Odkovki iz superzlitin na osnovi niklja: Toplotna obdelava za nadzor velikosti zrn v kritičnih rotacijskih delih

Turbinski diski, kompresorski diski, gredi in odkovki rotorja se tisoče ur vrtijo pri visoki hitrosti in visoki temperaturi. Okvara ni puščanje; to je katastrofalen dogodek. Pri teh delih velikost kovinskih zrn ni kozmetična podrobnost. Odloča, kako je del odporen na razpoke zaradi utrujenosti, lezenje in počasno rast razpok. Ta priročnik pojasnjuje, kako toplotna obdelava določa velikost zrn v odkovkih iz superzlitin na osnovi niklja, kako se primerjajo glavne poti in kaj morajo kupci določiti in preveriti.

Velikost zrn v odkovku iz superzlitin določata dve stvari, ki delujeta skupaj: zgodovina vroče obdelave, ki ustvari zrna, in temperatura toplotne obdelave glede na temperaturo, pri kateri se delci ojačitve ali zapenjanja raztopijo. Raztapljanje pod to temperaturo ohranja fino zrnje (boljša natezna in utrujenostna trdnost); raztopina nad njim omogoča, da zrna postanejo groba (boljša odpornost proti lezenju in rasti bivalnih razpok). Obdelave z dvojno mikrostrukturo poskušajo dati vsakemu delu diska potrebno velikost zrn.

Zakaj je velikost zrn pomembna pri kritičnih rotacijskih delih?

Ker drobna in groba zrna ščitijo pred različnimi načini okvar. Drobna zrna zagotavljajo večjo natezno trdnost in boljšo odpornost proti nizkociklični utrujenosti; groba zrna zagotavljajo boljšo odpornost proti lezenju in rasti razpok pri visoki temperaturi. Nobena posamezna velikost zrn ni najboljša povsod v vrtečem se delu.

Zrno je droben kristal. Meje med zrni so pri visoki temperaturi šibke točke, kjer se kovina lahko počasi deformira (polzi) vzdolž njih. Pri nižji temperaturi je ravno nasprotno: meje blokirajo razpoke, zato več mej (finejših zrn) pomeni močnejšo kovino, ki je bolj odporna na utrujenost. Disk ima oba pogoja hkrati. Izvrtina (sredina) je hladnejša in prenaša visoke obremenitve. Platišče se bolj segreje in je pod dolgotrajno obremenitvijo.

Tabela 1. Kompromis glede velikosti zrn v zlitinah diskov, kot je opisano v objavljeni literaturi o toplotni obdelavi diskov plinskih turbin.

Kaj nadzira velikost zrn v kovanju iz superzlitine na osnovi niklja?

Upravljajo ga trije vzvodi: koliko in kako vroče je kovina deformirana med kovanjem, kateri delci so prisotni, da pritrdijo meje zrn, in končna temperatura obdelave raztopine glede na solvus (temperatura, pri kateri se ti delci raztopijo).

Med kovanjem deformacija ustvari nova, majhna zrna z rekristalizacijo. Med kasnejšim segrevanjem ta zrna rastejo, ker imajo velika zrna manjšo mejno površino in zato nižjo energijo. Trdi delci, ki sedijo na mejah zrn, delujejo kot sidra in ustavijo to rast. noterZlitina 718faza sidranja je delta (δ); v zlitinah kovinskega prahu je groba primarna gama praška ( ′). Ko temperatura toplotne obdelave preseže točko, kjer se sidra raztopijo, lahko zrna hitro rastejo. Zato je temperatura solvusa najpomembnejša številka pri nadzoru velikosti zrn.

Kako delta faza nadzira velikost zrn v Inconelu 718?

Delta faza je faza, bogata z niobijem, ki nastane na mejah zrn med približno 800 in 1000 stopinjami. Utrjuje meje med kovanjem in obdelavo z raztopino, tako da zlitina 718 ostane drobnozrnata, dokler je temperatura raztopine pod delta solvus, približno 1010–1020 stopinj.

Ponarejevalci to namerno izkoriščajo. Pri "delta obdelavi" se material zadrži, da izloči delta fazo pred in med kovanjem, tako da zrna ostanejo majhna, ko se del pozneje segreje. Objavljeni podatki kažejo, kako občutljiva je velikost zrn na temperaturo in vsebnost delta. V eni študiji ultra-finozrnate gredice 718 je raztopina 1800 stopinj F (približno 980 stopinj) za 5 ur pustila približno 2,6 % delta in dala velikost zrn ASTM 9, medtem ko je 1850 stopinj F (približno 1010 stopinj) za 1 uro pustila približno 4,6 % delta in dala ASTM 10. V ločeni študiji diska v polnem obsegu je standardna raztopina pri 954 stopinjah proizvede enotno strukturo ASTM 11–12 v delta obdelanem materialu.

