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

Turbinski diskovi, diskovi kompresora, osovine i otkovci rotora se vrte velikom brzinom i visokom temperaturom hiljadama sati. Kvar nije curenje; to je katastrofalan događaj. Za ove dijelove, veličina zrna metala nije kozmetički detalj. Odlučuje kako je dio otporan na pukotine od zamora, puzanje i spori rast pukotina. Ovaj vodič objašnjava kako termička obrada određuje veličinu zrna u otkovcima od superlegura na bazi nikla, kako se glavne rute upoređuju i šta kupci trebaju specificirati i provjeriti.

Veličina zrna u kovanju od superlegure određena je dvjema stvarima koje rade zajedno: historijom vruće obrade koja stvara zrna i temperaturom toplinske obrade u odnosu na temperaturu na kojoj se otapaju čestice za ojačavanje ili pričvršćivanje. Rastvaranje ispod te temperature održava zrna finim (bolja vlačna i zamorna čvrstoća); rastvor iznad njega omogućava da zrna rastu grubo (bolja otpornost na rast puzanja i zadržavanja pukotina). Tretmani s dvostrukom mikrostrukturom pokušavaju svakom dijelu diska dati potrebnu veličinu zrna.

Zašto je veličina zrna bitna u kritičnim rotirajućim dijelovima?

Zato što 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 na visokoj temperaturi. Nijedna veličina zrna nije najbolja svuda u rotirajućem dijelu.

Zrno je sićušni kristal. Granice između zrna su slabe tačke na visokoj temperaturi, gde metal može polako da se deformiše (puza) duž njih. Na nižim temperaturama je suprotno: granice blokiraju pukotine, tako da više granica (sitnijih zrna) znači jači metal otporniji na zamor. Disk ima oba uslova odjednom. Provrt (centar) je hladniji i nosi visoke cikluse naprezanja. Obod je topliji i stoji pod stalnim opterećenjem.

Tabela 1. Zamjena veličine zrna u legurama diska, kao što je opisano u objavljenoj literaturi o toplinskoj obradi diskova plinskih turbina.

Šta kontrolira veličinu zrna u kovanju superlegura na bazi nikla?

Tri poluge ga kontrolišu: koliko i koliko vruće se metal deformiše tokom kovanja, koje su čestice prisutne na granicama zrna i konačna temperatura obrade rastvora u odnosu na solvus (temperatura na kojoj se te čestice rastvaraju).

Tokom kovanja, deformacija stvara nova, mala zrna rekristalizacijom. Prilikom kasnijeg zagrijavanja, ta zrna imaju tendenciju rasta, jer velika zrna imaju manju graničnu površinu i samim tim nižu energiju. Tvrde čestice koje sjede na granicama zrna djeluju kao sidra i zaustavljaju ovaj rast. ULegura 718faza sidrenja je delta (δ); u legurama diska od metala praha to je grubi primarni gama prajmer ( ′). Kada temperatura termičke obrade prođe tačku u kojoj se sidra rastvaraju, zrna mogu brzo rasti. Zbog toga je temperatura solvusa 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 stepeni. Pričvršćuje granice tokom kovanja i tretmana rastvorom, tako da legura 718 ostaje fino zrnasta sve dok temperatura rastvora ostaje ispod delta solvusa, oko 1010–1020 stepeni.

Falsifikatori to namjerno iskorištavaju. U "delta obradi", materijal se drži da istaloži delta fazu prije i tokom kovanja, tako da zrna ostaju mala kada se dio kasnije zagrije. Objavljeni podaci pokazuju koliko je veličina zrna osjetljiva na temperaturu i delta sadržaj. U jednoj studiji ultra-sitnog zrna 718 gredice, rastvor od 1800 stepeni F (oko 980 stepeni) tokom 5 sati ostavio je oko 2,6% delta i dao ASTM 9 veličinu zrna, dok je 1850 stepeni F (oko 1010 stepeni) za 1 sat ostavio oko 4,6% punu skalu diska, a odvojeno rešenje diska na skali je dalo odvojenu skalu od 4,6%-10. 954 stepena proizveo je uniformnu ASTM 11–12 strukturu u delta obrađenom materijalu.

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

Za poneti je kompromis. Delta faza pomaže u održavanju veličine zrna, ali na granicama zrna također može utjecati na duktilnost i ponašanje korozije pod naponom, tako da ga neke primjene namjerno rastvaraju. Objavljeni patent o otpornosti na koroziju pod naponom izvještava da je žarenje iznad delta solvusa uklonilo granična delta, ali gruba zrna od ASTM 8 do 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 rastvorom Subsolvus se vrši ispod gama prime solvusa, ostavlja grube primarne ′ čestice koje pričvršćuju zrna i daje fina zrna. Tretman Supersolvusom se vrši iznad solvusa, rastvara te čestice i pušta zrna da se ugrube. Prvi favorizuje snagu i umor; drugi favorizuje otpornost na puzanje i rast pukotina.

Ovaj izbor se uglavnom odnosi na visoko legirane, gama-prime ojačane legure metala u prahu kao što je René 88DT, čija je gama prime solvus prijavljena na oko 1110–1116 stepeni (2030–2040 stepeni F). Objavljeni rad na ovim legurama bilježi da tretmani subsolvus zadržavaju otprilike 10-20% grubih primarnih ′ čestica koje ograničavaju rast zrna, dok tretmani supersolvus gube ovo ograničenje i omogućavaju rastu zrna.

Tablica 3. Obrada otopinom Subsolvus u odnosu na supersolvus za legure diska ojačane gama-prime. Izvori: Zbornik radova TMS Superalloys, NASA studije diskova i GE patentna literatura.

