Σφυρηλάτες υπερκράματος με βάση το νικέλιο: Θερμική επεξεργασία για έλεγχο μεγέθους κόκκων σε κρίσιμα περιστρεφόμενα μέρη

Δίσκοι στροβίλου, δίσκοι συμπιεστών, άξονες και σφυρηλάτηση ρότορα περιστρέφονται με υψηλή ταχύτητα και υψηλή θερμοκρασία για χιλιάδες ώρες. Μια αποτυχία δεν είναι διαρροή. είναι ένα καταστροφικό γεγονός. Για αυτά τα μέρη, το μέγεθος των κόκκων του μετάλλου δεν είναι μια καλλυντική λεπτομέρεια. Αποφασίζει πώς το εξάρτημα αντιστέκεται σε ρωγμές κόπωσης, ερπυσμό και αργή ανάπτυξη ρωγμών. Αυτός ο οδηγός εξηγεί πώς η θερμική επεξεργασία καθορίζει το μέγεθος των κόκκων σε σφυρηλάτηση υπερκράματος με βάση το νικέλιο, πώς συγκρίνονται οι κύριες διαδρομές και τι πρέπει να καθορίσουν και να επαληθεύσουν οι αγοραστές.

Το μέγεθος των κόκκων σε μια σφυρηλάτηση υπερκράματος καθορίζεται από δύο πράγματα που συνεργάζονται: το ιστορικό θερμής επεξεργασίας που δημιουργεί τους κόκκους και τη θερμοκρασία θερμικής επεξεργασίας σε σχέση με τη θερμοκρασία στην οποία διαλύονται τα σωματίδια ενίσχυσης ή καρφώματος. Το διάλυμα κάτω από αυτή τη θερμοκρασία διατηρεί τους κόκκους λεπτούς (καλύτερη αντοχή σε εφελκυσμό και κόπωση). Η λύση πάνω από αυτό αφήνει τους κόκκους να γίνουν χοντροκομμένοι (καλύτερα ερπυσμός και αντοχή στην ανάπτυξη ρωγμών). Οι επεξεργασίες διπλής μικροδομής προσπαθούν να δώσουν σε κάθε μέρος ενός δίσκου το μέγεθος κόκκου που χρειάζεται.

Γιατί έχει σημασία το μέγεθος των κόκκων σε κρίσιμα περιστρεφόμενα μέρη;

Επειδή οι λεπτοί και χοντροκομμένοι κόκκοι προστατεύουν από διαφορετικούς τρόπους αστοχίας. Οι λεπτοί κόκκοι δίνουν μεγαλύτερη αντοχή σε εφελκυσμό και καλύτερη αντοχή στην κόπωση χαμηλού κύκλου. Οι χονδροειδείς κόκκοι δίνουν καλύτερη αντοχή στον ερπυσμό και στην ανάπτυξη ρωγμών σε υψηλή θερμοκρασία. Κανένα μέγεθος κόκκου δεν είναι καλύτερο παντού σε ένα περιστρεφόμενο τμήμα.

Ένας κόκκος είναι ένας μικροσκοπικός κρύσταλλος. Τα όρια μεταξύ των κόκκων είναι αδύναμα σημεία σε υψηλή θερμοκρασία, όπου το μέταλλο μπορεί αργά να παραμορφωθεί (σέρνεται) κατά μήκος τους. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ισχύει το αντίθετο: τα όρια μπλοκάρουν τις ρωγμές, επομένως περισσότερα όρια (λεπτότεροι κόκκοι) σημαίνει ένα ισχυρότερο, πιο ανθεκτικό στην κόπωση μέταλλο. Ένας δίσκος έχει και τις δύο συνθήκες ταυτόχρονα. Η οπή (κέντρο) είναι πιο δροσερή και φέρει κύκλους υψηλών τάσεων. Το χείλος λειτουργεί πιο ζεστό και κάθεται υπό παρατεταμένο φορτίο.

Πίνακας 1. Η αντιστάθμιση μεγέθους κόκκου σε κράματα δίσκων, όπως περιγράφεται στη δημοσιευμένη βιβλιογραφία θερμικής επεξεργασίας δίσκων αεριοστροβίλου.

