آهنگرهای سوپرآلیاژی مبتنی بر نیکل: عملیات حرارتی برای کنترل اندازه دانه در قطعات چرخان بحرانی

دیسک های توربین، دیسک های کمپرسور، شفت ها و فورجینگ های روتور با سرعت بالا و دمای بالا برای هزاران ساعت می چرخند. شکست نشت نیست. این یک رویداد فاجعه بار است. برای این قطعات، اندازه دانه های فلز یک جزئیات آرایشی نیست. این تصمیم می گیرد که قطعه چگونه در برابر ترک های ناشی از خستگی، خزش و رشد کند ترک مقاومت کند. این راهنما توضیح می‌دهد که چگونه عملیات حرارتی اندازه دانه را در آهنگری‌های سوپرآلیاژی مبتنی بر نیکل تعیین می‌کند، چگونه مسیرهای اصلی مقایسه می‌شوند، و خریداران باید چه چیزی را مشخص و تأیید کنند.

اندازه دانه در آهنگری سوپرآلیاژی با همکاری دو چیز تعیین می شود: تاریخچه گرم کاری که دانه ها را ایجاد می کند و دمای عملیات حرارتی نسبت به دمایی که در آن ذرات تقویت کننده یا سنجاق حل می شوند. محلول زیر آن دما دانه ها را خوب نگه می دارد (استحکام کششی و خستگی بهتر). محلول بالای آن باعث می شود دانه ها درشت رشد کنند (خزش بهتر و مقاومت در برابر رشد ترک حفظ شود). درمان‌های ریزساختاری دوگانه سعی می‌کنند به هر قسمت از دیسک اندازه دانه‌ای که نیاز دارد بدهد.

چرا اندازه دانه در قسمت های چرخان بحرانی مهم است؟

زیرا دانه های ریز و درشت در برابر حالت های مختلف شکست محافظت می کنند. دانه های ریز استحکام کششی بالاتر و مقاومت در برابر خستگی در چرخه پایین بهتری می دهند. دانه های درشت در دمای بالا مقاومت بهتری در برابر خزش و رشد ترک دارند. هیچ اندازه دانه ای در همه جای یک قسمت چرخان بهترین نیست.

دانه یک کریستال ریز است. مرزهای بین دانه ها نقاط ضعیفی در دمای بالا هستند، جایی که فلز می تواند به آرامی در امتداد آنها تغییر شکل دهد (خزش). در دمای پایین‌تر عکس این قضیه صادق است: مرزها ترک‌ها را مسدود می‌کنند، بنابراین مرزهای بیشتر (دانه‌های ریزتر) به معنای فلز قوی‌تر و مقاوم‌تر در برابر خستگی است. یک دیسک هر دو شرایط را به طور همزمان دارد. سوراخ (مرکز) خنک تر است و چرخه های تنش بالایی را حمل می کند. رینگ داغ تر می شود و تحت بار ثابت می نشیند.

جدول 1. معاوضه اندازه دانه در آلیاژهای دیسک، همانطور که در ادبیات عملیات حرارتی دیسک توربین گاز منتشر شده توضیح داده شده است.

چه چیزی اندازه دانه را در آهنگری سوپرآلیاژی مبتنی بر نیکل کنترل می کند؟

سه اهرم آن را کنترل می کنند: میزان و میزان داغی فلز در طول آهنگری تغییر شکل می دهد، کدام ذرات برای سنجاق کردن مرزهای دانه وجود دارد، و دمای عملیات محلول نهایی نسبت به solvus (دمایی که در آن آن ذرات حل می شوند).

در طول آهنگری، تغییر شکل با تبلور مجدد، دانه های جدید و کوچکی ایجاد می کند. در طول گرمایش دیرتر، آن دانه‌ها تمایل به رشد دارند، زیرا دانه‌های درشت سطح مرزی کمتری دارند و بنابراین انرژی کمتری دارند. ذرات سختی که روی مرزهای دانه نشسته اند مانند لنگر عمل می کنند و این رشد را متوقف می کنند. درآلیاژ 718فاز لنگر مثلث (δ) است. در آلیاژهای دیسک پودر-فلز، گامای اولیه درشت (') است. هنگامی که دمای عملیات حرارتی از نقطه حل شدن لنگرها عبور می کند، دانه ها می توانند به سرعت رشد کنند. به همین دلیل است که دمای solvus مهمترین عدد در کنترل اندازه دانه است.

