Penempaan Superalloy Berasaskan Nikel: Rawatan Haba untuk Kawalan Saiz Bijirin dalam Bahagian Berputar Kritikal

Cakera turbin, cakera pemampat, aci, dan penempaan rotor berputar pada kelajuan tinggi dan suhu tinggi selama beribu-ribu jam. Kegagalan bukan kebocoran; ia adalah satu peristiwa malapetaka. Untuk bahagian ini, saiz butiran logam bukanlah butiran kosmetik. Ia menentukan cara bahagian itu menahan rekahan keletihan, rayapan, dan pertumbuhan retakan yang perlahan. Panduan ini menerangkan cara rawatan haba menetapkan saiz butiran dalam penempaan superaloi berasaskan nikel, cara perbandingan laluan utama dan perkara yang harus ditentukan dan disahkan oleh pembeli.

Saiz butiran dalam penempaan aloi super ditetapkan oleh dua perkara yang berfungsi bersama: sejarah kerja panas yang menghasilkan butiran, dan suhu rawatan haba berbanding suhu di mana zarah pengukuhan atau penyematan terlarut. Penyelesaian di bawah suhu itu memastikan bijirin tetap halus (kekuatan tegangan dan keletihan yang lebih baik); penyelesaian di atasnya membolehkan bijirin tumbuh kasar (yang lebih baik menjalar dan menahan rintangan pertumbuhan retak). Rawatan dwi-struktur mikro cuba memberikan setiap bahagian cakera saiz butiran yang diperlukan.

Mengapa Saiz Bijian Penting dalam Bahagian Berputar Kritikal?

Kerana butiran halus dan kasar melindungi daripada mod kegagalan yang berbeza. Bijirin halus memberikan kekuatan tegangan yang lebih tinggi dan rintangan keletihan kitaran rendah yang lebih baik; butiran kasar memberikan rayapan yang lebih baik dan tahan pertumbuhan retak pada suhu tinggi. Tiada saiz butiran tunggal yang terbaik di mana-mana dalam bahagian berputar.

Bijirin adalah kristal kecil. Sempadan antara bijirin adalah bintik-bintik lemah pada suhu tinggi, di mana logam perlahan-lahan boleh berubah bentuk (merayap) di sepanjangnya. Pada suhu yang lebih rendah, sebaliknya adalah benar: sempadan menyekat keretakan, jadi lebih banyak sempadan (butiran yang lebih halus) bermakna logam yang lebih kuat dan lebih tahan letih. Cakera mempunyai kedua-dua syarat sekaligus. Lubang (tengah) lebih sejuk dan membawa kitaran tekanan tinggi. Rim berjalan lebih panas dan duduk di bawah beban yang berterusan.

Jadual 1. Pertukaran saiz butiran dalam aloi cakera, seperti yang diterangkan dalam literatur rawatan haba cakera turbin gas yang diterbitkan.

Apakah yang Mengawal Saiz Bijirin dalam Penempaan Superalloy Berasaskan Nikel?

Tiga tuas mengawalnya: berapa banyak dan berapa panas logam itu berubah bentuk semasa penempaan, zarah yang manakah hadir untuk menyematkan sempadan butiran, dan suhu rawatan penyelesaian akhir berbanding dengan solvus (suhu di mana zarah tersebut larut).

Semasa penempaan, ubah bentuk menghasilkan butiran baru yang kecil melalui penghabluran semula. Semasa pemanasan kemudian, bijirin tersebut cenderung untuk membesar, kerana bijirin besar mempunyai kawasan sempadan yang kurang dan oleh itu tenaga yang lebih rendah. Zarah keras yang duduk di sempadan bijian bertindak seperti sauh dan menghentikan pertumbuhan ini. DalamAloi 718fasa berlabuh ialah delta (δ); dalam aloi cakera serbuk logam ia adalah prima gamma primer kasar (′). Sebaik sahaja suhu rawatan haba melepasi titik di mana sauh larut, bijirin boleh tumbuh dengan cepat. Inilah sebabnya mengapa suhu solvus adalah nombor paling penting dalam kawalan saiz butiran.

Bagaimanakah Fasa Delta Mengawal Saiz Bijirin dalam Inconel 718?

Fasa delta ialah fasa kaya niobium yang terbentuk pada sempadan butiran antara kira-kira 800 dan 1000 darjah . Ia menyematkan sempadan semasa penempaan dan rawatan penyelesaian, jadi Alloy 718 kekal halus selagi suhu larutan kekal di bawah solvus delta, kira-kira 1010–1020 darjah .

