Piese forjate de superaliaje pe bază de nichel: tratament termic pentru controlul dimensiunii granulelor în piesele rotative critice

Discurile turbinelor, discurile compresoarelor, arborii și piesele forjate ale rotorului se rotesc la viteză mare și la temperatură ridicată timp de mii de ore. O defecțiune nu este o scurgere; este un eveniment catastrofal. Pentru aceste piese, dimensiunea granulelor de metal nu este un detaliu cosmetic. Acesta decide modul în care piesa rezistă fisurilor de oboseală, fluajului și creșterii lente a fisurilor. Acest ghid explică modul în care tratamentul termic stabilește dimensiunea granulelor în piesele forjate de superaliaje pe bază de nichel, cum se compară rutele principale și ce ar trebui să specifice și să verifice cumpărătorii.

Dimensiunea granulelor într-o forjare cu superaliaj este stabilită de două lucruri care lucrează împreună: istoricul de prelucrare la cald care creează boabele și temperatura de tratament termic în raport cu temperatura la care se dizolvă particulele de întărire sau de fixare. Soluția sub această temperatură menține boabele fine (rezistență la tracțiune și la oboseală mai bună); soluționarea deasupra acesteia lasă boabele să crească grosier (rezistență mai bună la creșterea la fluaj și la fisurare). Tratamentele cu microstructură dublă încearcă să ofere fiecărei părți a unui disc dimensiunea granulelor de care are nevoie.

De ce contează dimensiunea granulelor în piesele critice rotative?

Deoarece boabele fine și grosiere protejează împotriva diferitelor moduri de defecțiune. Granulele fine oferă o rezistență mai mare la tracțiune și o rezistență mai bună la oboseală la ciclu scăzut; boabele grosiere oferă o rezistență mai bună la fluaj și la creșterea fisurilor la temperaturi ridicate. Nicio dimensiune a granulelor nu este cea mai bună peste tot într-o piesă rotativă.

Un bob este un cristal minuscul. Granițele dintre boabe sunt puncte slabe la temperatură ridicată, unde metalul se poate deforma (se strecura) încet de-a lungul lor. La temperatură mai scăzută este adevărat opusul: limitele blochează fisurile, astfel încât mai multe limite (granule mai fine) înseamnă un metal mai puternic, mai rezistent la oboseală. Un disc are ambele condiții simultan. Alezajul (centrul) este mai rece și poartă cicluri de stres mari. Janta este mai fierbinte și stă sub sarcină susținută.

Tabelul 1. Evaluarea mărimii granulelor în aliajele cu discuri, așa cum este descris în literatura de specialitate publicată privind tratarea termică a discurilor cu turbine cu gaz.

Ce controlează dimensiunea granulelor într-o forjare superaliaj pe bază de nichel?

Trei pârghii îl controlează: cât de mult și cât de fierbinte este deformat metalul în timpul forjarii, ce particule sunt prezente pentru fixarea granițelor și temperatura finală de tratare a soluției în raport cu solvus (temperatura la care acele particule se dizolvă).

În timpul forjarii, deformarea creează granule noi, mici, prin recristalizare. În timpul încălzirii ulterioare, acele boabe au tendința de a crește, deoarece boabele mari au o zonă de limită mai mică și, prin urmare, o energie mai mică. Particulele dure care se așează pe granițele de cereale acționează ca ancore și opresc această creștere. ÎnAliaj 718faza de ancorare este delta (δ); în aliajele de disc pulbere-metal este prima gamma primară grosieră ( ′). Odată ce temperatura tratamentului termic trece de punctul în care ancorele se dizolvă, boabele pot crește rapid. Acesta este motivul pentru care temperatura solvus este cel mai important număr în controlul mărimii granulelor.

Cum controlează Delta Phase dimensiunea granulelor în Inconel 718?

Faza delta este o fază bogată în niobiu care se formează pe granițele de cereale între aproximativ 800 și 1000 de grade. Fixează granițele în timpul forjarii și tratării soluției, astfel încât aliajul 718 rămâne cu granulație fină atâta timp cât temperatura soluției rămâne sub delta solvus, aproximativ 1010-1020 de grade.