Supersolvus obrada bila je ključna za razvoj René 88DT, gdje se očekivalo da će krupnija veličina zrna razvijena tretmanom otopinom supersolvus imati koristi od puzanja, a program je imao za cilj veliko smanjenje stope rasta pukotina od zamora u poređenju sa René 95. Supersolvus tretman ove klase legure može proizvesti krupnije veličine zrna za poboljšanje otpornosti rasta bušotine do ASTM d6.

Šta je standardna termička obrada za Inconel 718 otkovke?

Žarenje rastvora na oko 925–1010 stepeni, nakon čega sledi brzo hlađenje, zatim starenje u dva koraka: 718 stepeni tokom 8 sati, hlađenje u peći na oko 620 stepeni, držanje do ukupnog vremena starenja od 18 sati, zatim hlađenje na vazduhu. Održavanje koraka rastvora ispod delta solvusa čuva fino zrno.

Tabela 4. Tipični ciklus rastvora i starosti legure 718. Izvori: listovi sa podacima dobavljača koji se odnose na praksu AMS 5662/5663. Uvijek slijedite važeće specifikacije i narudžbenicu.

Koraci starenja ne menjaju mnogo veličinu zrna, jer su 718 stepeni i 620 stepeni znatno ispod temperature rastvora. Ono što oni rade je ubrzavanje faza jačanja ( ″ i ′). Veličina zrna je stoga fiksirana putem kovanja i koraka rješenja; starenje tada postavlja snagu.

Šta je termička obrada dvostruke mikrostrukture i zašto se koristi za diskove?

Dvostruka mikrostrukturna termička obrada daje disku fino zrnastog provrta visoke čvrstoće i ruba grubog zrna, otpornog na puzanje zagrijavanjem dvije regije na različite temperature u odnosu na solvus. Ima za cilj uklanjanje kompromisa o jednoj veličini zrna za sve.

Ujednačena termička obrada daje ujednačenu veličinu zrna po cijelom disku, bilo fino ili grubo, što dovodi do kompromisa. Kod dvostrukog tretmana, obod se dovodi iznad gama prime solvusa kako bi se grubo, dok se provrt drži ispod solvusa. Istraživanje napredne legure diska LSHR ispitalo je opcije subsolvusa i supersolvusa i nekoliko opcija dvostruke strukture, dizajnirane da isporuče fino zrnasto provrt visoke čvrstoće i rub sa grubim zrnom otpornim na puzanje.

Metoda ima svoj izazov: prelaznu zonu između finih i grubih područja. NASA-ini istraživači su proučavali načine kvara zbog zamora u zoni prijelaza veličine zrna diska s dvojnom mikrostrukturom, a patenti za termičku obradu primjećuju daljnji rizik procesa, da temperatura otvora previše ispod solvusa može prestarjeti gama prajmer i poništiti korist. Obrada dvostruke mikrostrukture zahtijeva preciznu termičku kontrolu i temeljito testiranje.

Koje nedostatke može uzrokovati loša kontrola veličine zrna?

Glavni defekti su abnormalna krupna zrna (kritični rast zrna), mješovite ili trakaste strukture zrna, obrasla zrna od previsoke temperature otopine i zaostalo naprezanje ili gašenje pucanja, što sve može smanjiti vijek trajanja ili učiniti rezultate nepredvidivim.

Tablica 5. Uobičajeni defekti vezani za veličinu zrna u otkovcima od superlegure i kako ih spriječiti.

Kako bi kupci trebali specificirati i provjeriti veličinu zrna?

Navedite leguru i mjerodavnu specifikaciju, traženi ASTM E112 raspon veličine zrna (i bilo koje maksimalno dozvoljeno krupno zrno), lokacije ispitivanja i put toplinske obrade, a zatim zahtijevajte certifikate i metalografiju koji to dokazuju.

Veličina zrna se navodi na ASTM E112 skali, gdje veći broj znači sitnije zrno. Tabela ispod daje približne prosječne prečnike zrna za brojeve koji se uobičajeno viđaju u otkovcima od superlegure.

Tabela 6. Približne konverzije veličine zrna ASTM E112.

Tabela 7. Kontrolna lista kupaca za otkovke od superlegure kritične veličine zrna.

Često postavljana pitanja

Deformacija kovanja stvara zrna, pričvrsne čestice (delta faza u leguri 718, grubi primarni gama prajmer u legurama diska) ih zadržavaju, a temperatura rastvora u odnosu na solvus odlučuje da li će te čestice ostati ili se rastvoriti.

Šta je delta solvus Inconela 718?

Oko 1010–1020 stepeni. Objavljene vrijednosti se neznatno kreću jer solvus ovisi o vremenu, morfologiji i lokalnom sadržaju niobija; jedna studija izveštava o izračunatoj vrednosti ravnoteže blizu 1033 stepena i prividnoj vrednosti blizu 1020 stepeni.

Šta je toplinska obrada subsolvus naspram supersolvus?

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

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

Krupna zrna smanjuju vlačnu i zamornu čvrstoću pri niskom ciklusu, što je bitno kod hladnijeg, visoko napregnutog provrta diska. Zbog toga postoje tretmani dvostruke mikrostrukture.

Koja je standardna termička obrada za Inconel 718?

Rastvor žarenje oko 925–1010 stepeni uz brzo hlađenje, zatim starenje na 718 stepeni 8 sati, hlađenje u peći na oko 620 stepeni, održavanje do ukupno 18 sati i hlađenje na vazduhu.

Šta je kritičan rast zrna?

Abnormalno gruba zrna koja se formiraju u područjima kritične deformacije nakon supersolvus termičke obrade legura metala praha kao što je René 88DT. Poznat je rizik kovanja i termičke obrade koji su kontrole obrade dizajnirane da spreče.