Pemalsuan mengeksploitasi ini dengan sengaja. Dalam "pemprosesan delta," bahan dipegang untuk memendakan fasa delta sebelum dan semasa penempaan, supaya bijirin kekal kecil apabila bahagian itu dipanaskan kemudian. Data yang diterbitkan menunjukkan betapa sensitifnya saiz butiran kepada suhu dan kandungan delta. Dalam satu kajian billet ultra-halus 718, larutan 1800 darjah F (kira-kira 980 darjah ) selama 5 jam meninggalkan kira-kira 2.6% delta dan memberikan saiz butiran ASTM 9, manakala 1850 darjah F (kira-kira 1010 darjah ) selama 1 jam meninggalkan kira-kira 4.6% delta pada cakera 4.6% delta dan memberikan penyelesaian ASTM 10. menghasilkan struktur seragam ASTM 11–12 dalam bahan yang diproses delta.

Jadual 2. Kesan suhu larutan dan fasa delta ke atas saiz butiran Aloi 718. Sumber: prosiding TMS Superalloys (1992, 2001) dan literatur paten mengenai rawatan haba Alloy 718. Nombor ASTM ialah nombor saiz butiran ASTM E112; lebih tinggi bermakna lebih halus.

Bawa pulang adalah pertukaran. Fasa delta membantu menahan saiz butiran, tetapi pada sempadan butiran ia juga boleh menjejaskan kemuluran dan tingkah laku kakisan tegasan, jadi sesetengah aplikasi sengaja melarutkannya. Paten yang diterbitkan mengenai rintangan kakisan tegasan melaporkan bahawa penyepuhlindapan di atas delta solvus mengeluarkan delta sempadan tetapi butiran kasar daripada ASTM 8 hingga ASTM 3. Inilah sebabnya mengapa suhu larutan dipilih untuk aplikasi, bukan disalin daripada jadual generik.

Apakah Perbezaan Antara Rawatan Haba Subsolvus dan Supersolvus?

Rawatan larutan subsolvus dilakukan di bawah gamma prima solvus, meninggalkan zarah primer kasar yang menyematkan butiran, dan memberikan butiran halus. Rawatan supersolvus dilakukan di atas solvus, melarutkan zarah tersebut, dan membiarkan bijirin menjadi kasar. Yang pertama memihak kepada kekuatan dan keletihan; yang kedua memihak kepada rintangan pertumbuhan rayapan dan retak.

Pilihan ini terpakai terutamanya kepada aloi cakera serbuk logam gamma-prima-dikuatkan tinggi beraloi tinggi seperti René 88DT, yang solvus perdana gammanya telah dilaporkan pada kira-kira 1110–1116 darjah (2030–2040 darjah F). Kerja yang diterbitkan pada aloi ini menyatakan bahawa rawatan subsolvus mengekalkan kira-kira 10–20% zarah primer kasar ' yang menyekat pertumbuhan bijirin, manakala rawatan supersolvus kehilangan kekangan ini dan membenarkan bijirin berkembang.

Jadual 3. Rawatan larutan subsolvus lawan supersolvus untuk aloi cakera dikuatkan perdana gamma. Sumber: prosiding TMS Superalloys, kajian cakera NASA dan kesusasteraan paten GE.

Pemprosesan Supersolvus adalah teras kepada pembangunan René 88DT, di mana saiz butiran yang lebih kasar yang dibangunkan oleh rawatan larutan supersolvus dijangka memberi manfaat kepada rayapan, dan program ini bertujuan untuk pengurangan besar dalam kadar pertumbuhan retak lesu berbanding dengan René 95. Rawatan Supersolvus kelas aloi ini boleh menghasilkan saiz butiran kasar yang menghampiri ASTM 6 untuk ketahanan retak yang lebih baik untuk kekal lesu.

Apakah Rawatan Haba Standard untuk Penempaan Inconel 718?

Penyepuhlindapan penyelesaian pada kira-kira 925-1010 darjah diikuti dengan sejuk cepat, kemudian umur dua langkah: 718 darjah selama 8 jam, relau sejuk kepada kira-kira 620 darjah , tahan kepada jumlah masa penuaan 18 jam, kemudian udara sejuk. Mengekalkan langkah penyelesaian di bawah solvus delta mengekalkan butiran halus.

Jadual 4. Kitaran penyelesaian-dan-umur biasa aloi 718. Sumber: helaian data pembekal yang merujuk kepada amalan AMS 5662/5663. Sentiasa ikut spesifikasi yang mengawal dan pesanan pembelian.

Langkah-langkah penuaan tidak banyak mengubah saiz butiran, kerana 718 darjah dan 620 darjah adalah jauh di bawah suhu larutan. Apa yang mereka lakukan ialah mendakan fasa pengukuhan ( ″ dan ′). Oleh itu saiz bijian ditetapkan oleh laluan penempaan dan langkah penyelesaian; penuaan kemudian menetapkan kekuatan.

Apakah Rawatan Haba Struktur Mikro Dwi, dan Mengapa Ia Digunakan untuk Cakera?