Tabela 2. Vpliv temperature raztopine in delta faze na velikost zrn zlitine 718. Viri: zborniki TMS Superalloys (1992, 2001) in patentna literatura o toplotni obdelavi zlitine 718. Številke ASTM so številke velikosti zrn ASTM E112; višji pomeni boljši.

Odvoz je kompromis. Delta faza pomaga zadržati velikost zrn, vendar lahko na mejah zrn vpliva tudi na duktilnost in korozijsko obnašanje, zato jo nekatere aplikacije namerno raztopijo. Objavljeni patent o odpornosti na napetostno korozijo poroča, da je žarjenje nad delta solvusom odstranilo mejno delto, vendar groba zrna z ASTM 8 na ASTM 3. Zato je za aplikacijo izbrana temperatura raztopine, ne kopirana iz generične tabele.

Kakšna je razlika med toplotno obdelavo Subsolvus in Supersolvus?

Obdelava z raztopino Subsolvus poteka pod gama glavnim solvusom, pušča grobe primarne ′ delce, ki zataknejo zrna, in daje drobna zrna. Obdelava s supersolvusom se izvede nad solvusom, raztopi te delce in pusti, da zrna postanejo groba. Prvi daje prednost moči in utrujenosti; drugi daje prednost odpornosti proti lezenju in rasti razpok.

Ta izbira se nanaša predvsem na visoko legirane, z gama primarnim ojačenjem zlitine v prahu in kovinskih diskih, kot je René 88DT, katerega primarni solvus gama je bil zabeležen pri približno 1110–1116 stopinjah (2030–2040 stopinjah F). Objavljeno delo o teh zlitinah ugotavlja, da obdelave s subsolvusom zadržijo približno 10–20 % grobih primarnih delcev, ki omejujejo rast zrn, medtem ko obdelave s supersolvusom izgubijo to omejitev in omogočijo rast zrn.

Tabela 3. Obdelava z raztopino Subsolvus v primerjavi s Supersolvus za gama-prime utrjene diskaste zlitine. Viri: zborniki TMS Superalloys, študije diskov NASA in patentna literatura GE.

Obdelava Supersolvus je bila osrednjega pomena za razvoj René 88DT, kjer naj bi grobejša velikost zrn, ki se razvije z obdelavo z raztopino supersolvus, koristila lezenju, program pa je bil namenjen velikemu zmanjšanju stopnje rasti utrujenostnih razpok v primerjavi z René 95. Obdelava Supersolvus tega razreda zlitin lahko povzroči groba zrna, ki se približujejo ASTM 6 za izboljšano odpornost proti rasti utrujenostnih razpok.

Kakšna je standardna toplotna obdelava za odkovke Inconel 718?

Žarjenje v raztopini pri približno 925–1010 stopinjah, ki mu sledi hitro ohlajanje, nato staranje v dveh korakih: 718 stopinj za 8 ur, peč ohladi na približno 620 stopinj, vzdržuje skupni čas staranja 18 ur, nato ohladi na zraku. Ohranjanje stopnje raztopine pod delta solvus ohranja fino zrnatost.

Tabela 4. Tipični cikel raztopine in staranja zlitine 718. Viri: podatkovni listi dobaviteljev, ki se sklicujejo na prakso AMS 5662/5663. Vedno upoštevajte veljavne specifikacije in naročilnico.

Koraki staranja ne spremenijo veliko velikosti zrn, ker sta 718 stopinj in 620 stopinj precej pod temperaturami raztopine. Kar naredijo, je, da pospešijo faze krepitve ( ″ in ′). Velikost zrn je torej določena s potjo kovanja in korakom raztopine; staranje nato postavlja moč.

Kaj je dvojna mikrostrukturna toplotna obdelava in zakaj se uporablja za diske?

Toplotna obdelava z dvojno mikrostrukturo daje disku drobnozrnato izvrtino visoke trdnosti in grobo zrnat rob, odporen proti lezenju, s segrevanjem obeh območij na različne temperature glede na solvus. Njegov namen je odpraviti kompromis, da eno zrno ustreza vsem.

