Op nikkel gebaseerde smeedstukken van superlegering: warmtebehandeling voor controle van de korrelgrootte in kritieke roterende onderdelen

Turbineschijven, compressorschijven, assen en rotorsmeedstukken draaien duizenden uren lang met hoge snelheid en hoge temperatuur. Een storing is geen lek; het is een catastrofale gebeurtenis. Bij deze onderdelen is de grootte van de metaalkorrels geen cosmetisch detail. Het bepaalt hoe het onderdeel bestand is tegen vermoeiingsscheuren, kruip en langzame scheurgroei. In deze gids wordt uitgelegd hoe warmtebehandeling de korrelgrootte bepaalt in smeedstukken op basis van nikkel, hoe de belangrijkste routes zich verhouden en wat kopers moeten specificeren en verifiëren.

De korrelgrootte bij een superlegeringssmeedstuk wordt bepaald door twee dingen die samenwerken: de geschiedenis van het heet bewerken waardoor de korrels ontstaan, en de temperatuur van de warmtebehandeling in verhouding tot de temperatuur waarbij de versterkende of vastzettende deeltjes oplossen. Door op te lossen onder die temperatuur blijven de korrels fijn (betere trek- en vermoeiingssterkte); Door erboven op te lossen, kunnen de korrels grof worden (betere weerstand tegen kruip- en verblijfscheurgroei). Behandelingen met dubbele microstructuur proberen elk deel van een schijf de korrelgrootte te geven die het nodig heeft.

Waarom is de korrelgrootte van belang bij kritieke roterende onderdelen?

Omdat fijne en grove korrels beschermen tegen verschillende faalwijzen. Fijne korrels geven een hogere treksterkte en een betere weerstand tegen vermoeidheid bij lage cycli; grove korrels geven een betere kruip- en verblijfsscheurgroeiweerstand bij hoge temperaturen. Geen enkele korrelgrootte is overal het beste in een roterend onderdeel.

Een korrel is een klein kristal. De grenzen tussen korrels zijn bij hoge temperaturen zwakke plekken, waar metaal langzaam langs kan vervormen (kruipen). Bij lagere temperaturen is het tegenovergestelde waar: grenzen blokkeren scheuren, dus meer grenzen (fijnere korrels) betekent een sterker, meer vermoeidheidsbestendig metaal. Een schijf heeft beide voorwaarden tegelijk. De boring (midden) is koeler en ondergaat hoge spanningscycli. De velg wordt heter en staat onder langdurige belasting.

Tabel 1. De wisselwerking tussen korrelgrootte in schijflegeringen, zoals beschreven in gepubliceerde literatuur over warmtebehandeling van gasturbineschijven.

Wat bepaalt de korrelgrootte in een op nikkel gebaseerd superlegeringsmeedwerk?

Drie hefbomen regelen dit: hoeveel en hoe heet het metaal wordt vervormd tijdens het smeden, welke deeltjes aanwezig zijn om de korrelgrenzen vast te leggen, en de uiteindelijke temperatuur van de oplossingsbehandeling ten opzichte van de solvus (de temperatuur waarbij die deeltjes oplossen).

Tijdens het smeden ontstaan ​​door vervorming nieuwe, kleine korrels door herkristallisatie. Bij latere verhitting hebben die korrels de neiging te groeien, omdat grote korrels minder grensoppervlak hebben en dus minder energie. Harde deeltjes die zich op de korrelgrenzen bevinden, fungeren als ankers en stoppen deze groei. InLegering 718de verankeringsfase is delta (δ); in poedermetaalschijflegeringen is het grove primaire gamma-prime ('). Zodra de warmtebehandelingstemperatuur het punt bereikt waarop de ankers oplossen, kunnen korrels snel groeien. Dit is de reden waarom de solvustemperatuur het belangrijkste getal is bij de controle van de korrelgrootte.

Hoe regelt de deltafase de korrelgrootte in Inconel 718?

Deltafase is een niobiumrijke fase die zich vormt op korrelgrenzen tussen ongeveer 800 en 1000 graden. Het geeft grenzen aan tijdens het smeden en de oplossingsbehandeling, zodat Alloy 718 fijnkorrelig blijft zolang de temperatuur van de oplossing onder de deltasolvus blijft, ongeveer 1010–1020 graden.