فاز دلتا چگونه اندازه دانه را در Inconel 718 کنترل می کند؟

فاز دلتا یک فاز غنی از نیوبیم است که بر روی مرزهای دانه بین 800 تا 1000 درجه تشکیل می شود. در طول آهنگری و عملیات محلول، مرزها را پین می کند، بنابراین آلیاژ 718 تا زمانی که دمای محلول زیر حلال دلتا، حدود 1010 تا 1020 درجه، ریزدانه باقی می ماند.

جاعلان از این موضوع به عمد سوء استفاده می کنند. در "فرآوری دلتا"، مواد برای رسوب دادن فاز دلتا قبل و در حین آهنگری نگه داشته می شوند، به طوری که وقتی قطعه بعداً گرم می شود، دانه ها کوچک می مانند. داده های منتشر شده نشان می دهد که اندازه دانه چقدر به دما و محتوای دلتا حساس است. در یک مطالعه بر روی بیلت 718 با دانه بسیار ریز، محلول 1800 درجه فارنهایت (حدود 980 درجه) به مدت 5 ساعت حدود 2.6% دلتا باقی گذاشت و اندازه دانه ASTM 9 را داد، در حالی که 1850 درجه فارنهایت (حدود 1010 درجه) برای 1 ساعت، در حدود 4.6% مطالعه ASTM، مقدار دلتای کامل و 4.6% را نشان داد. محلول در 954 درجه یک ساختار یکنواخت ASTM 11-12 در مواد پردازش شده دلتا ایجاد کرد.

جدول 2. اثر دمای محلول و فاز دلتا بر اندازه دانه آلیاژ 718. منابع: رویه های TMS Super Alloys (1992، 2001) و ادبیات ثبت اختراع در مورد عملیات حرارتی آلیاژ 718. اعداد ASTM اعداد اندازه دانه ASTM E112 هستند. بالاتر یعنی ظریف تر

غذای آماده یک معامله است. فاز دلتا به حفظ اندازه دانه کمک می کند، اما در مرزهای دانه نیز می تواند بر شکل پذیری و رفتار تنش-خوردگی تأثیر بگذارد، بنابراین برخی از برنامه ها عمداً آن را حل می کنند. یک پتنت منتشر شده در مورد مقاومت در برابر خوردگی تنشی گزارش می‌دهد که بازپخت در بالای لایه دلتا، دلتای مرزی را حذف می‌کند اما دانه‌های درشت را از ASTM 8 به ASTM 3 می‌کند. به همین دلیل است که دمای محلول برای کاربرد انتخاب می‌شود، نه از یک جدول عمومی کپی می‌شود.

تفاوت بین عملیات حرارتی Subsolvus و Supersolvus چیست؟

درمان با محلول Subsolvus در زیر گاما اول solvus انجام می‌شود، ذرات درشت اولیه بر جای می‌گذارد که دانه‌ها را سنجاق می‌کنند و دانه‌های ریز می‌دهد. درمان Supersolvus در بالای solvus انجام می شود، آن ذرات را حل می کند و اجازه می دهد دانه ها درشت شوند. اولی به نفع قدرت و خستگی است. دوم به نفع خزش و مقاومت در برابر رشد ترک است.

این انتخاب عمدتاً در مورد آلیاژهای بسیار آلیاژی و تقویت شده با گاما-پرایم پودر-دیسک فلزی مانند René 88DT، که حلول اولیه گاما آن در حدود 1110-1116 درجه (2030-2040 درجه فارنهایت) گزارش شده است، اعمال می شود. کار منتشر شده روی این آلیاژها اشاره می‌کند که تیمارهای ساب سولفوس تقریباً 10 تا 20 درصد از ذرات درشت اولیه را حفظ می‌کنند که رشد دانه‌ها را محدود می‌کند، در حالی که تیمارهای supersolvus این محدودیت را از دست می‌دهند و به دانه‌ها اجازه رشد می‌دهند.

