Otkovci od superlegure na bazi nikla: toplinska obrada za kontrolu veličine zrna u kritičnim rotirajućim dijelovima

Turbinski diskovi, kompresorski diskovi, osovine i otkovci rotora vrte se velikom brzinom i visokom temperaturom tisućama sati. Kvar nije curenje; to je katastrofalan događaj. Za ove dijelove veličina zrna metala nije kozmetički detalj. Odlučuje kako se dio odupire zamornim pukotinama, puzanju i sporom rastu pukotina. Ovaj vodič objašnjava kako se toplinskom obradom određuje veličina zrna u otkovcima od superlegure na bazi nikla, kako se uspoređuju glavni pravci i što bi kupci trebali specificirati i provjeriti.

Veličina zrna u kovanju od superlegure određena je dvjema stvarima koje rade zajedno: poviješću vruće obrade koja stvara zrna i temperaturom toplinske obrade u odnosu na temperaturu na kojoj se otapaju čestice za ojačavanje ili pričvršćivanje. Otopina ispod te temperature održava zrna u finom stanju (bolja vlačna i zamorna čvrstoća); otopina iznad nje omogućuje zrnu da postane grubo (bolja otpornost na puzanje i rast pukotina). Tretmani s dvostrukom mikrostrukturom pokušavaju svakom dijelu diska dati potrebnu veličinu zrna.

Zašto je veličina zrna važna u kritičnim rotirajućim dijelovima?

Budući da fina i krupna zrna štite od različitih načina kvara. Fina zrna daju veću vlačnu čvrstoću i bolju otpornost na zamor niskog ciklusa; krupna zrna daju bolju otpornost na puzanje i rast pukotina pri visokim temperaturama. Niti jedna veličina zrna nije najbolja posvuda u rotirajućem dijelu.

Zrno je sićušan kristal. Granice između zrna su slabe točke na visokoj temperaturi, gdje se metal može polako deformirati (puzati) duž njih. Na nižim temperaturama je suprotno: granice blokiraju pukotine, tako da više granica (finija zrna) znači jači metal otporniji na zamor. Disk ima oba uvjeta odjednom. Provrt (središte) je hladniji i nosi velike cikluse naprezanja. Rub se zagrijava i ostaje pod dugotrajnim opterećenjem.

Tablica 1. Kompromis veličine zrna u legurama diska, kako je opisano u objavljenoj literaturi o toplinskoj obradi diskova plinskih turbina.

Što kontrolira veličinu zrna u kovanju superlegure na bazi nikla?

Tri poluge kontroliraju: koliko je i koliko vruće metal deformiran tijekom kovanja, koje su čestice prisutne da pričvrste granice zrna i konačnu temperaturu tretmana otopinom u odnosu na solvus (temperatura na kojoj se te čestice otapaju).

Tijekom kovanja deformacija rekristalizacijom stvara nova, mala zrna. Tijekom kasnijeg zagrijavanja, ta zrna imaju tendenciju rasta, jer velika zrna imaju manju graničnu površinu i stoga manju energiju. Tvrde čestice koje se nalaze na granicama zrna djeluju poput sidra i zaustavljaju ovaj rast. ULegura 718faza sidrenja je delta (δ); u pločastim legurama metalnog praha to je grubi primarni gama primarni (′). Nakon što temperatura toplinske obrade prijeđe točku u kojoj se sidra otapaju, zrna mogu brzo rasti. Zbog toga je solvus temperatura najvažniji broj u kontroli veličine zrna.

Kako delta faza kontrolira veličinu zrna u Inconelu 718?

Delta faza je faza bogata niobijem koja se formira na granicama zrna između otprilike 800 i 1000 stupnjeva. Učvršćuje granice tijekom kovanja i obrade otopinom, tako da legura 718 ostaje fino zrnata sve dok temperatura otopine ostaje ispod delta solvusa, oko 1010–1020 stupnjeva.

Krivotvoritelji to namjerno iskorištavaju. U "delta obradi," materijal se drži da istaloži delta fazu prije i tijekom kovanja, tako da zrnca ostanu mala kada se dio kasnije zagrije. Objavljeni podaci pokazuju koliko je veličina zrna osjetljiva na temperaturu i delta sadržaj. U jednoj studiji ultrafino zrnate gredice 718, otopina od 1800 stupnjeva F (oko 980 stupnjeva) tijekom 5 sati ostavila je oko 2,6% delta i dala veličinu zrna ASTM 9, dok je 1850 stupnjeva F (oko 1010 stupnjeva) tijekom 1 sata ostavila oko 4,6% delta i dala ASTM 10. U zasebnoj studiji diska u punoj veličini, standardna otopina na 954 stupnja proizvodi jednoliku ASTM 11-12 strukturu u delta-obrađenom materijalu.