Vervalsers maken hier met opzet misbruik van. Bij "deltaverwerking" wordt het materiaal zodanig vastgehouden dat het voor en tijdens het smeden een deltafase neerslaat, zodat de korrels klein blijven als het onderdeel later wordt verwarmd. Gepubliceerde gegevens laten zien hoe gevoelig de korrelgrootte is voor temperatuur en delta-inhoud. In één onderzoek naar ultrafijnkorrelige 718 knuppels liet een oplossing van 1800 graden F (ongeveer 980 graden) gedurende 5 uur ongeveer 2,6% delta achter en gaf ASTM 9 korrelgrootte, terwijl 1850 graden F (ongeveer 1010 graden) gedurende 1 uur ongeveer 4,6% delta achterliet en ASTM 10 opleverde. In een afzonderlijke schijfstudie op volledige schaal produceerde de standaardoplossing bij 954 graden een uniforme ASTM 11–12 structuur in delta-verwerkt materiaal.

Tabel 2. Effect van oplossingstemperatuur en deltafase op de korrelgrootte van Legering 718. Bronnen: TMS Superalloys-procedures (1992, 2001) en patentliteratuur over warmtebehandeling van Alloy 718. ASTM-nummers zijn ASTM E112-korrelgroottenummers; hoger betekent fijner.

De afhaalmaaltijd is een afweging. De deltafase helpt de korrelgrootte vast te houden, maar bij korrelgrenzen kan het ook de ductiliteit en het spanningscorrosiegedrag beïnvloeden, dus sommige toepassingen lossen het opzettelijk op. Een gepubliceerd patent over weerstand tegen spanningscorrosie meldt dat gloeien boven de delta-solvus de grensdelta verwijderde, maar de korrels grover maakte van ASTM 8 naar ASTM 3. Dit is de reden waarom de oplossingstemperatuur voor de toepassing is gekozen en niet is gekopieerd uit een algemene tabel.

Wat is het verschil tussen Subsolvus en Supersolvus warmtebehandeling?

De behandeling met een Subsolvus-oplossing wordt uitgevoerd onder de gamma prime-solvus, laat grove primaire deeltjes achter die korrels vastzetten en geeft fijne korrels. De Supersolvus-behandeling wordt boven de solvus uitgevoerd, lost deze deeltjes op en laat de korrels grover worden. De eerste bevordert kracht en vermoeidheid; de tweede bevordert de weerstand tegen kruip- en scheurgroei.

Deze keuze is voornamelijk van toepassing op hooggelegeerde, gamma-prime-versterkte poeder-metaal schijflegeringen zoals René 88DT, waarvan de gamma prime solvus is gerapporteerd bij ongeveer 1110–1116 graden (2030–2040 graden F). Uit gepubliceerd werk over deze legeringen blijkt dat subsolvus-behandelingen ongeveer 10-20% van de grove primaire deeltjes vasthouden die de korrelgroei beperken, terwijl supersolvus-behandelingen deze beperking verliezen en de korrels laten groeien.

Tabel 3. Subsolvus versus supersolvus-oplossingsbehandeling voor gamma-prime-versterkte schijflegeringen. Bronnen: TMS Superalloys-procedures, NASA-schijfstudies en GE-patentliteratuur.

Supersolvus-verwerking stond centraal in de ontwikkeling van René 88DT, waarbij verwacht werd dat de grovere korrelgrootte, ontwikkeld door de supersolvus-oplossingsbehandeling, de kruip ten goede zou komen, en het programma gericht op een grote vermindering van de groeisnelheid van vermoeiingsscheuren in vergelijking met René 95. Supersolvus-behandeling van deze klasse van legering kan grove korrelgroottes produceren die ASTM 6 benaderen voor een betere weerstand tegen de groei van vermoeiingsscheuren.

Wat is de standaard warmtebehandeling voor Inconel 718 smeedstukken?

Oplossingsgloeien op ongeveer 925-1010 graden, gevolgd door snel afkoelen, vervolgens een tweestaps-veroudering: 718 graden gedurende 8 uur, ovenkoeling tot ongeveer 620 graden, vasthouden aan een totale verouderingstijd van 18 uur, daarna luchtkoeling. Door de oplossingsstap onder de deltasolvus te houden, blijven de fijne korrels behouden.

Tabel 4. Typische oplossing-en-verouderingscyclus van Alloy 718. Bronnen: gegevensbladen van leveranciers met verwijzing naar de praktijk van AMS 5662/5663. Volg altijd de geldende specificatie en inkooporder.

De verouderingsstappen veranderen de korrelgrootte niet veel, omdat 718 graden en 620 graden ruim onder de oplossingstemperaturen liggen. Wat ze doen is de versterkingsfasen ( ″ en ′) bespoedigen. De korrelgrootte wordt daarom bepaald door de smeedroute en de oplossingsstap; veroudering zorgt vervolgens voor kracht.

Wat is dubbele microstructuur-warmtebehandeling en waarom wordt het gebruikt voor schijven?