Τι ελέγχει το μέγεθος κόκκων σε σφυρηλάτηση υπερκράματος με βάση το νικέλιο;

Τρεις μοχλοί το ελέγχουν: πόσο και πόσο ζεστό παραμορφώνεται το μέταλλο κατά τη σφυρηλάτηση, ποια σωματίδια υπάρχουν για να καρφώσουν τα όρια των κόκκων και η τελική θερμοκρασία επεξεργασίας διαλύματος σε σχέση με το solvus (η θερμοκρασία στην οποία διαλύονται αυτά τα σωματίδια).

Κατά τη σφυρηλάτηση, η παραμόρφωση δημιουργεί νέους, μικρούς κόκκους με ανακρυστάλλωση. Κατά τη διάρκεια της μεταγενέστερης θέρμανσης, αυτοί οι κόκκοι τείνουν να αναπτύσσονται, επειδή οι μεγάλοι κόκκοι έχουν μικρότερη οριακή περιοχή και επομένως χαμηλότερη ενέργεια. Τα σκληρά σωματίδια που κάθονται στα όρια των κόκκων λειτουργούν σαν άγκυρες και σταματούν αυτή την ανάπτυξη. ΣεΚράμα 718η φάση αγκύρωσης είναι δέλτα (δ). στα κράματα δίσκων σκόνης-μετάλλου είναι χονδροειδής πρωτεύων γάμμα πρώτος ( ′). Μόλις η θερμοκρασία της θερμικής επεξεργασίας περάσει το σημείο όπου διαλύονται οι άγκυρες, οι κόκκοι μπορούν να αναπτυχθούν γρήγορα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η θερμοκρασία solvus είναι ο πιο σημαντικός αριθμός στον έλεγχο του μεγέθους των κόκκων.

Πώς το Delta Phase ελέγχει το μέγεθος κόκκων στο Inconel 718;

Η φάση δέλτα είναι μια πλούσια σε νιόβιο φάση που σχηματίζεται στα όρια των κόκκων μεταξύ περίπου 800 και 1000 μοιρών. Καρφώνει τα όρια κατά τη σφυρηλάτηση και την επεξεργασία διαλύματος, έτσι το κράμα 718 παραμένει λεπτόκοκκο όσο η θερμοκρασία του διαλύματος παραμένει κάτω από το δέλτα solvus, περίπου 1010–1020 μοίρες.

Οι πλαστογράφοι το εκμεταλλεύονται επίτηδες. Στην "επεξεργασία δέλτα", το υλικό διατηρείται για να καθιζάνει τη φάση δέλτα πριν και κατά τη σφυρηλάτηση, έτσι ώστε οι κόκκοι να παραμένουν μικροί όταν το τμήμα θερμαίνεται αργότερα. Τα δημοσιευμένα δεδομένα δείχνουν πόσο ευαίσθητο είναι το μέγεθος των κόκκων στη θερμοκρασία και την περιεκτικότητα σε δέλτα. Σε μια μελέτη για το billet 718 εξαιρετικά λεπτού κόκκου, ένα διάλυμα 1800 βαθμών F (περίπου 980 μοίρες) για 5 ώρες άφησε περίπου 2,6% δέλτα και έδωσε μέγεθος κόκκων ASTM 9, ενώ 1850 βαθμοί F (περίπου 1010 μοίρες ) για 1 ώρα άφησε περίπου 4,6% σε κλίμακα distsk το τυπικό δέλτα 1 και άφησε περίπου 4,6% σε μια ξεχωριστή κλίμακα μελέτης δέλτα 0 και το diastk. διάλυμα στους 954 βαθμούς παρήγαγε μια ομοιόμορφη δομή ASTM 11–12 σε υλικό επεξεργασμένο με δέλτα.

Πίνακας 2. Επίδραση της θερμοκρασίας διαλύματος και της φάσης δέλτα στο μέγεθος κόκκων του κράματος 718. Πηγές: Διαδικασίες TMS Superalloys (1992, 2001) και βιβλιογραφία διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας για τη θερμική επεξεργασία του κράματος 718. Οι αριθμοί ASTM είναι αριθμοί μεγέθους κόκκων ASTM E112. υψηλότερο σημαίνει λεπτότερο.

