Výkovky ze superslitiny na bázi niklu: Tepelné zpracování pro kontrolu velikosti zrna u kriticky rotujících dílů

Turbínové disky, kompresorové disky, hřídele a výkovky rotorů se točí vysokou rychlostí a vysokou teplotou po tisíce hodin. Porucha není únik; je to katastrofální událost. U těchto dílů není velikost kovových zrn kosmetickým detailem. Rozhoduje, jak díl odolává únavovým trhlinám, tečení a pomalému růstu trhlin. Tato příručka vysvětluje, jak tepelné zpracování nastavuje velikost zrna u výkovků ze superslitiny na bázi niklu, jak se porovnávají hlavní cesty a co by kupující měli specifikovat a ověřit.

Velikost zrna ve výkovku ze superslitiny je dána dvěma věcmi, které spolupracují: historií zpracování za tepla, která vytváří zrna, a teplotou tepelného zpracování ve vztahu k teplotě, při které se rozpouštějí zpevňující nebo zpevňovací částice. Roztok pod touto teplotou udržuje zrna jemná (lepší pevnost v tahu a únavě); řešení nad ním umožňuje zrnům zhrubnout (lepší odolnost proti růstu trhlin při tečení a setrvání). Dvojité mikrostrukturní úpravy se snaží dát každé části disku velikost zrna, kterou potřebuje.

Proč záleží na velikosti zrna u kriticky rotujících dílů?

Protože jemná a hrubá zrna chrání před různými způsoby selhání. Jemná zrna poskytují vyšší pevnost v tahu a lepší odolnost proti nízkocyklové únavě; hrubá zrna poskytují lepší odolnost proti tečení a setrvání při růstu trhlin při vysoké teplotě. Žádná jednotlivá velikost zrna není nejlepší všude v rotující části.

Zrnko je malý krystal. Hranice mezi zrny jsou slabá místa při vysoké teplotě, kde se kov může pomalu deformovat (tečení) podél nich. Při nižší teplotě je opak pravdou: hranice blokují trhliny, takže více hranic (jemnějších zrn) znamená pevnější kov odolnější proti únavě. Disk má obě podmínky najednou. Vývrt (střed) je chladnější a nese vysoké napěťové cykly. Ráfek se zahřívá více a sedí při trvalém zatížení.

Tabulka 1. Kompromis velikosti zrna ve slitinách disků, jak je popsáno v publikované literatuře o tepelném zpracování disků plynových turbín.

Co řídí velikost zrna u výkovku ze superslitiny na bázi niklu?

Řídí to tři páky: jak moc a jak horký je kov deformován během kování, které částice jsou přítomny na hranicích zrn, a konečná teplota zpracování roztoku vzhledem k solvu (teplota, při které se tyto částice rozpouštějí).

Při kování vznikají při deformaci rekrystalizací nová, malá zrna. Během pozdějšího zahřívání mají tato zrna tendenci růst, protože velká zrna mají menší hraniční plochu a tedy nižší energii. Tvrdé částice sedící na hranicích zrn fungují jako kotvy a zastavují tento růst. VSlitina 718fáze ukotvení je delta (δ); ve slitinách práškových kovů je to hrubé primární gama prvočíslo ( ′). Jakmile teplota tepelného zpracování překročí bod, kdy se kotvy rozpustí, zrna mohou rychle růst. To je důvod, proč je teplota solvusu nejdůležitějším číslem při kontrole velikosti zrna.

Jak Delta Phase řídí velikost zrn v Inconel 718?

Delta fáze je fáze bohatá na niob, která se tvoří na hranicích zrn mezi zhruba 800 a 1000 stupni. Během kování a zpracování v roztoku vytyčuje hranice, takže Alloy 718 zůstává jemnozrnná, dokud teplota roztoku zůstává pod delta solvus, asi 1010–1020 stupňů.

Padělatelé toho využívají záměrně. Při „delta zpracování“ je materiál před a během kování držen tak, aby vysrážel delta fázi, takže zrna zůstávají malá, když je díl později zahříván. Publikovaná data ukazují, jak citlivá je velikost zrna na teplotu a obsah delta. V jedné studii sochoru 718 s ultrajemnou zrnitostí roztok o teplotě 1800 stupňů F (asi 980 stupňů) po dobu 5 hodin zanechal asi 2,6 % delta a poskytl velikost zrna ASTM 9, zatímco 1850 stupňů F (asi 1010 stupňů) po dobu 1 hodiny zanechal asi 4,6 % delta a poskytl standardní diskový roztok ve studii a9 v plném měřítku 4 stupně ASTM 10 jednotná struktura ASTM 11–12 v materiálu zpracovaném delta.

