Odkuwki z nadstopów na bazie niklu: obróbka cieplna w celu kontroli wielkości ziaren w krytycznych częściach obrotowych

Tarcze turbin, tarcze sprężarek, wały i odkuwki wirników wirują z dużą prędkością i wysoką temperaturą przez tysiące godzin. Awaria nie jest wyciekiem; jest to wydarzenie katastrofalne. W przypadku tych części wielkość ziaren metalu nie jest detalem kosmetycznym. Decyduje o tym, jak część jest odporna na pęknięcia zmęczeniowe, pełzanie i powolny wzrost pęknięć. W tym przewodniku wyjaśniono, w jaki sposób obróbka cieplna wpływa na wielkość ziaren w odkuwkach nadstopów na bazie niklu, porównanie głównych tras oraz co powinni określić i zweryfikować kupujący.

Wielkość ziarna w odkuwce nadstopowej jest ustalana przez dwie współpracujące rzeczy: historię obróbki na gorąco, w wyniku której powstają ziarna, oraz temperaturę obróbki cieplnej w stosunku do temperatury, w której rozpuszczają się cząstki wzmacniające lub unieruchamiające. Roztwór poniżej tej temperatury utrzymuje ziarno w porządku (lepsza wytrzymałość na rozciąganie i zmęczenie); rozwiązanie powyżej pozwala ziarnom rosnąć grubo (lepsza odporność na pękanie pełzające i zalegające). Obróbka podwójnej mikrostruktury ma na celu nadanie każdej części dysku wymaganej wielkości ziaren.

Dlaczego wielkość ziarna ma znaczenie w krytycznych częściach obrotowych?

Ponieważ drobne i grube ziarna chronią przed różnymi trybami awarii. Drobne ziarna zapewniają wyższą wytrzymałość na rozciąganie i lepszą odporność na zmęczenie niskocyklowe; grube ziarna zapewniają lepszą odporność na pełzanie i pękanie w wysokiej temperaturze. Żaden pojedynczy rozmiar ziarna nie jest najlepszy w każdym miejscu obracającej się części.

Ziarno to malutki kryształ. Granice między ziarnami to słabe punkty w wysokiej temperaturze, w których metal może powoli odkształcać się (pełzać) wzdłuż nich. W niższych temperaturach jest odwrotnie: granice blokują pęknięcia, więc więcej granic (drobniejsze ziarna) oznacza mocniejszy i bardziej odporny na zmęczenie metal. Na dysku występują oba warunki jednocześnie. Otwór (w środku) jest chłodniejszy i przenosi cykle dużych naprężeń. Obręcz nagrzewa się i wytrzymuje ciągłe obciążenie.

Tabela 1. Kompromis pod względem wielkości ziaren w stopach tarczowych, zgodnie z opisem w opublikowanej literaturze dotyczącej obróbki cieplnej tarcz turbin gazowych.

Co kontroluje wielkość ziarna w odkuwce nadstopu na bazie niklu?

Kontrolują to trzy dźwignie: stopień i temperatura odkształcenia metalu podczas kucia, jakie cząstki znajdują się na granicach ziaren oraz końcowa temperatura obróbki roztworu w stosunku do solvusu (temperatura, w której te cząstki rozpuszczają się).

Podczas kucia w wyniku odkształcenia powstają w wyniku rekrystalizacji nowe, drobne ziarna. Podczas późniejszego ogrzewania ziarna te mają tendencję do wzrostu, ponieważ duże ziarna mają mniejszą powierzchnię graniczną, a tym samym niższą energię. Twarde cząstki znajdujące się na granicach ziaren działają jak kotwice i zatrzymują ten wzrost. WStop 718faza zakotwiczenia to delta (δ); w stopach dyskowych z proszkami metali jest to gruba pierwotna liczba pierwsza gamma ( ′). Gdy temperatura obróbki cieplnej przekroczy punkt, w którym rozpuszczają się kotwice, ziarna mogą szybko rosnąć. Dlatego temperatura solvusu jest najważniejszą liczbą w kontroli wielkości ziarna.

W jaki sposób faza delta kontroluje wielkość ziarna w Inconelu 718?

Faza delta to faza bogata w niob, która tworzy się na granicach ziaren w temperaturze od około 800 do 1000 stopni. Ustala granice podczas kucia i obróbki przesycającej, dzięki czemu stop 718 pozostaje drobnoziarnisty, dopóki temperatura roztworu pozostaje poniżej delta solvus, około 1010–1020 stopni.

Fałszerze wykorzystują to celowo. W „obróbce delta” materiał jest utrzymywany w celu wytrącenia fazy delta przed kuciem i w jego trakcie, dzięki czemu ziarna pozostają małe, gdy część jest później podgrzewana. Opublikowane dane pokazują, jak wrażliwy jest rozmiar ziaren na temperaturę i zawartość delta. W jednym badaniu ultradrobnoziarnistego kęsa 718, roztwór o temperaturze 1800 stopni F (około 980 stopni) przez 5 godzin pozostawił około 2,6% delta i dał wielkość ziarna ASTM 9, podczas gdy 1850 stopni F (około 1010 stopni) przez 1 godzinę pozostawił około 4,6% delta i dał ASTM 10. W oddzielnym badaniu krążka na pełną skalę, roztwór standardowy wytworzył się w temperaturze 954 stopni jednolita struktura ASTM 11–12 z materiału poddanego obróbce delta.