Falsificatorii exploatează acest lucru intenționat. În „prelucrarea delta”, materialul este menținut să precipite faza delta înainte și în timpul forjarii, astfel încât boabele să rămână mici atunci când piesa este încălzită ulterior. Datele publicate arată cât de sensibilă este dimensiunea granulelor la temperatură și conținutul delta. Într-un studiu al țaglelor cu granulație ultrafină 718, o soluție de 1800 de grade F (aproximativ 980 de grade) timp de 5 ore a lăsat aproximativ 2,6% delta și a dat dimensiunea granulelor ASTM 9, în timp ce 1850 de grade F (aproximativ 1010 grade) timp de 1 oră a lăsat aproximativ 4,6% delta standard și a dat discului o soluție standard separată la scară completă 10. 954 de grade au produs o structură uniformă ASTM 11-12 în material procesat în delta.

Tabelul 2. Efectul temperaturii soluției și al fazei delta asupra mărimii granulelor din aliajul 718. Surse: procedurile TMS Superalloys (1992, 2001) și literatura de brevete privind tratamentul termic cu aliajul 718. Numerele ASTM sunt numere ASTM E112 de mărime a granulelor; mai mare înseamnă mai fin.

Takeaway-ul este un compromis. Faza delta ajută la menținerea mărimii granulelor, dar la granițele granulelor poate afecta, de asemenea, ductilitatea și comportamentul la coroziune la stres, așa că unele aplicații o dizolvă în mod deliberat. Un brevet publicat privind rezistența la coroziune la stres raportează că recoacerea deasupra solvus-ului delta a îndepărtat granulele de limită, dar s-au îngroșat de la ASTM 8 la ASTM 3. Acesta este motivul pentru care temperatura soluției este aleasă pentru aplicație, nu copiată dintr-un tabel generic.

Care este diferența dintre tratamentul termic Subsolvus și Supersolvus?

Tratamentul cu soluția Subsolvus se face sub solvus gamma prim, lasă particule primare grosiere care fixează boabele și dă granule fine. Tratamentul cu Supersolvus se face deasupra solvusului, dizolvă acele particule și lasă boabele să se aspre. Primul favorizează forța și oboseala; cel de-al doilea favorizează rezistența la creșterea la fluaj și fisurare.

Această alegere se aplică în principal aliajelor puternic aliate, întărite cu gama prime, pulbere metalică, cum ar fi René 88DT, al cărui solvus gamma prim a fost raportat la aproximativ 1110–1116 grade (2030–2040 grade F). Lucrările publicate pe aceste aliaje notează că tratamentele subsolvus rețin aproximativ 10-20% din particulele primare grosiere care limitează creșterea boabelor, în timp ce tratamentele cu supersolvus pierd această constrângere și permit boabelor să crească.

Tabelul 3. Tratamentul cu soluție Subsolvus versus supersolvus pentru aliajele de disc întărite cu gama prime. Surse: procedurile TMS Superalloys, studiile pe discuri NASA și literatura de brevete GE.

Prelucrarea Supersolvus a fost esențială pentru dezvoltarea René 88DT, unde se aștepta ca mărimea granulelor mai grosiere dezvoltată prin tratarea cu soluție Supersolvus să beneficieze de fluaj, iar programul a vizat o reducere mare a ratei de creștere a fisurilor de oboseală în comparație cu René 95. Tratamentul Supersolvus al acestei clase de aliaj poate produce granule grosiere care se apropie de ASTM 6 pentru o rezistență îmbunătățită la creșterea la oboseală.

Care este tratamentul termic standard pentru piesele forjate Inconel 718?

Recoacere cu soluție la aproximativ 925–1010 grade, urmată de o răcire rapidă, apoi o vârstă în două etape: 718 grade timp de 8 ore, cuptorul se răcește la aproximativ 620 de grade, se menține un timp total de îmbătrânire de 18 ore, apoi se răcește cu aer. Menținerea treaptei soluției sub delta solvus păstrează granulația fină.

Tabelul 4. Ciclul tipic de soluție și vârstă de aliaj 718. Surse: fișe de date ale furnizorilor care fac referire la practica AMS 5662/5663. Respectați întotdeauna specificațiile guvernamentale și comanda de achiziție.

Etapele de îmbătrânire nu schimbă mult dimensiunea granulelor, deoarece 718 grade și 620 grade sunt mult sub temperaturile soluției. Ceea ce fac ei este să precipite fazele de întărire (″ și ′). Dimensiunea boabelor este deci fixată de traseul de forjare și de etapa de soluție; îmbătrânirea apoi stabilește puterea.

Ce este tratamentul termic cu microstructură duală și de ce este utilizat pentru discuri?

