Поковки зі суперсплавів на основі нікелю: термічна обробка для контролю розміру зерна в критично важливих обертових частинах

Диски турбіни, диски компресора, вали та поковки роторів обертаються з високою швидкістю та високою температурою протягом тисяч годин. Помилка – це не витік; це катастрофічна подія. Для цих деталей розмір зерна металу не є косметичною деталлю. Він вирішує, наскільки деталь протистоїть втомним тріщинам, повзучості та повільному росту тріщин. У цьому посібнику пояснюється, як термічна обробка встановлює розмір зерна в поковках із суперсплавів на основі нікелю, як порівнюються основні маршрути та що покупці повинні вказати та перевірити.

Розмір зерна в куванні суперсплаву визначається двома факторами, що працюють разом: історією гарячої обробки, яка створює зерна, і температурою термічної обробки відносно температури, при якій розчиняються частинки зміцнення або закріплення. Розчин при температурі нижче цієї температури зберігає дрібні зерна (краща міцність на розтягування та втомна міцність); розчин вище цього дозволяє зернам ставати грубими (краща повзучість і стійкість до росту тріщин). Обробка подвійною мікроструктурою намагається надати кожній частині диска необхідний розмір зерна.

Чому розмір зерна має значення для критично важливих обертових частин?

Тому що дрібні та крупні зерна захищають від різних видів поломки. Дрібне зерно забезпечує вищу міцність на розрив і кращу стійкість до низькоциклової втоми; грубі зерна забезпечують кращу повзучість і опір росту тріщин при високій температурі. Жоден розмір зерна не є найкращим скрізь у обертовій частині.

Зернина — крихітний кристалик. Межі між зернами є слабкими місцями при високій температурі, де метал може повільно деформуватися (повзати) уздовж них. При нижчій температурі все навпаки: межі блокують тріщини, тому більше меж (більш тонкі зерна) означає більш міцний метал, більш стійкий до втоми. Диск має обидві умови одночасно. Отвір (у центрі) холодніший і зазнає високих циклів напруги. Обід нагрівається сильніше і залишається під тривалим навантаженням.

Таблиця 1. Компроміс розміру зерен у дискових сплавах, як описано в опублікованій літературі про термічну обробку дисків газових турбін.

Що контролює розмір зерна в куванні суперсплаву на основі нікелю?

Три важелі контролюють це: наскільки і наскільки гарячий метал деформується під час кування, які частинки присутні, щоб закріпити межі зерен, і кінцеву температуру обробки розчину відносно сольвуса (температура, при якій ці частинки розчиняються).

Під час кування деформація створює нові дрібні зерна шляхом рекристалізації. Під час подальшого нагрівання ці зерна мають тенденцію до зростання, оскільки великі зерна мають меншу граничну площу і, отже, меншу енергію. Тверді частинки, що сидять на межах зерен, діють як якір і зупиняють це зростання. вСплав 718фаза закріплення - дельта (δ); у дискових сплавах з порошковим металом це грубий первинний гамма-штрих (′). Після того, як температура термічної обробки досягає точки, коли якорі розчиняються, зерна можуть швидко рости. Ось чому температура сольвусу є найважливішим числом у контролі розміру зерен.

Як дельта-фаза контролює розмір зерна в Inconel 718?

Дельта-фаза — це багата ніобієм фаза, яка утворюється на межі зерен приблизно між 800 і 1000 градусами. Він закріплює межі під час кування та обробки розчином, тому сплав 718 залишається дрібнозернистим до тих пір, поки температура розчину залишається нижче дельта розчину, приблизно 1010–1020 градусів.

Фальсифікатори використовують це навмисно. У «дельта-обробці» матеріал утримується для виділення дельта-фази до та під час кування, так що зерна залишаються дрібними, коли деталь пізніше нагрівається. Опубліковані дані показують, наскільки розмір зерна чутливий до температури та дельта-вмісту. В одному дослідженні наддрібнозернистої заготовки 718 розчин 1800 градусів за Фаренгейтом (приблизно 980 градусів) протягом 5 годин залишив приблизно 2,6% дельта і дав розмір зерна ASTM 9, тоді як 1850 градусів за Фаренгейтом (приблизно 1010 градусів) протягом 1 години залишив приблизно 4,6% дельта і дав ASTM 10. В окремому повномасштабному дослідженні диска стандартний розчин при 954 градусах утворено однорідну структуру ASTM 11–12 у дельта-обробленому матеріалі.

