pevný vývrt a hrubozrnný ráfik odolný voči tečeniu.

Metóda má svoju vlastnú výzvu: prechodovú zónu medzi jemnými a hrubými oblasťami. Výskumníci NASA študovali režimy únavového zlyhania v prechodovej zóne veľkosti zŕn disku s dvojitou mikroštruktúrou a patenty na tepelné spracovanie upozorňujú na ďalšie riziko procesu, že teplota vrtu príliš hlboko pod solvus môže prestarnúť gama základ a zrušiť výhodu. Ošetrenie s dvojitou mikroštruktúrou vyžaduje presnú tepelnú kontrolu a dôkladné testovanie.

Aké chyby môže spôsobiť zlá kontrola veľkosti zrna?

Hlavnými defektmi sú abnormálne hrubé zrná (kritický rast zŕn), zmiešané alebo pásikové štruktúry zŕn, prerastené zrná v dôsledku nadmernej teploty roztoku a zvyškové napätie alebo praskanie pri kalení, čo všetko môže znížiť únavovú životnosť alebo spôsobiť nepredvídateľnosť výsledkov.

Tabuľka 5. Bežné chyby súvisiace s veľkosťou zrna v superzliatinových výkovkoch a ako im predchádzať.

Ako by mali kupujúci špecifikovať a overovať veľkosť zrna?

Špecifikujte zliatinu a riadiacu špecifikáciu, požadovaný rozsah veľkosti zŕn ASTM E112 (a akékoľvek maximálne prípustné hrubé zrno), skúšobné miesta a spôsob tepelného spracovania, potom si vyžiadajte certifikáty a metalografiu, ktoré to dokazujú.

Veľkosť zrna sa uvádza na stupnici ASTM E112, kde väčšie číslo znamená jemnejšie zrno. V tabuľke nižšie sú uvedené približné priemerné priemery zŕn pre čísla, ktoré sa bežne vyskytujú pri výkovkoch zo superzliatiny.

Tabuľka 6. Približné konverzie veľkosti zŕn ASTM E112.

Tabuľka 7. Kontrolný zoznam kupujúceho pre výkovky zo superzliatiny s kritickou veľkosťou zrna.

Často kladené otázky

Deformácia pri kovaní vytvára zrná, prichytávacie častice (delta fáza v zliatine 718, hrubý primárny gama základ v zliatinách diskov) ich zadržiavajú a teplota roztoku vzhľadom na solvus rozhoduje o tom, či tieto častice zostanú alebo sa rozpustia.

Aký je delta solvus Inconel 718?

Približne 1010-1020 stupňov. Publikované hodnoty sa mierne líšia, pretože solvus závisí od času, morfológie a lokálneho obsahu nióbu; jedna štúdia uvádza vypočítanú rovnovážnu hodnotu blízko 1033 stupňov a zdanlivú hodnotu blízko 1020 stupňov.

Čo je tepelné spracovanie subsolvus verzus supersolvus?

Subsolvus je roztoková úprava pod gama primárnym solvusom a poskytuje jemné zrná a lepšie ťahové a únavové vlastnosti. Supersolvus je nad solvusom a poskytuje hrubé zrná a lepšiu odolnosť voči tečeniu a rastu trhlín.

Prečo nezhrubnúť každé zrno kvôli odolnosti voči tečeniu?

Hrubé zrná znižujú pevnosť v ťahu a nízkocyklovú únavovú pevnosť, čo je dôležité pri chladnejšom, vysoko namáhanom otvore kotúča. To je dôvod, prečo existujú dvojité mikroštruktúrne úpravy.

Aké je štandardné tepelné spracovanie pre Inconel 718?

Rozpúšťacie žíhanie okolo 925 – 1010 stupňov s rýchlym ochladením, potom starnutie pri 718 stupňoch počas 8 hodín, ochladenie v peci na asi 620 stupňov, celkovo 18 hodín a chladenie vzduchom.

Čo je kritický rast zrna?

Abnormálne hrubé zrná, ktoré sa tvoria v oblastiach kritického napätia po tepelnom spracovaní práškových a kovových zliatin, ako je René 88DT, supersolvus. Je to známe riziko kovania a tepelného spracovania, ktorému sa majú predchádzať kontroly spracovania.