Tabulka 2. Vliv teploty roztoku a delta fáze na velikost zrna slitiny 718. Zdroje: Sborník TMS Superalloys (1992, 2001) a patentová literatura o tepelném zpracování Alloy 718. Čísla ASTM jsou čísla velikosti zrna ASTM E112; vyšší znamená jemnější.

Jídlo s sebou je kompromisem. Delta fáze pomáhá udržet velikost zrna, ale na hranicích zrn může také ovlivnit tažnost a chování při namáhání a korozi, takže některé aplikace ji záměrně rozpouštějí. Publikovaný patent o odolnosti proti korozi pod napětím uvádí, že žíhání nad delta solvus odstranilo hraniční delta, ale zhrubla zrna z ASTM 8 na ASTM 3. To je důvod, proč je pro aplikaci zvolena teplota roztoku, nikoli zkopírována z obecné tabulky.

Jaký je rozdíl mezi tepelným zpracováním Subsolvus a Supersolvus?

Ošetření roztokem subsolvus se provádí pod primárním solvusem gama, zanechává hrubé primární ′ částice, které napichují zrna, a poskytují jemná zrna. Ošetření Supersolvusem se provádí nad solvusem, rozpouští tyto částice a nechává zrna zhrubnout. První podporuje sílu a únavu; druhý podporuje odolnost proti tečení a růstu trhlin.

Tato volba se týká hlavně vysoce legovaných, gama-primem zpevněných práškových-kovových diskových slitin, jako je René 88DT, jehož gama primární solvus bylo hlášeno při asi 1110–1116 stupních (2030–2040 stupních F). Publikovaná práce o těchto slitinách uvádí, že ošetření subsolvusem zadržuje zhruba 10–20 % hrubých primárních ′ částic, které omezují růst zrn, zatímco ošetření supersolvusem toto omezení ztrácí a umožňuje zrnům růst.

Tabulka 3. Úprava roztokem subsolvus versus supersolvus pro slitiny disků zesílených gama-primem. Zdroje: Sborník TMS Superalloys, diskové studie NASA a patentová literatura GE.

Zpracování Supersolvus bylo ústředním bodem vývoje René 88DT, kde se očekávalo, že hrubší velikost zrna vyvinutá ošetřením roztokem supersolvus bude přínosem pro tečení, a program byl zaměřen na velké snížení rychlosti růstu únavových trhlin ve srovnání s René 95. Ošetření této třídy slitiny Supersolvusem může produkovat hrubou velikost zrna blížící se ASTM 6 pro zlepšenou odolnost proti růstu únavových trhlin.

Jaké je standardní tepelné zpracování pro výkovky Inconel 718?

Rozpouštěcí žíhání při asi 925–1010 stupních následované rychlým ochlazením, poté dvoustupňovým stárnutím: 718 stupňů po dobu 8 hodin, ochlazení v peci na asi 620 stupňů, udržování na celkové době stárnutí 18 hodin, poté ochlazení vzduchem. Udržování kroku řešení pod delta solvus zachovává jemné zrno.

Tabulka 4. Typický cyklus řešení a stárnutí slitiny Alloy 718. Zdroje: datové listy dodavatele s odkazem na praxi AMS 5662/5663. Vždy dodržujte platné specifikace a nákupní objednávku.

Kroky stárnutí příliš nemění velikost zrna, protože 718 stupňů a 620 stupňů jsou hluboko pod teplotou roztoku. Co dělají, je urychlit posilovací fáze ( ″ a ′). Velikost zrna je tedy pevně dána kovací cestou a krokem řešení; stárnutí pak nastavuje sílu.

Co je tepelné zpracování s duální mikrostrukturou a proč se používá pro disky?

Tepelné zpracování s dvojitou mikrostrukturou dává disku jemnozrnný, vysoce pevný vývrt a hrubozrnný okraj odolný proti tečení zahřátím dvou oblastí na různé teploty vzhledem k solvu. Jeho cílem je odstranit kompromis typu one-grain-size-fits-all.