Tabela 2. Wpływ temperatury roztworu i fazy delta na wielkość ziaren stopu 718. Źródła: Postępowanie TMS Superalloys (1992, 2001) i literatura patentowa dotycząca obróbki cieplnej stopu 718. Liczby ASTM to liczby wielkości ziaren ASTM E112; wyżej znaczy lepiej.

Jedzenie na wynos jest kompromisem. Faza delta pomaga utrzymać wielkość ziaren, ale na granicach ziaren może również wpływać na ciągliwość i zachowanie pod wpływem korozji naprężeniowej, dlatego w niektórych zastosowaniach celowo ją rozpuszcza. Opublikowany patent na odporność na korozję naprężeniową donosi, że wyżarzanie powyżej delta solvus usunęło deltę graniczną, ale gruboziarniste ziarna od ASTM 8 do ASTM 3. Dlatego do danego zastosowania wybierana jest temperatura roztworu, a nie kopiowana z ogólnej tabeli.

Jaka jest różnica między obróbką cieplną Subsolvus i Supersolvus?

Obróbka roztworem Subsolvus odbywa się poniżej solvus gamma prime, pozostawia grube pierwotne cząstki ′, które unieruchamiają ziarna i daje drobne ziarna. Obróbka Supersolvusem odbywa się powyżej solvusa, rozpuszcza te cząstki i pozwala na gruboziarniste ziarna. Pierwszy sprzyja sile i zmeczeniu; drugi sprzyja odporności na pełzanie i pękanie.

Wybór ten dotyczy głównie wysokostopowych, wzmocnionych promieniowaniem gamma stopów dyskowych z proszków metali, takich jak René 88DT, których solvus gamma prime opisano w temperaturze około 1110–1116 stopni (2030–2040 stopni F). W opublikowanych pracach dotyczących tych stopów zauważono, że obróbka subsolvusem zatrzymuje około 10–20% grubych pierwotnych cząstek ′, które ograniczają wzrost ziaren, podczas gdy obróbka supersolvus traci to ograniczenie i umożliwia wzrost ziaren.

Tabela 3. Obróbka roztworem subsolvus i supersolvus dla stopów dyskowych wzmocnionych promieniami gamma. Źródła: postępowanie TMS Superalloys, badania dysków NASA i literatura patentowa GE.

Przetwarzanie Supersolvus odegrało kluczową rolę w opracowaniu René 88DT, gdzie spodziewano się, że grubszy rozmiar ziaren uzyskany w wyniku obróbki roztworem supersolvus będzie korzystny dla pełzania, a program miał na celu duże zmniejszenie szybkości wzrostu pęknięć zmęczeniowych w porównaniu z René 95. Obróbka Supersolvus tej klasy stopu może dać gruboziarniste rozmiary zbliżone do ASTM 6, co zapewnia lepszą odporność na rozwój pęknięć zmęczeniowych w stanie spoczynku.

Jaka jest standardowa obróbka cieplna odkuwek Inconel 718?

Wyżarzanie rozpuszczające w temperaturze około 925–1010 stopni, następnie szybkie chłodzenie, następnie dwuetapowe starzenie: 718 stopni przez 8 godzin, schładzanie w piecu do około 620 stopni, utrzymywanie całkowitego czasu starzenia wynoszącego 18 godzin, następnie chłodzenie powietrzem. Utrzymywanie etapu roztworu poniżej delta solvus pozwala zachować drobne ziarno.

Tabela 4. Typowy cykl rozpuszczania i starzenia stopu 718. Źródła: arkusze danych dostawców odnoszące się do praktyki AMS 5662/5663. Zawsze postępuj zgodnie z obowiązującą specyfikacją i zamówieniem.

Etapy starzenia nie zmieniają znacząco wielkości ziaren, ponieważ temperatury 718 i 620 stopni są znacznie niższe od temperatur roztworu. Ich zadaniem jest wytrącanie faz wzmacniających (″ i ′). Dlatego wielkość ziarna jest ustalana na podstawie procesu kucia i etapu rozpuszczania; starzenie się wtedy daje siłę.

Co to jest obróbka cieplna o podwójnej mikrostrukturze i dlaczego jest stosowana w przypadku dysków?

Obróbka cieplna o podwójnej mikrostrukturze daje tarczy drobnoziarnisty otwór o wysokiej wytrzymałości i gruboziarnistą, odporną na pełzanie obręcz poprzez ogrzewanie tych dwóch obszarów do różnych temperatur w stosunku do solvusa. Ma na celu usunięcie kompromisu w postaci jednego ziarna, które pasuje do wszystkich.