Таблиця 2. Вплив температури розчину та дельта-фази на розмір зерна сплаву 718. Джерела: провадження TMS Superalloys (1992, 2001) і патентна література про термообробку сплаву 718. Номери ASTM – це числа розміру зерна ASTM E112; вище означає краще.

Винос - це компроміс. Дельта-фаза допомагає утримувати розмір зерен, але на межах зерен вона також може впливати на пластичність і корозійну поведінку під напругою, тому в деяких програмах її навмисно розчиняють. В опублікованому патенті на корозійну стійкість під напругою повідомляється, що відпал над дельта-сольвусом видаляє граничну дельту, але укрупнює зерна від ASTM 8 до ASTM 3. Ось чому температура розчину вибирається для застосування, а не копіюється із загальної таблиці.

Яка різниця між термічною обробкою Subsolvus і Supersolvus?

Обробка розчином Subsolvus проводиться нижче гамма-основного розчину, залишає грубі первинні частинки, які закріплюють зерна, і дає дрібні зерна. Обробка Supersolvus проводиться над сольвусом, розчиняє ці частинки та дозволяє зернам укрупніти. Перший сприяє силі і втомі; другий сприяє стійкості до повзучості та росту тріщин.

Цей вибір стосується головним чином високолегованих, зміцнених гамма-прим зміцнення порошкових металевих дискових сплавів, таких як René 88DT, чия гамма-первинна розчинність, як повідомляється, становить приблизно 1110–1116 градусів (2030–2040 градусів F). Опублікована робота про ці сплави зазначає, що обробки subsolvus зберігають приблизно 10–20% грубих первинних частинок, які обмежують ріст зерен, тоді як обробки supersolvus втрачають це обмеження та дозволяють зернам рости.

Таблиця 3. Обробка розчином Subsolvus проти Supersolvus для гамма-прайм-зміцнених дискових сплавів. Джерела: матеріали TMS Superalloys, дослідження дисків NASA та патентна література GE.

Обробка Supersolvus була центральною у розробці René 88DT, де більш грубий розмір зерна, отриманий шляхом обробки розчином supersolvus, мав сприяти повзучості, а програма була спрямована на значне зниження швидкості росту втомної тріщини порівняно з René 95. Обробка Supersolvus цього класу сплавів може отримати грубі розміри зерна, що наближаються до ASTM 6 для покращеної стійкості до росту стійких втомних тріщин.

Яка стандартна термічна обробка для поковок з інконелю 718?

Відпал розчину при температурі приблизно 925–1010 градусів, потім швидке охолодження, потім двоетапна витримка: 718 градусів протягом 8 годин, піч охолоджується приблизно до 620 градусів, витримується до загального часу старіння 18 годин, потім охолоджується на повітрі. Підтримуючи ступінь розчину нижче дельта розчину, зберігається дрібне зерно.

Таблиця 4. Типовий цикл розчинення та старіння сплаву 718. Джерела: аркуші даних постачальника з посиланням на практику AMS 5662/5663. Завжди дотримуйтесь чинних специфікацій і замовлення на придбання.

Етапи старіння не сильно змінюють розмір зерна, тому що 718 градусів і 620 градусів значно нижчі за температури розчину. Те, що вони роблять, це прискорюють фази зміцнення (″ і ′). Розмір зерна, таким чином, фіксується маршрутом кування та кроком розчину; старіння потім надає сили.

Що таке термічна обробка подвійної мікроструктури і чому вона використовується для дисків?

Термічна обробка подвійної мікроструктури надає диску дрібнозернистий високоміцний отвір і грубозернистий обідок, стійкий до повзучості, завдяки нагріванню двох областей до різних температур відносно розчину. Він спрямований на усунення компромісу «єдиний розмір підходить для всіх».