جدول 3. درمان با محلول Subsolvus در مقابل supersolvus برای آلیاژهای دیسک تقویت شده با پرایم گاما. منابع: مجموعه مقالات TMS Super Alloys، مطالعات دیسک ناسا، و متون ثبت اختراع جنرال الکتریک.

پردازش Supersolvus مرکزی برای توسعه René 88DT بود، جایی که انتظار می‌رفت اندازه دانه درشت‌تر توسعه‌یافته توسط تیمار محلول supersolvus برای خزش مفید باشد، و هدف برنامه کاهش زیادی در نرخ رشد ترک خستگی در مقایسه با René 95 بود. تیمار Supersolvus این کلاس از آلیاژ می‌تواند اندازه دانه‌های درشت را برای نزدیک شدن به ASTM-racki بهبود یافته ایجاد کند.

عملیات حرارتی استاندارد برای فورجینگ های Inconel 718 چیست؟

محلول را در حدود 925-1010 درجه آنیل می کنیم و سپس سرد می شود، سپس یک سن دو مرحله ای: 718 درجه به مدت 8 ساعت، در کوره خنک می شود تا حدود 620 درجه، زمان کل پیری 18 ساعت نگه می دارد، سپس هوا خنک می شود. نگه داشتن مرحله محلول در زیر دلتا solvus باعث حفظ دانه های ریز می شود.

جدول 4. چرخه محلول و سن آلیاژ معمولی 718. منابع: برگه های داده تامین کننده که به AMS 5662/5663 عمل می کند. همیشه از مشخصات حاکم و سفارش خرید پیروی کنید.

مراحل پیری اندازه دانه را زیاد تغییر نمی دهد، زیرا 718 درجه و 620 درجه بسیار پایین تر از دمای محلول هستند. کاری که آنها انجام می دهند این است که فازهای تقویت (″ و ") را رسوب می دهند. بنابراین اندازه دانه توسط مسیر آهنگری و مرحله حل ثابت می شود. پیری سپس قدرت را ایجاد می کند.

عملیات حرارتی ریزساختاری دوگانه چیست و چرا برای دیسک ها استفاده می شود؟

عملیات حرارتی ریزساختاری دوگانه با گرم کردن دو ناحیه در دماهای متفاوت نسبت به حلزون، به دیسک یک سوراخ ریز، با استحکام بالا و یک لبه درشت دانه مقاوم در برابر خزش می‌دهد. هدف آن حذف سازش یک دانه برای همه است.

یک عملیات حرارتی یکنواخت، اندازه دانه یکنواخت را در سراسر دیسک، ریز یا درشت می‌دهد، که باعث سازش می‌شود. در یک درمان دوگانه، لبه به بالای گاما اول solvus آورده می شود تا درشت شود، در حالی که سوراخ در زیر solvus نگه داشته می شود. تحقیقات روی آلیاژ دیسک پیشرفته LSHR گزینه‌های subsolvus و supersolvus و چندین گزینه ساختار دوگانه را مورد بررسی قرار داد که برای ارائه یک حفره ریز، با استحکام بالا و یک لبه درشت دانه و مقاوم در برابر خزش طراحی شده‌اند.

این روش چالش خاص خود را دارد: منطقه انتقال بین مناطق ریز و درشت. محققان ناسا حالت‌های شکست خستگی را در ناحیه انتقال اندازه دانه یک دیسک ریزساختاری دوگانه مورد مطالعه قرار داده‌اند، و پتنت‌های عملیات حرارتی به یک خطر بیشتر فرآیند اشاره می‌کنند، که دمای سوراخ بسیار پایین‌تر از solvus می‌تواند گاما پرایم را بیش از حد پیر کند و مزیت را لغو کند. درمان ریزساختاری دوگانه نیاز به کنترل حرارتی دقیق و آزمایش کامل دارد.