Enakomerna toplotna obdelava daje enakomerno velikost zrn po celotnem disku, fino ali grobo, kar zahteva kompromis. Pri dvojni obdelavi se rob dvigne nad gama prime solvus, da postane grobejši, medtem ko je izvrtina pod solvusom. Raziskava napredne zlitine diskov LSHR je preučila možnosti subsolvus in supersolvus ter več možnosti dvojne strukture, zasnovanih za zagotavljanje drobnozrnate izvrtine visoke trdnosti in grobozrnatega roba, odpornega proti lezenju.

Metoda ima svoj izziv: prehodno območje med finimi in grobimi regijami. NASA-ini raziskovalci so proučevali načine odpovedi zaradi utrujenosti v prehodnem območju velikosti zrn diska z dvojno mikrostrukturo in patenti toplotne obdelave opažajo dodatno tveganje procesa, da lahko temperatura izvrtine, ki je preveč pod solvusom, povzroči prekomerno staranje gama prime in izniči korist. Obdelava z dvojno mikrostrukturo zahteva natančen termični nadzor in temeljito testiranje.

Katere napake lahko povzroči slaba kontrola velikosti zrn?

Glavne napake so nenormalna groba zrna (kritična rast zrn), mešane ali trakaste zrnate strukture, preveč razraščena zrna zaradi previsoke temperature raztopine in preostale napetosti ali razpoke pri gašenju, kar lahko vse zmanjša življenjsko dobo zaradi utrujenosti ali naredi rezultate nepredvidljive.

Tabela 5. Pogoste napake v odkovkih iz superzlitin, povezane z velikostjo zrn, in kako jih preprečiti.

Kako naj kupci določijo in preverijo velikost zrn?

Določite zlitino in veljavne specifikacije, zahtevano območje velikosti zrn ASTM E112 (in katero koli največjo dovoljeno grobo zrnatost), preskusne lokacije in pot toplotne obdelave, nato zahtevajte certifikate in metalografijo, ki to dokazujejo.

Velikost zrn je navedena na lestvici ASTM E112, kjer večja številka pomeni bolj drobna zrna. Spodnja tabela podaja približne povprečne premere zrn za številke, ki jih običajno opazimo pri odkovkih iz superzlitin.

Tabela 6. Približne pretvorbe velikosti zrn ASTM E112.

Tabela 7. Kontrolni seznam kupca za odkovke iz superzlitin, kritičnih glede na velikost zrn.

Pogosto zastavljena vprašanja

Deformacija pri kovanju ustvari zrna, delci zapenjanja (delta faza v zlitini 718, grobi primarni gama prime v zlitinah diskov) jih zadržijo, temperatura raztopine glede na solvus pa odloči, ali ti delci ostanejo ali se raztopijo.

Kaj je delta solvus Inconela 718?

Približno 1010–1020 stopinj. Objavljene vrednosti se nekoliko razlikujejo, ker je solvus odvisen od časa, morfologije in lokalne vsebnosti niobija; ena študija poroča o izračunani ravnotežni vrednosti blizu 1033 stopinj in navidezni vrednosti blizu 1020 stopinj.

Kaj je subsolvus v primerjavi s toplotno obdelavo supersolvus?

Subsolvus je obdelava raztopine pod gama prime solvus in daje drobna zrna ter boljše natezne lastnosti in lastnosti utrujenosti. Supersolvus je nad solvusom in daje groba zrna ter boljšo odpornost proti lezenju in rasti razpok.

Zakaj ne bi bilo vsako zrno grobo za odpornost proti lezenju?

Groba zrna znižujejo natezno trdnost in nizkociklično utrujenost, ki sta pomembni pri hladnejši, zelo obremenjeni izvrtini diska. Zato obstajajo tretmaji z dvojno mikrostrukturo.

Kakšna je standardna toplotna obdelava za Inconel 718?

Raztopino žarimo okoli 925–1010 stopinj s hitrim ohlajanjem, nato staramo pri 718 stopinjah 8 ur, peč ohladimo na približno 620 stopinj, držimo do skupno 18 ur in ohladimo na zraku.

Kaj je kritična rast zrn?

Nenormalno groba zrna, ki nastanejo v območjih kritične obremenitve po supersolvus toplotni obdelavi zlitin v prahu in kovin, kot je René 88DT. Znano je, da je tveganje pri kovanju in toplotni obdelavi namenjeno preprečevanju nadzora obdelave.