Rawatan haba struktur mikro dwi memberikan cakera butiran halus, lubang kekuatan tinggi dan butiran kasar, rim kalis rayapan dengan memanaskan kedua-dua kawasan pada suhu berbeza berbanding solvus. Ia bertujuan untuk menghapuskan kompromi satu biji yang sesuai untuk semua.

Rawatan haba yang seragam memberikan saiz butiran yang seragam di seluruh cakera, sama ada halus atau kasar, yang memaksa kompromi. Dalam rawatan dwi, ​​rim dibawa ke atas solvus perdana gamma untuk mengasarnya, manakala lubang disimpan di bawah solvus. Penyelidikan ke atas aloi cakera termaju LSHR meneliti pilihan subsolvus dan supersolvus dan beberapa pilihan dwi-struktur, direka bentuk untuk menghasilkan lubang berbutir halus, berkekuatan tinggi dan rim kalis rayapan berbutir kasar.

Kaedah ini mempunyai cabaran tersendiri: zon peralihan antara kawasan halus dan kasar. Penyelidik NASA telah mengkaji mod kegagalan keletihan dalam zon peralihan saiz bijian bagi cakera dwistruktur mikro, dan paten rawatan haba mencatatkan risiko proses selanjutnya, bahawa suhu gerek yang terlalu jauh di bawah solvus boleh melebihi umur prima gamma dan membatalkan faedah. Rawatan dwi-struktur mikro memerlukan kawalan haba yang tepat dan ujian menyeluruh.

Apakah Kecacatan yang Boleh Disebabkan Kawalan Saiz Bijirin Yang Lemah?

Kecacatan utama ialah bijirin kasar yang tidak normal (pertumbuhan bijian kritikal), struktur bijirin bercampur atau berjalur, bijirin yang terlalu besar daripada suhu larutan yang berlebihan, dan tegasan sisa atau keretakan pelindapkejutan, yang kesemuanya boleh mengurangkan hayat keletihan atau membuat keputusan tidak dapat diramalkan.

Jadual 5. Kecacatan biasa berkaitan saiz bijian dalam penempaan aloi super dan cara mencegahnya.

Bagaimanakah Pembeli Harus Menentukan dan Mengesahkan Saiz Bijian?

Nyatakan aloi dan spesifikasi pentadbir, julat saiz butiran ASTM E112 yang diperlukan (dan sebarang butiran kasar maksimum yang dibenarkan), lokasi ujian dan laluan rawatan haba, kemudian memerlukan sijil dan metalografi yang membuktikannya.

Saiz bijian dilaporkan pada skala ASTM E112, di mana bilangan yang lebih besar bermakna bijirin yang lebih halus. Jadual di bawah memberikan anggaran diameter butiran purata untuk nombor yang biasa dilihat dalam penempaan aloi super.

Jadual 6. Anggaran penukaran saiz butiran ASTM E112.

Jadual 7. Senarai semak pembeli untuk penempaan superaloi kritikal saiz bijian.

Soalan Lazim

Memalsukan ubah bentuk menghasilkan butiran, menyematkan zarah (fasa delta dalam Aloi 718, prima gamma primer kasar dalam aloi cakera) menahannya, dan suhu larutan relatif kepada solvus menentukan sama ada zarah tersebut kekal atau larut.

Apakah delta solvus bagi Inconel 718?

Kira-kira 1010–1020 darjah . Nilai yang diterbitkan berjulat sedikit kerana solvus bergantung pada masa, morfologi dan kandungan niobium tempatan; satu kajian melaporkan nilai keseimbangan yang dikira berhampiran 1033 darjah dan nilai ketara berhampiran 1020 darjah .

Apakah rawatan haba subsolvus berbanding supersolvus?

Subsolvus ialah rawatan larutan di bawah solvus perdana gamma dan memberikan butiran halus serta sifat tegangan dan keletihan yang lebih baik. Supersolvus berada di atas solvus dan memberikan butiran kasar serta rintangan pertumbuhan rayapan dan retak yang lebih baik.

Mengapa tidak membuat setiap butir kasar untuk rintangan rayapan?

Butiran kasar merendahkan kekuatan kelesuan tegangan dan kitaran rendah, yang penting pada lubang cakera yang lebih sejuk dan bertekanan tinggi. Itulah sebabnya rawatan dwi-struktur mikro wujud.

Apakah rawatan haba standard untuk Inconel 718?

Penyepuhlindapan larutan sekitar 925–1010 darjah dengan penyejukan pantas, kemudian umur pada 718 darjah selama 8 jam, relau sejuk kepada kira-kira 620 darjah , tahan sehingga 18 jam jumlah, dan udara sejuk.

Apakah pertumbuhan bijirin kritikal?

Butiran kasar luar biasa yang terbentuk di kawasan terikan kritikal selepas rawatan haba supersolvus aloi serbuk-logam seperti René 88DT. Ia adalah risiko penempaan dan rawatan haba yang diketahui bahawa kawalan pemprosesan direka untuk mencegah.