Το takeaway είναι ένα συμβιβασμό. Η φάση δέλτα βοηθά στη διατήρηση του μεγέθους των κόκκων, αλλά στα όρια των κόκκων μπορεί επίσης να επηρεάσει την ολκιμότητα και τη συμπεριφορά διάβρωσης λόγω τάσης, επομένως ορισμένες εφαρμογές το διαλύουν σκόπιμα. Ένα δημοσιευμένο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σχετικά με την αντοχή στη διάβρωση λόγω τάσης αναφέρει ότι η ανόπτηση πάνω από το δέλτα solvus αφαίρεσε το όριο δέλτα αλλά τραχύνει τους κόκκους από το ASTM 8 στο ASTM 3. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η θερμοκρασία διαλύματος επιλέγεται για την εφαρμογή και δεν αντιγράφεται από έναν γενικό πίνακα.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της θερμικής επεξεργασίας Subsolvus και Supersolvus;

Η επεξεργασία με διάλυμα Subsolvus γίνεται κάτω από το γάμμα πρωταρχικό solvus, αφήνει χονδροειδή πρωτογενή σωματίδια που καρφιτσώνουν κόκκους και δίνει λεπτούς κόκκους. Η επεξεργασία Supersolvus γίνεται πάνω από το solvus, διαλύει αυτά τα σωματίδια και αφήνει τους κόκκους να τραχύνουν. Το πρώτο ευνοεί τη δύναμη και την κούραση. το δεύτερο ευνοεί την αντοχή στην ανάπτυξη ερπυσμού και ρωγμών.

Αυτή η επιλογή ισχύει κυρίως για κράματα υψηλής κραματοποίησης, ενισχυμένα με γάμμα-πρώτο κράμα σκόνης-δίσκου μετάλλου, όπως το René 88DT, του οποίου η αρχική επίλυση γάμμα έχει αναφερθεί σε περίπου 1110–1116 βαθμούς (2030–2040 βαθμοί F). Δημοσιευμένες εργασίες για αυτά τα κράματα σημειώνουν ότι οι επεξεργασίες subsolvus διατηρούν περίπου το 10-20% των χονδροειδών πρωτογενών σωματιδίων που περιορίζουν την ανάπτυξη των κόκκων, ενώ οι επεξεργασίες supersolvus χάνουν αυτόν τον περιορισμό και επιτρέπουν στους κόκκους να αναπτυχθούν.

Πίνακας 3. Επεξεργασία διαλύματος Subsolvus έναντι supersolvus για κράματα δίσκων ενισχυμένα με γάμμα-πρώτο. Πηγές: Πρακτικά TMS Superalloys, μελέτες δίσκου της NASA και βιβλιογραφία διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας GE.

Η επεξεργασία Supersolvus ήταν κεντρική για την ανάπτυξη του René 88DT, όπου το χονδρότερο μέγεθος κόκκου που αναπτύχθηκε από την επεξεργασία διαλύματος supersolvus αναμενόταν να ωφελήσει τον ερπυσμό και το πρόγραμμα στόχευε σε μεγάλη μείωση του ρυθμού ανάπτυξης ρωγμών κόπωσης σε σύγκριση με το René 95. Η επεξεργασία Supersolvus αυτής της κατηγορίας κράματος μπορεί να παράγει χονδροειδή μεγέθη κόκκων για βελτιωμένη αντίσταση στο ASTM.

Ποια είναι η τυπική θερμική επεξεργασία για τα σφυρήλατα Inconel 718;

Το διάλυμα ανόπτεται στους περίπου 925–1010 βαθμούς που ακολουθείται από ταχεία ψύξη και, στη συνέχεια, ηλικία δύο σταδίων: 718 μοίρες για 8 ώρες, ψύξη σε φούρνο στους περίπου 620 βαθμούς, διατηρείται σε συνολικό χρόνο παλαίωσης 18 ωρών και μετά ψύχεται με αέρα. Διατηρώντας το βήμα του διαλύματος κάτω από το δέλτα solvus διατηρείται ο λεπτός κόκκος.