Jednolita obróbka cieplna zapewnia jednakowy rozmiar ziaren na całej tarczy, drobne lub grube, co wymusza kompromis. W przypadku podwójnej obróbki obręcz jest umieszczana powyżej solvusa gamma prime w celu jej zgrubienia, podczas gdy otwór jest utrzymywany poniżej solvusu gamma. W badaniach nad zaawansowanym stopem tarczowym LSHR zbadano opcje subsolvus i supersolvus oraz kilka opcji o podwójnej strukturze, zaprojektowanych w celu zapewnienia drobnoziarnistego otworu o wysokiej wytrzymałości oraz gruboziarnistej, odpornej na pełzanie obręczy.

Metoda ma swoje własne wyzwanie: strefę przejściową między obszarami drobnymi i grubymi. Naukowcy z NASA badali tryby uszkodzeń zmęczeniowych w strefie przejścia wielkości ziarna dysku o podwójnej mikrostrukturze, a patenty dotyczące obróbki cieplnej zwracają uwagę na dalsze ryzyko procesowe, polegające na tym, że temperatura otworu zbyt daleko poniżej solvus może spowodować nadmierne starzenie się gamma prime i anulować korzyści. Obróbka o podwójnej mikrostrukturze wymaga precyzyjnej kontroli termicznej i dokładnych testów.

Jakie wady może powodować zła kontrola wielkości ziarna?

Głównymi defektami są nieprawidłowe gruboziarniste ziarna (krytyczny wzrost ziaren), mieszane lub pasmowe struktury ziaren, przerośnięte ziarna w wyniku nadmiernej temperatury roztworu oraz pęknięcia naprężeniowe lub pękanie po hartowaniu, a wszystko to może skrócić trwałość zmęczeniową lub sprawić, że wyniki będą nieprzewidywalne.

Tabela 5. Typowe wady związane z wielkością ziarna w odkuwkach nadstopów i sposoby ich zapobiegania.

W jaki sposób kupujący powinni określać i weryfikować wielkość ziarna?

Określ stop i obowiązującą specyfikację, wymagany zakres wielkości ziaren ASTM E112 (oraz wszelkie maksymalne dopuszczalne ziarna grube), lokalizacje testów i przebieg obróbki cieplnej, a następnie wymagaj potwierdzających to certyfikatów i metalografii.

Wielkość ziarna podawana jest w skali ASTM E112, gdzie większa liczba oznacza drobniejsze ziarno. Poniższa tabela podaje przybliżone średnie średnice ziaren dla liczb powszechnie spotykanych w odkuwkach z nadstopów.

Tabela 6. Przybliżone przeliczenia wielkości ziaren ASTM E112.

Tabela 7. Lista kontrolna nabywcy odkuwek z nadstopów o krytycznym znaczeniu dla wielkości ziarna.

Często zadawane pytania

Odkształcenie kuźnicze powoduje powstanie ziaren, cząstki unieruchamiające (faza delta w stopie 718, gruba pierwotna substancja gamma w stopach dyskowych) powstrzymują je, a temperatura roztworu w stosunku do solvusu decyduje o tym, czy cząstki te pozostaną, czy się rozpuszczą.

Jaka jest delta solvus Inconelu 718?

Około 1010–1020 stopni. Opublikowane wartości różnią się nieznacznie, ponieważ solvus zależy od czasu, morfologii i lokalnej zawartości niobu; jedno z badań podaje obliczoną wartość równowagi w pobliżu 1033 stopni i pozorną wartość w pobliżu 1020 stopni.

Czym jest obróbka cieplna subsolvus i supersolvus?

Subsolvus to obróbka roztworowa poniżej solvus gamma prime, dająca drobne ziarna oraz lepsze właściwości rozciągające i zmęczeniowe. Supersolvus znajduje się powyżej solvusa i daje grube ziarna oraz lepszą odporność na pełzanie i pękanie.

Dlaczego nie uczynić każdego ziarna grubym, aby zapewnić odporność na pełzanie?

Grube ziarna obniżają wytrzymałość na rozciąganie i zmęczenie niskocyklowe, które mają znaczenie w chłodniejszym, silnie obciążonym otworze tarczy. Dlatego istnieją zabiegi wykorzystujące podwójną mikrostrukturę.

Jaka jest standardowa obróbka cieplna Inconel 718?

Wyżarzanie roztworu w temperaturze około 925–1010 stopni z szybkim chłodzeniem, następnie starzenie w temperaturze 718 stopni przez 8 godzin, schładzanie w piecu do około 620 stopni, utrzymywanie łącznie do 18 godzin i schładzanie powietrzem.

Co to jest krytyczny wzrost ziarna?

Nienormalnie grube ziarna, które tworzą się w obszarach krytycznego odkształcenia po obróbce cieplnej supersolvus stopów metali proszkowych, takich jak René 88DT. Jest to znane ryzyko związane z kuciem i obróbką cieplną, któremu mają zapobiegać kontrole przetwarzania.