Jednotné tepelné zpracování poskytuje jednotnou velikost zrna v celém disku, jemné nebo hrubé, což vyžaduje kompromis. V duální úpravě je ráfek přiveden nad gama primární solvus, aby se zdrsnil, zatímco otvor je udržován pod solvus. Výzkum pokročilé diskové slitiny LSHR zkoumal možnosti subsolvus a supersolvus a několik možností duální struktury, které byly navrženy tak, aby poskytovaly jemnozrnný, vysoce pevný vývrt a hrubozrnný ráfek odolný proti tečení.

Tato metoda má svou vlastní výzvu: přechodovou zónu mezi jemnými a hrubými oblastmi. Výzkumníci NASA studovali režimy únavového selhání v přechodové zóně velikosti zrn disku s duální mikrostrukturou a patenty na tepelné zpracování upozorňují na další procesní riziko, že teplota vrtu příliš hluboko pod solvus může přestárnout gama primární a zrušit přínos. Duální mikrostrukturní úprava vyžaduje přesnou tepelnou kontrolu a důkladné testování.

Jaké vady může způsobit špatná kontrola velikosti zrna?

Hlavními defekty jsou abnormálně hrubá zrna (kritický růst zrn), smíšené nebo páskované struktury zrn, přerostlá zrna z nadměrné teploty roztoku a zbytkové pnutí nebo praskání po kalení, což vše může snížit únavovou životnost nebo způsobit nepředvídatelnost výsledků.

Tabulka 5. Běžné vady související se zrnitostí u výkovků z vysoce legovaných slitin a jak jim předcházet.

Jak by měli kupující určit a ověřit velikost zrna?

Specifikujte slitinu a řídící specifikaci, požadovaný rozsah zrnitosti ASTM E112 (a maximální přípustnou hrubou zrnitost), zkušební místa a cestu tepelného zpracování, poté požadujte certifikáty a metalografii, které to dokazují.

Velikost zrna se udává na stupnici ASTM E112, kde větší číslo znamená jemnější zrno. Níže uvedená tabulka uvádí přibližné průměrné průměry zrn pro čísla běžně pozorovaná u výkovků ze superslitiny.

Tabulka 6. Přibližné konverze velikosti zrn ASTM E112.

Tabulka 7. Kontrolní seznam kupujícího pro výkovky ze superslitiny kritické pro velikost zrna.

Často kladené otázky

Deformace kování vytváří zrna, přichycující částice (delta fáze ve slitině 718, hrubý primární gama základ ve slitinách disků) je zadržují a teplota roztoku vzhledem k solvu rozhoduje, zda tyto částice zůstanou nebo se rozpustí.

Jaký je delta solvus Inconel 718?

Asi 1010-1020 stupňů. Publikované hodnoty se mírně pohybují, protože solvus závisí na čase, morfologii a místním obsahu niobu; jedna studie uvádí vypočítanou rovnovážnou hodnotu blízko 1033 stupňů a zdánlivou hodnotu blízko 1020 stupňů.

Co je tepelné zpracování subsolvus versus supersolvus?

Subsolvus je roztoková úprava pod gama primárním solvusem a poskytuje jemná zrna a lepší tahové a únavové vlastnosti. Supersolvus je nad solvusem a poskytuje hrubá zrna a lepší odolnost proti tečení a růstu trhlin.

Proč nezdrsnit každé zrno kvůli odolnosti proti tečení?

Coarse grains lower tensile and low-cycle fatigue strength, which matter at the cooler, highly stressed bore of a disk. That is why dual-microstructure treatments exist.

Jaké je standardní tepelné zpracování pro Inconel 718?

Rozpouštěcí žíhání kolem 925–1010 stupňů s rychlým ochlazením, potom stárnutí při 718 stupních po dobu 8 hodin, ochlazení v peci na asi 620 stupňů, udržování celkem 18 hodin a chlazení vzduchem.

Co je kritický růst zrna?

Abnormálně hrubá zrna, která se tvoří v oblastech kritického namáhání po tepelném zpracování supersolvus slitin prášku a kovu, jako je René 88DT. Je to známé riziko kování a tepelného zpracování, kterému mají zabránit kontroly zpracování.