Πίνακας 4. Τυπικός κύκλος λύσης και γήρανσης του κράματος 718. Πηγές: φύλλα δεδομένων προμηθευτών που αναφέρονται στην πρακτική AMS 5662/5663. Ακολουθείτε πάντα τις ισχύουσες προδιαγραφές και την εντολή αγοράς.

Τα βήματα γήρανσης δεν αλλάζουν πολύ το μέγεθος των κόκκων, επειδή οι 718 βαθμοί και οι 620 μοίρες είναι πολύ κάτω από τις θερμοκρασίες του διαλύματος. Αυτό που κάνουν είναι να επισπεύδουν τις φάσεις ενίσχυσης ( ″ και ″). Επομένως, το μέγεθος των κόκκων καθορίζεται από τη διαδρομή σφυρηλάτησης και το βήμα της λύσης. η γήρανση τότε δίνει δύναμη.

Τι είναι η θερμική επεξεργασία διπλής μικροδομής και γιατί χρησιμοποιείται για δίσκους;

Η θερμική επεξεργασία διπλής μικροδομής δίνει σε έναν δίσκο ένα λεπτόκοκκο, υψηλής αντοχής οπή και ένα χονδρόκοκκο, ανθεκτικό στον ερπυσμό χείλος θερμαίνοντας τις δύο περιοχές σε διαφορετικές θερμοκρασίες σε σχέση με το solvus. Στοχεύει στην άρση του συμβιβασμού που ταιριάζει σε όλους.

Μια ομοιόμορφη θερμική επεξεργασία δίνει ένα ομοιόμορφο μέγεθος κόκκων σε όλο το δίσκο, είτε λεπτό είτε χοντρό, γεγονός που επιβάλλει έναν συμβιβασμό. Σε μια διπλή επεξεργασία, το χείλος φέρεται πάνω από το gamma prime solvus για να τραχύνει, ενώ η οπή διατηρείται κάτω από το solvus. Έρευνα για το προηγμένο κράμα δίσκων LSHR εξέτασε τις επιλογές subsolvus και supersolvus και αρκετές επιλογές διπλής δομής, σχεδιασμένες για να παρέχουν ένα λεπτόκοκκο, υψηλής αντοχής οπή και ένα χονδρόκοκκο, ανθεκτικό σε ερπυσμό χείλος.

Η μέθοδος έχει τη δική της πρόκληση: τη ζώνη μετάβασης μεταξύ λεπτών και χονδροειδών περιοχών. Οι ερευνητές της NASA έχουν μελετήσει τρόπους αποτυχίας κόπωσης στη ζώνη μετάβασης μεγέθους κόκκου ενός δίσκου διπλής μικροδομής και οι πατέντες θερμικής επεξεργασίας σημειώνουν έναν περαιτέρω κίνδυνο διαδικασίας, ότι μια θερμοκρασία οπής πολύ κάτω από το solvus μπορεί να υπεργηράσει το γάμμα prime και να ακυρώσει το όφελος. Η επεξεργασία διπλής μικροδομής απαιτεί ακριβή θερμικό έλεγχο και ενδελεχή δοκιμή.

Ποια ελαττώματα μπορεί να προκαλέσει ο κακός έλεγχος του μεγέθους των κόκκων;

Τα κύρια ελαττώματα είναι μη φυσιολογικοί χονδροειδείς κόκκοι (κρίσιμη ανάπτυξη κόκκων), μικτές ή λωρίδες δομές κόκκων, κατάφυτοι κόκκοι από υπερβολική θερμοκρασία διαλύματος και υπολειπόμενη καταπόνηση ή σβήσιμο ρωγμών, τα οποία μπορούν να μειώσουν τη διάρκεια ζωής της κόπωσης ή να κάνουν τα αποτελέσματα απρόβλεπτα.

Πίνακας 5. Συνήθη ελαττώματα που σχετίζονται με το μέγεθος των κόκκων σε σφυρηλάτηση υπερκράματος και πώς να τα αποτρέψετε.