کنترل اندازه ضعیف دانه چه عیوبی می تواند ایجاد کند؟

عیوب اصلی عبارتند از دانه های درشت غیر طبیعی (رشد دانه بحرانی)، ساختار دانه های مخلوط یا نواری، دانه های رشد بیش از حد ناشی از دمای محلول بیش از حد، و تنش پسماند یا ترک ترک، که همگی می توانند عمر خستگی را کاهش دهند یا نتایج را غیرقابل پیش بینی کنند.

جدول 5. عیوب رایج مربوط به اندازه دانه در آهنگری های سوپرآلیاژی و نحوه جلوگیری از آنها.

خریداران چگونه باید اندازه دانه را مشخص و تأیید کنند؟

آلیاژ و مشخصات حاکم، محدوده اندازه دانه مورد نیاز ASTM E112 (و ​​هر دانه درشت حداکثر مجاز)، مکان‌های آزمایش و مسیر عملیات حرارتی را مشخص کنید، سپس به گواهی‌ها و متالوگرافی نیاز دارید که آن را ثابت کند.

اندازه دانه در مقیاس ASTM E112 گزارش شده است که در آن عدد بزرگتر به معنای دانه ریزتر است. جدول زیر میانگین تقریبی قطر دانه‌ها را برای اعدادی که معمولاً در آهنگری‌های سوپرآلیاژی مشاهده می‌شود، نشان می‌دهد.

جدول 6. تبدیل های تقریبی اندازه دانه ASTM E112.

جدول 7. چک لیست خریدار برای آهنگری های سوپرآلیاژی بحرانی با اندازه دانه.

سوالات متداول

تغییر شکل آهنگری دانه‌ها را ایجاد می‌کند، ذرات سنجاق‌شده (فاز دلتا در آلیاژ 718، گامای اولیه درشت در آلیاژهای دیسک) آنها را عقب نگه می‌دارد، و دمای محلول نسبت به حلال تعیین می‌کند که آیا آن ذرات بمانند یا حل شوند.

حل دلتای اینکونل 718 چیست؟

حدود 1010-1020 درجه. مقادیر منتشر شده کمی متفاوت است زیرا حل به زمان، مورفولوژی و محتوای نیوبیوم محلی بستگی دارد. یک مطالعه یک مقدار تعادل محاسبه شده را نزدیک به 1033 درجه و یک مقدار ظاهری نزدیک به 1020 درجه را گزارش می دهد.

عملیات حرارتی subsolvus در مقابل supersolvus چیست؟

Subsolvus درمان محلولی زیر گاما اول solvus است و دانه های ریز و خواص کششی و خستگی بهتری می دهد. Supersolvus بالاتر از solvus است و دانه های درشت و مقاومت در برابر خزش و رشد ترک را بهتر می کند.

چرا هر دانه را برای مقاومت در برابر خزش درشت نمی کنید؟

دانه‌های درشت استحکام کششی و خستگی در چرخه پایین را کاهش می‌دهند، که در سوراخ‌های خنک‌تر و بسیار تحت فشار دیسک اهمیت دارند. به همین دلیل است که درمان های ریزساختاری دوگانه وجود دارد.

عملیات حرارتی استاندارد برای Inconel 718 چیست؟

محلول در حدود 925-1010 درجه با سرد شدن سریع آنیل می شود، سپس در دمای 718 درجه به مدت 8 ساعت کهنه می شود، در کوره تا حدود 620 درجه خنک می شود، در مجموع تا 18 ساعت نگه می دارد و هوا خنک می شود.

رشد بحرانی دانه چیست؟

دانه‌های درشت غیرعادی که در نواحی کرنش بحرانی پس از عملیات حرارتی سوپرسولووس آلیاژهای پودر-فلز مانند René 88DT تشکیل می‌شوند. این یک خطر شناخته شده آهنگری و عملیات حرارتی است که کنترل های پردازش برای جلوگیری از آن طراحی شده اند.