Рівномірна термічна обробка забезпечує однорідний розмір зерна по всьому диску, дрібне або грубе, що вимагає компромісу. При подвійній обробці край височіє над гамма-основним розчином, щоб зробити його грубішим, тоді як отвір залишається нижче розчину. Дослідження вдосконаленого дискового сплаву LSHR досліджували варіанти subsolvus і supersolvus, а також кілька варіантів подвійної структури, призначених для отримання дрібнозернистого високоміцного отвору та грубозернистого обода, стійкого до повзучості.

У методу є своя проблема: перехідна зона між дрібними та грубими областями. Дослідники NASA вивчили режими втомного руйнування в перехідній зоні розміру зерна диска з подвійною мікроструктурою, і патенти на термічну обробку відзначають додатковий ризик процесу, оскільки температура отвору, яка є занадто нижчою від сольвуса, може призвести до перестарювання гамма-прайму та скасувати переваги. Обробка подвійною мікроструктурою вимагає точного термічного контролю та ретельного тестування.

До яких дефектів може призвести поганий контроль розміру зерна?

Основними дефектами є ненормальне грубе зерно (критичний ріст зерна), змішана або смугаста зерниста структура, перерослі зерна через надмірну температуру розчину та залишкова напруга або розтріскування загартовування, усі вони можуть зменшити термін служби втоми або зробити результати непередбачуваними.

Таблиця 5. Поширені дефекти, пов’язані з розміром зерна, у поковках із суперсплаву та способи їх запобігання.

Як покупцям вказувати та перевіряти розмір зерна?

Укажіть сплав і керівну специфікацію, необхідний діапазон розміру зерна ASTM E112 (і будь-яке максимально допустиме грубе зерно), місця випробувань і шлях термічної обробки, а потім вимагайте сертифікатів і металографії, які це підтверджують.

Розмір зерна вказується за шкалою ASTM E112, де більше число означає більш дрібне зерно. У наведеній нижче таблиці наведено приблизні середні діаметри зерна для чисел, які зазвичай спостерігаються в поковках із суперсплавів.

Таблиця 6. Приблизні перетворення розміру зерна ASTM E112.

Таблиця 7. Контрольний список покупця для поковок зі суперсплаву, критичних за розміром зерна.

Часті запитання

Деформація кування створює зерна, закріплюючі частинки (дельта-фаза в сплаві 718, груба первинна гама-прайм у дискових сплавах) утримують їх, а температура розчину відносно розчину вирішує, залишаються ці частинки чи розчиняються.

Що таке дельта-сольвус Inconel 718?

Приблизно 1010–1020 градусів. Опубліковані значення незначно коливаються, оскільки сольвус залежить від часу, морфології та місцевого вмісту ніобію; одне дослідження повідомляє про розраховане рівноважне значення близько 1033 градусів і видиме значення близько 1020 градусів.

Що таке теплова обробка subsolvus проти supersolvus?

Subsolvus — це обробка розчином нижче гамма-основного solvus і забезпечує дрібне зерно та кращі властивості на розтягування та втому. Supersolvus знаходиться вище solvus і забезпечує грубе зерно та кращу стійкість до повзучості та росту тріщин.

Чому б не зробити кожне зерно грубим для опору повзучості?

Грубе зерно знижує міцність на розтяг і малоциклову втому, що має значення для більш холодного, сильно напруженого отвору диска. Ось чому існують методи обробки з подвійною мікроструктурою.

Яка стандартна термічна обробка для Inconel 718?

Розчин відпалюють приблизно до 925–1010 градусів із швидким охолодженням, потім витримують при 718 градусах протягом 8 годин, охолоджують піч приблизно до 620 градусів, витримують до 18 годин загалом і охолоджують на повітрі.

Що таке критичний ріст зерна?

Аномально грубі зерна, які утворюються в областях критичної деформації після суперсолвусної термічної обробки металевих порошкових сплавів, таких як René 88DT. Це відомий ризик, пов’язаний із куванням і термічною обробкою, для запобігання якому призначені засоби контролю.