Πώς πρέπει οι αγοραστές να προσδιορίζουν και να επαληθεύουν το μέγεθος των κόκκων;

Προσδιορίστε το κράμα και τις προδιαγραφές, το απαιτούμενο εύρος μεγέθους κόκκων ASTM E112 (και τυχόν μέγιστο επιτρεπόμενο χοντρό κόκκο), τις τοποθεσίες δοκιμής και τη διαδρομή θερμικής επεξεργασίας και, στη συνέχεια, απαιτήστε πιστοποιητικά και μεταλλογραφία που το αποδεικνύουν.

Το μέγεθος των κόκκων αναφέρεται στην κλίμακα ASTM E112, όπου μεγαλύτερος αριθμός σημαίνει λεπτότερος κόκκος. Ο παρακάτω πίνακας δίνει κατά προσέγγιση μέσες διαμέτρους κόκκων για τους αριθμούς που εμφανίζονται συνήθως σε σφυρηλάτηση υπερκράματος.

Πίνακας 6. Κατά προσέγγιση μετατροπές μεγέθους κόκκων ASTM E112.

Πίνακας 7. Λίστα ελέγχου αγοραστών για σφυρηλατήσεις υπερκράματος κρίσιμων για το μέγεθος κόκκων.

Συχνές Ερωτήσεις

Η παραμόρφωση σφυρηλάτησης δημιουργεί τους κόκκους, τα σωματίδια καρφίτσωσης (φάση δέλτα στο κράμα 718, χοντρό πρωτεύον γάμμα αστάρι σε κράματα δίσκου) τους συγκρατούν και η θερμοκρασία του διαλύματος σε σχέση με το solvus αποφασίζει εάν αυτά τα σωματίδια θα παραμείνουν ή θα διαλυθούν.

Τι είναι το delta solvus του Inconel 718;

Περίπου 1010–1020 μοίρες. Οι δημοσιευμένες τιμές κυμαίνονται ελαφρώς επειδή το solvus εξαρτάται από τον χρόνο, τη μορφολογία και την τοπική περιεκτικότητα σε νιόβιο. μια μελέτη αναφέρει μια υπολογισμένη τιμή ισορροπίας κοντά στις 1033 μοίρες και μια φαινόμενη τιμή κοντά στις 1020 μοίρες.

Τι είναι η θερμική επεξεργασία subsolvus έναντι supersolvus;

Το Subsolvus είναι επεξεργασία διαλύματος κάτω από το gamma prime solvus και δίνει λεπτούς κόκκους και καλύτερες ιδιότητες εφελκυσμού και κόπωσης. Το Supersolvus βρίσκεται πάνω από το solvus και δίνει χονδροειδείς κόκκους και καλύτερη αντοχή σε ερπυσμό και ανάπτυξη ρωγμών.

Γιατί να μην κάνετε κάθε κόκκο χοντρό για αντοχή στον ερπυσμό;

Οι χονδροειδείς κόκκοι χαμηλώνουν την αντοχή σε εφελκυσμό και την αντοχή σε κόπωση χαμηλού κύκλου, που έχουν σημασία στην ψυχρότερη, πολύ καταπονημένη οπή ενός δίσκου. Γι' αυτό υπάρχουν θεραπείες διπλής μικροδομής.

Ποια είναι η τυπική θερμική επεξεργασία για το Inconel 718;

Το διάλυμα ανόπτεται περίπου στους 925–1010 βαθμούς με ταχεία ψύξη, στη συνέχεια ωριμάζει στους 718 βαθμούς για 8 ώρες, ψύχεται στον φούρνο στους περίπου 620 βαθμούς, διατηρείται μέχρι τις 18 ώρες συνολικά και ψύχεται με αέρα.

Τι είναι η κρίσιμη ανάπτυξη σιτηρών;

Ασυνήθιστα χονδροειδείς κόκκοι που σχηματίζονται σε περιοχές κρίσιμης παραμόρφωσης μετά από θερμική επεξεργασία supersolvus κραμάτων σκόνης-μετάλλου όπως το René 88DT. Είναι γνωστός ο κίνδυνος σφυρηλάτησης και θερμικής επεξεργασίας που οι έλεγχοι επεξεργασίας έχουν σχεδιαστεί για να αποτρέπουν.