Tratamentul termic cu microstructură dublă conferă unui disc un orificiu cu granulație fină, de înaltă rezistență și o margine cu granulație grosieră, rezistentă la fluaj, prin încălzirea celor două regiuni la temperaturi diferite în raport cu solvus. Scopul este să elimine compromisul cu o mărime unică pentru toate.

Un tratament termic uniform oferă o dimensiune uniformă a granulelor pe tot discul, fie fină, fie grosieră, ceea ce obligă la un compromis. Într-un tratament dublu, marginea este adusă deasupra solvusului gamma prim pentru a-l aspru, în timp ce gaura este menținută sub solvus. Cercetările privind aliajul avansat de disc LSHR au examinat opțiunile subsolvus și supersolvus și mai multe opțiuni cu structură dublă, concepute pentru a oferi un alezaj cu granulație fină, de înaltă rezistență și o jantă cu granulație grosieră, rezistentă la fluaj.

Metoda are propria provocare: zona de tranziție între regiunile fine și grosiere. Cercetătorii de la NASA au studiat modurile de eșec la oboseală în zona de tranziție a granulelor a unui disc cu microstructură dublă, iar brevetele de tratare termică notează un risc suplimentar de proces, că o temperatură a forajului prea mult sub solvus poate supraînvechi prima gama și anula beneficiul. Tratamentul cu microstructură dublă necesită un control termic precis și o testare amănunțită.

Ce defecte poate cauza controlul slab al mărimii boabelor?

Principalele defecte sunt boabele grosiere anormale (creștere critică a boabelor), structurile de cereale amestecate sau în bandă, boabele supra-creștete de la temperatura excesivă a soluției și stresul rezidual sau fisurarea de stingere, toate acestea pot reduce durata de viață la oboseală sau pot face rezultatele imprevizibile.

Tabelul 5. Defecte obișnuite legate de dimensiunea granulelor în piesele forjate din superaliaje și cum să le preveniți.

Cum ar trebui cumpărătorii să specifice și să verifice dimensiunea boabelor?

Specificați aliajul și specificațiile de reglementare, intervalul de mărime a granulelor ASTM E112 cerut (și orice granulație grosieră maxim admisă), locațiile de testare și traseul de tratament termic, apoi solicitați certificate și metalografie care să dovedească acest lucru.

Dimensiunea boabelor este raportată pe scara ASTM E112, unde un număr mai mare înseamnă o bob mai fină. Tabelul de mai jos oferă diametrele medii aproximative ale granulelor pentru numerele observate în mod obișnuit în piesele forjate cu superaliaje.

Tabelul 6. Conversii aproximative ale granulelor ASTM E112.

Tabelul 7. Lista de verificare a cumpărătorului pentru piesele forjate din superaliaje critice pentru mărimea granulelor.

Întrebări frecvente

Deformarea prin forjare creează boabele, particulele de fixare (faza delta în aliajul 718, primar gamma prim grosier în aliajele de discuri) le rețin, iar temperatura soluției în raport cu soluția decide dacă acele particule rămân sau se dizolvă.

Care este delta solvus al Inconel 718?

Aproximativ 1010-1020 grade. Valorile publicate variază ușor, deoarece solvusul depinde de timp, morfologie și conținutul local de niobiu; un studiu raportează o valoare de echilibru calculată aproape de 1033 de grade și o valoare aparentă aproape de 1020 de grade.

Ce este tratamentul termic subsolvus versus supersolvus?

Subsolvus este un tratament cu soluție sub gama prim solvus și oferă granule fine și proprietăți mai bune la tracțiune și la oboseală. Supersolvus este deasupra solvus și oferă boabe grosiere și o rezistență mai bună la fluaj și la creșterea fisurilor.

De ce să nu faceți fiecare bob grosier pentru rezistență la fluaj?

Boabele grosiere scad rezistența la tracțiune și la oboseală cu ciclu scăzut, care contează la alezajul mai rece și foarte solicitat al unui disc. De aceea există tratamente cu dublă microstructură.

Care este tratamentul termic standard pentru Inconel 718?

Recoacere soluție la aproximativ 925-1010 grade cu răcire rapidă, apoi îmbătrânire la 718 grade timp de 8 ore, cuptorul se răcește la aproximativ 620 grade, ține până la 18 ore în total și se răcește la aer.

Ce este creșterea critică a cerealelor?

Boabele anormal de grosiere care se formează în regiunile cu deformare critică după tratamentul termic supersolvus al aliajelor pulbere-metal, cum ar fi René 88DT. Este un risc cunoscut de forjare și tratare termică pe care controalele de prelucrare sunt concepute pentru a-l preveni.