Отковци од суперлегуре на бази никла: топлотна обрада за контролу величине зрна у критичним ротирајућим деловима

Турбински дискови, дискови компресора, вратила и отковци ротора се окрећу великом брзином и високом температуром хиљадама сати. Неуспех није цурење; то је катастрофалан догађај. За ове делове, величина зрна метала није козметички детаљ. Одлучује како се део одупире напуклинама од замора, пузању и спором расту пукотина. Овај водич објашњава како термичка обрада одређује величину зрна у отковцима од суперлегура на бази никла, како се главне руте упоређују и шта купци треба да наведу и верификују.

Величина зрна у ковању од суперлегуре се поставља две ствари које раде заједно: историја вруће обраде која ствара зрна и температура термичке обраде у односу на температуру на којој се растварају честице ојачања или причвршћивања. Растварање испод те температуре одржава зрна финим (боља затезна и заморна чврстоћа); раствор изнад њега омогућава да зрна расту грубо (боља отпорност на раст пузања и задржавања пукотина). Третмани са двоструком микроструктуром покушавају да сваком делу диска дају величину зрна која му је потребна.

Зашто је величина зрна битна у критичним ротирајућим деловима?

Зато што фина и крупна зрна штите од различитих начина квара. Фина зрна дају већу затезну чврстоћу и бољу отпорност на замор ниског циклуса; крупна зрна дају боље пузање и отпорност на раст пукотина на високој температури. Ниједна величина зрна није најбоља свуда у ротирајућем делу.

Зрно је сићушни кристал. Границе између зрна су слабе тачке на високој температури, где метал може полако да се деформише (пузи) дуж њих. На нижим температурама је супротно: границе блокирају пукотине, тако да више граница (ситнијих зрна) значи јачи метал отпорнији на замор. Диск има оба услова одједном. Отвор (центар) је хладнији и носи велике циклусе напрезања. Обод се загрева и стоји под сталним оптерећењем.

Табела 1. Однос величине зрна у легурама дискова, као што је описано у објављеној литератури о термичкој обради дискова за гасне турбине.

Шта контролише величину зрна у ковању суперлегура на бази никла?

Три полуге га контролишу: колико и колико вруће се метал деформише током ковања, које честице су присутне да закаче границе зрна и коначну температуру обраде раствора у односу на солвус (температура на којој се те честице растварају).

Током ковања, деформација ствара нова, ситна зрна рекристализацијом. Током каснијег загревања, та зрна имају тенденцију раста, јер велика зрна имају мању граничну површину и самим тим нижу енергију. Тврде честице које седе на границама зрна делују као сидра и заустављају овај раст. ИнЛегура 718фаза сидрења је делта (δ); у диск легурама праха метала је груби примарни гама прајмер ( ′). Када температура топлотне обраде пређе тачку где се сидра растварају, зрна могу брзо да расту. Због тога је температура солвуса најважнији број у контроли величине зрна.

Како Делта фаза контролише величину зрна у Инцонел 718?

Delta phase is a niobium-rich phase that forms on grain boundaries between roughly 800 and 1000℃. It pins boundaries during forging and solution treatment, so Alloy 718 stays fine-grained as long as the solution temperature stays below the delta solvus, about 1010–1020℃.

Фалсификатори то намерно искоришћавају. У „делта обради“, материјал се држи да исталожи делта фазу пре и током ковања, тако да зрна остају мала када се део касније загреје. Објављени подаци показују колико је величина зрна осетљива на температуру и делта садржај. У једној студији ултра-фино зрнасте гредице 718, раствор од 1800 степени Ф (око 980 степени) током 5 сати оставио је око 2,6% делта и дао АСТМ 9 величину зрна, док је 1850 степени Ф (око 1010 степени) током 1 сата оставио око 4,6% пуну скалу на диску, а одвојено испитивање диска је дало 4,6% стандардне скале-10. 954 степена произвео је униформну АСТМ 11–12 структуру у делта обрађеном материјалу.

Табела 2. Утицај температуре раствора и делта фазе на величину зрна легуре 718. Извори: Зборник радова ТМС Супераллоис (1992, 2001) и патентна литература о топлотној обради легуре 718. АСТМ бројеви су АСТМ Е112 бројеви величине зрна; виши значи финији.

За понети је компромис. Делта фаза помаже у одржавању величине зрна, али на границама зрна такође може утицати на дуктилност и понашање корозије под напоном, тако да га неке апликације намерно растварају. Објављен патент о отпорности на корозију под напоном извештава да је жарење изнад делта солвуса уклонило гранична делта, али груба зрна од АСТМ 8 до АСТМ 3. Због тога је температура раствора изабрана за примену, а не копирана из генеричке табеле.

Која је разлика између Субсолвус и Суперсолвус топлотне обраде?

Третман раствором Субсолвус се врши испод гама приме солвуса, оставља грубе примарне ′ честице које причвршћују зрна и даје фина зрна. Третман Суперсолвусом се врши изнад солвуса, раствара те честице и дозвољава зрну да се угруби. Први фаворизује снагу и умор; други фаворизује отпорност на пузање и раст пукотина.

Овај избор се углавном односи на високо легиране, гама-приме ојачане легуре метала у праху као што је Рене 88ДТ, чији је гама приме солвус пријављен на око 1110–1116 степени (2030–2040 степени Ф). Објављени рад о овим легурама примећује да третмани субсолвусом задржавају отприлике 10–20% грубих примарних ′ честица које ограничавају раст зрна, док третмани суперсолвус губе ово ограничење и омогућавају зрну да расте.