Tablica 2. Učinak temperature otopine i delta faze na veličinu zrna legure 718. Izvori: postupci TMS Superalloys (1992., 2001.) i patentna literatura o toplinskoj obradi legure 718. ASTM brojevi su ASTM E112 brojevi veličine zrna; više znači finije.

Ponijeti je kompromis. Delta faza pomaže zadržati veličinu zrna, ali na granicama zrna također može utjecati na duktilnost i korozijsko ponašanje, tako da je neke primjene namjerno rastvaraju. Objavljeni patent o otpornosti na naponsku koroziju izvješćuje da je žarenje iznad delta solvusa uklonilo graničnu deltu, ali gruba zrna s ASTM 8 na ASTM 3. Zbog toga je temperatura otopine odabrana za primjenu, a ne kopirana iz generičke tablice.

Koja je razlika između Subsolvus i Supersolvus toplinske obrade?

Tretman Subsolvus otopinom vrši se ispod gama prime solvusa, ostavlja grube primarne 'čestice koje pričvršćuju zrnca i daje fina zrna. Tretman Supersolvusom vrši se iznad solvusa, otapa te čestice i omogućuje zrnu da zgrubi. Prvi pogoduje snazi ​​i umoru; drugi favorizira otpornost na puzanje i rast pukotina.

Ovaj izbor se uglavnom odnosi na visoko legirane, gama-prime ojačane metalne metalne legure u prahu kao što je René 88DT, čiji je gama primarni solvus prijavljen na oko 1110-1116 stupnjeva (2030-2040 stupnjeva F). Objavljeni radovi o ovim legurama bilježe da subsolvus tretmani zadržavaju otprilike 10-20% grubih primarnih 'čestica koje ograničavaju rast zrna, dok supersolvus tretmani gube to ograničenje i dopuštaju zrncima da rastu.

Tablica 3. Subsolvus u odnosu na supersolvus tretman otopinom za gama-prime ojačane disk legure. Izvori: postupci TMS Superalloys, NASA-ine studije diskova i GE patentna literatura.

Supersolvus obrada bila je ključna za razvoj René 88DT, gdje se očekivalo da će krupnija veličina zrna dobivena tretmanom supersolvus otopinom pogodovati puzanju, a program je imao za cilj veliko smanjenje stope rasta pukotina uslijed zamora u usporedbi s René 95. Tretman Supersolvusom ove klase legura može proizvesti grube veličine zrna koje se približavaju ASTM 6 za poboljšanu otpornost na rast pukotina uslijed zamora.

Koja je standardna toplinska obrada za otkivke Inconel 718?

Žarenje u otopini na oko 925-1010 stupnjeva nakon čega slijedi brzo hlađenje, zatim odležavanje u dva koraka: 718 stupnjeva tijekom 8 sati, peć se hladi na oko 620 stupnjeva, zadržavanje do ukupnog vremena starenja od 18 sati, zatim hlađenje zrakom. Održavanje koraka otopine ispod delta solvusa čuva sitno zrno.

Tablica 4. Tipični ciklus otopine i starenja legure 718. Izvori: tablice s podacima dobavljača koje se odnose na praksu AMS 5662/5663. Uvijek slijedite važeće specifikacije i narudžbenicu.

Koraci starenja ne mijenjaju puno veličinu zrna, jer su 718 stupnjeva i 620 stupnjeva znatno ispod temperatura otopine. Ono što oni rade je da ubrzaju faze jačanja ( ″ i ′). Veličina zrna stoga je fiksirana putem kovanja i korakom rješenja; starenje tada postavlja snagu.

Što je toplinska obrada s dvostrukom mikrostrukturom i zašto se koristi za diskove?

Dvostruka toplinska obrada mikrostrukture daje disku fin zrnat provrt visoke čvrstoće i krupnozrnati rub otporan na puzanje zagrijavanjem dvaju područja na različite temperature u odnosu na solvus. Cilj mu je ukloniti kompromis "jedna veličina zrna odgovara svima".