Een dubbele microstructuur-warmtebehandeling geeft een schijf een fijnkorrelige, zeer sterke boring en een grofkorrelige, kruipbestendige rand door de twee gebieden te verwarmen tot verschillende temperaturen ten opzichte van de solvus. Het is bedoeld om het one-grain-size-fits-all-compromis te elimineren.

Een uniforme warmtebehandeling geeft een uniforme korrelgrootte over de hele schijf, fijn of grof, wat een compromis dwingt. Bij een dubbele behandeling wordt de rand boven de gamma prime solvus gebracht om deze grover te maken, terwijl de boring onder de solvus wordt gehouden. Onderzoek naar de geavanceerde schijflegering LSHR onderzocht subsolvus- en supersolvus-opties en verschillende opties met dubbele structuur, ontworpen om een ​​fijnkorrelige, zeer sterke boring en een grofkorrelige, kruipbestendige velg te leveren.

De methode heeft zijn eigen uitdaging: de overgangszone tussen fijne en grove gebieden. NASA-onderzoekers hebben faalwijzen door vermoeidheid bestudeerd in de overgangszone van de korrelgrootte van een schijf met dubbele microstructuur, en octrooien op het gebied van warmtebehandeling wijzen op een verder procesrisico, namelijk dat een boringtemperatuur die te ver onder de solvus ligt, de gammaprime kan oververouderen en het voordeel teniet kan doen. Behandeling met dubbele microstructuur vereist nauwkeurige thermische controle en grondige tests.

Welke gebreken kunnen een slechte controle van de korrelgrootte veroorzaken?

De belangrijkste defecten zijn abnormale grove korrels (kritische korrelgroei), gemengde of gestreepte korrelstructuren, overwoekerde korrels door een te hoge oplossingstemperatuur en restspanning of quench-scheuren, die allemaal de levensduur van vermoeiing kunnen verkorten of de resultaten onvoorspelbaar kunnen maken.

Tabel 5. Veel voorkomende korrelgroottegerelateerde defecten in smeedstukken van superlegeringen en hoe deze te voorkomen.

Hoe moeten kopers de korrelgrootte specificeren en verifiëren?

Specificeer de legering en de geldende specificatie, het vereiste ASTM E112-korrelgroottebereik (en eventuele maximaal toegestane grove korrel), de testlocaties en de warmtebehandelingsroute, en verlang vervolgens certificaten en metallografie die dit bewijzen.

De korrelgrootte wordt weergegeven op de ASTM E112-schaal, waarbij een groter getal een fijnere korrel betekent. De onderstaande tabel geeft bij benadering de gemiddelde korreldiameters weer voor de getallen die vaak voorkomen in smeedstukken van superlegeringen.

Tabel 6. Geschatte ASTM E112-korrelgrootteconversies.

Tabel 7. Controlelijst voor kopers voor smeedstukken van superlegeringen die cruciaal zijn voor de korrelgrootte.

Veelgestelde vragen

Door vervorming door smeden ontstaan ​​de korrels, vastzettende deeltjes (deltafase in legering 718, grove primaire gamma-prime in schijflegeringen) houden ze tegen, en de temperatuur van de oplossing ten opzichte van de solvus bepaalt of die deeltjes blijven of oplossen.

Wat is de deltasolvus van Inconel 718?

Ongeveer 1010–1020 graden. De gepubliceerde waarden variëren enigszins omdat de solvus afhankelijk is van tijd, morfologie en lokaal niobiumgehalte; één studie rapporteert een berekende evenwichtswaarde nabij 1033 graden en een schijnbare waarde nabij 1020 graden.

Wat is subsolvus versus supersolvus warmtebehandeling?

Subsolvus is een oplossingsbehandeling onder de gamma prime-solvus en geeft fijne korrels en betere trek- en vermoeiingseigenschappen. Supersolvus staat boven de solvus en geeft grove korrels en een betere kruip- en scheurgroeiresistentie.

Waarom niet elke korrel grof maken voor kruipweerstand?

Grove korrels verlagen de treksterkte en de lage-cyclische vermoeiingssterkte, die van belang zijn bij de koelere, sterk belaste boring van een schijf. Dat is de reden waarom er behandelingen met dubbele microstructuur bestaan.

Wat is de standaard warmtebehandeling voor Inconel 718?

Oplossing uitgloeien rond 925-1010 graden met snelle afkoeling, vervolgens 8 uur laten rijpen op 718 graden, oven afkoelen tot ongeveer 620 graden, in totaal 18 uur vasthouden en aan de lucht afkoelen.

Wat is kritische graangroei?

Abnormaal grove korrels die zich vormen in gebieden met kritische spanning na supersolvus-warmtebehandeling van poeder-metaallegeringen zoals René 88DT. Het is een bekend risico op smeden en hittebehandeling, dat door de verwerkingscontroles moet worden voorkomen.