Табела 3. Третман раствором Субсолвус у односу на суперсолвус за легуре диска ојачане гама-приме. Извори: Зборник радова ТМС Супераллоис, студије НАСА на диску и ГЕ патентна литература.

Суперсолвус обрада је била централна за развој Рене 88ДТ, где се очекивало да ће крупнија величина зрна развијена третманом раствора суперсолвус имати користи од пузања, а програм је имао за циљ велико смањење стопе раста прслина од замора у поређењу са Рене 95. Суперсолвус третман ове класе легуре може да произведе крупно зрно за повећање отпорности на раст бушотине до АСТМ д.

Шта је стандардна термичка обрада за Инцонел 718 отковке?

Жарење раствора на око 925–1010 степени, након чега следи брзо хлађење, а затим старење у два корака: 718 степени током 8 сати, хлађење у пећи на око 620 степени, укупно време старења од 18 сати, затим хлађење на ваздуху. Одржавање корака раствора испод делта солвуса чува фино зрно.

Табела 4. Типични циклус раствора и старости легуре 718. Извори: листови са подацима добављача који се односе на праксу АМС 5662/5663. Увек се придржавајте важећих спецификација и налога за куповину.

Кораци старења не мењају много величину зрна, јер су 718 степени и 620 степени знатно испод температуре раствора. Оно што они раде је да убрзавају фазе јачања ( ″ и ′). Величина зрна се стога одређује путем ковања и корака решења; старење затим поставља снагу.

Шта је топлотна обрада двоструке микроструктуре и зашто се користи за дискове?

Термичка обрада са двоструком микроструктуром даје диску фино зрнастог проврта велике чврстоће и руба грубог зрна, отпорног на пузање загревањем два региона на различите температуре у односу на солвус. Његов циљ је да уклони компромис „једна величина зрна за све“.

Уједначена топлотна обрада даје уједначену величину зрна по диску, било фину или грубу, што доводи до компромиса. У двоструком третману, обод се поставља изнад гама приме солвуса да би се грубо, док се отвор држи испод солвуса. Истраживање напредне легуре диска ЛСХР испитало је опције субсолвуса и суперсолвуса и неколико опција са двоструком структуром, дизајнираних да испоруче фино зрнасто отвор велике чврстоће и обод грубог зрна, отпоран на пузање.

Метода има свој изазов: прелазну зону између финих и грубих региона. НАСА истраживачи су проучавали начине квара због замора у зони прелаза величине зрна диска са двоструком микроструктуром, а патенти за термичку обраду примећују даљи ризик процеса, да температура отвора превише испод солвуса може да престари гама прајмер и поништи корист. Двострука микроструктурна обрада захтева прецизну термичку контролу и темељно тестирање.

Које недостатке може узроковати лоша контрола величине зрна?

Главни дефекти су абнормална крупна зрна (критични раст зрна), мешане или тракасте структуре зрна, обрасла зрна услед превисоке температуре раствора и заостали напон или угаси пуцање, што све може смањити век трајања замора или учинити резултате непредвидивим.

Табела 5. Уобичајени дефекти који се односе на величину зрна у отковцима од суперлегуре и како их спречити.

Како купци треба да одреде и провере величину зрна?

Наведите легуру и основну спецификацију, захтевани АСТМ Е112 опсег величине зрна (и било које максимално дозвољено крупно зрно), локације испитивања и пут термичке обраде, а затим захтевајте сертификате и металографију који то доказују.

Величина зрна је приказана на АСТМ Е112 скали, где већи број значи финије зрно. Табела испод даје приближне просечне пречнике зрна за бројеве који се обично виде у отковцима од суперлегура.

Табела 6. Приближне конверзије величине зрна АСТМ Е112.

Табела 7. Контролна листа купца за отковке од суперлегуре критичне величине зрна.

Често постављана питања

Деформација ковања ствара зрна, причврсне честице (делта фаза у легури 718, груби примарни гама прајмер у легурама диска) их задржавају, а температура раствора у односу на солвус одлучује да ли ће те честице остати или се растворити.

Шта је делта солвус Инцонела 718?

Око 1010–1020 степени. Објављене вредности се незнатно крећу јер солвус зависи од времена, морфологије и локалног садржаја ниобијума; једна студија наводи израчунату вредност равнотеже близу 1033 степена и привидну вредност близу 1020 степени.

Шта је топлотна обрада субсолвус у односу на суперсолвус?

Субсолвус је третман раствором испод гама приме солвуса и даје фина зрна и боља својства затезања и замора. Суперсолвус је изнад солвуса и даје груба зрна и бољу отпорност на пузање и раст пукотина.

Зашто свако зрно не би било грубо за отпорност на пузање?

Крупна зрна смањују затезну и заморну чврстоћу ниског циклуса, што је битно код хладнијег, високо напрегнутог отвора диска. Због тога постоје третмани са двоструком микроструктуром.

Шта је стандардна топлотна обрада за Инцонел 718?

Раствор жарити на око 925–1010 степени уз брзо хлађење, затим одлежати на 718 степени 8 сати, пећи охладити на око 620 степени, држати до укупно 18 сати и охладити на ваздуху.

Шта је критични раст зрна?

Абнормално груба зрна која се формирају у регионима критичног деформације након суперсолвус топлотне обраде легура метала у праху као што је Рене 88ДТ. Познат је ризик ковања и термичке обраде који су контроле обраде дизајниране да спрече.