Ujednačena toplinska obrada daje ujednačenu veličinu zrna u cijelom disku, fino ili grubo, što zahtijeva kompromis. U dvostrukoj obradi, rub se postavlja iznad gama prime solvusa kako bi se ogrubio, dok se provrt drži ispod solvusa. Istraživanje o naprednoj slitini diska LSHR ispitalo je subsolvus i supersolvus opcije i nekoliko opcija dvostruke strukture, dizajniranih za isporuku finog zrna, provrta visoke čvrstoće i grubog zrna, ruba otpornog na puzanje.

Metoda ima svoj izazov: prijelazna zona između finih i grubih područja. NASA-ini istraživači proučavali su načine otkazivanja uslijed zamora u prijelaznoj zoni veličine zrna diska s dvostrukom mikrostrukturom, a patenti toplinske obrade primjećuju daljnji rizik procesa, da temperatura provrta previše ispod solvusa može dovesti do starenja gama prajma i poništiti korist. Tretman s dvostrukom mikrostrukturom zahtijeva preciznu toplinsku kontrolu i temeljita ispitivanja.

Koje nedostatke može uzrokovati loša kontrola veličine zrna?

Glavni nedostaci su abnormalna gruba zrna (kritičan rast zrna), mješovite ili vrpčaste strukture zrna, prekomjerna zrna zbog previsoke temperature otopine i zaostalo naprezanje ili pucanje pri kaljenju, a sve to može smanjiti vijek trajanja od zamora ili učiniti rezultate nepredvidivim.

Tablica 5. Uobičajeni defekti vezani uz veličinu zrna kod otkovaka od superlegura i kako ih spriječiti.

Kako bi kupci trebali odrediti i provjeriti veličinu zrna?

Navedite leguru i mjerodavnu specifikaciju, zahtijevani ASTM E112 raspon veličine zrna (i bilo koje maksimalno dopušteno grubo zrno), mjesta ispitivanja i put toplinske obrade, a zatim zatražite certifikate i metalografiju koji to dokazuju.

Veličina zrna navedena je na ljestvici ASTM E112, gdje veći broj znači finije zrno. Donja tablica daje približne prosječne promjere zrna za brojeve koji se obično vide u kovovima od superlegura.

Tablica 6. Približne pretvorbe veličine zrna ASTM E112.

Tablica 7. Kontrolni popis kupaca za otkivke od superlegure kritične prema veličini zrna.

Često postavljana pitanja

Deformacija kovanjem stvara zrna, čestice zapinjanja (delta faza u slitini 718, grubi primarni gama primarni u legurama diska) zadržavaju ih, a temperatura otopine u odnosu na solvus odlučuje hoće li te čestice ostati ili se otopiti.

Što je delta solvus Inconela 718?

Otprilike 1010–1020 stupnjeva. Objavljene vrijednosti malo variraju jer solvus ovisi o vremenu, morfologiji i lokalnom sadržaju niobija; jedna studija izvještava o izračunatoj ravnotežnoj vrijednosti blizu 1033 stupnja i prividnoj vrijednosti blizu 1020 stupnjeva.

Što je subsolvus u odnosu na supersolvus toplinsku obradu?

Subsolvus je tretman otopinom ispod gama prime solvusa i daje fina zrna i bolja svojstva rastezanja i zamora. Supersolvus je iznad solvusa i daje gruba zrna i bolju otpornost na puzanje i rast pukotina.

Zašto ne bi svako zrno bilo grubo za otpornost na puzanje?

Gruba zrna smanjuju vlačnu čvrstoću i čvrstoću zamora u niskom ciklusu, što je važno kod hladnijeg, visoko opterećenog provrta diska. Zbog toga postoje tretmani s dvostrukom mikrostrukturom.

Koja je standardna toplinska obrada za Inconel 718?

Otopina se žari na oko 925-1010 stupnjeva uz brzo hlađenje, zatim odležava na 718 stupnjeva 8 sati, peć se ohladi na oko 620 stupnjeva, drži do ukupno 18 sati i ohladi na zraku.

Što je kritični rast zrna?

Abnormalno gruba zrna koja se formiraju u područjima kritičnog naprezanja nakon supersolvus toplinske obrade legura u prahu i metala kao što je René 88DT. Poznat je rizik kovanja i toplinske obrade koji su kontrole obrade dizajnirane da spriječe.