Nikkelbasert superlegeringssmiing: varmebehandling for kontroll av kornstørrelse i kritiske roterende deler

Turbinskiver, kompressorskiver, aksler og rotorsmiing spinner med høy hastighet og høy temperatur i tusenvis av timer. En feil er ikke en lekkasje; det er en katastrofal hendelse. For disse delene er ikke størrelsen på metallets korn en kosmetisk detalj. Det bestemmer hvordan delen motstår utmattelsessprekker, kryp og langsom sprekkvekst. Denne veiledningen forklarer hvordan varmebehandling setter kornstørrelsen i nikkelbaserte superlegeringssmiinger, hvordan de viktigste rutene sammenlignes, og hva kjøpere bør spesifisere og verifisere.

Kornstørrelsen i en superlegeringssmiing bestemmes av to ting som fungerer sammen: den varmebearbeidende historien som skaper kornene, og varmebehandlingstemperaturen i forhold til temperaturen der de forsterkende eller festende partiklene løses opp. Løsning under den temperaturen holder korn fine (bedre strekk- og utmattelsesstyrke); løsning over det lar korn vokse grovt (bedre motstand mot kryp- og oppholdssprekkvekst). Behandlinger med dobbel mikrostruktur prøver å gi hver del av en disk den kornstørrelsen den trenger.

Hvorfor har kornstørrelsen betydning i kritiske roterende deler?

Fordi fine og grove korn beskytter mot forskjellige feilmoduser. Fine korn gir høyere strekkfasthet og bedre motstand mot utmatting ved lav syklus; grove korn gir bedre kryp- og oppholdssprekkvekstmotstand ved høy temperatur. Ingen enkelt kornstørrelse er best overalt i en roterende del.

Et korn er en liten krystall. Grensene mellom korn er svake punkter ved høy temperatur, hvor metall sakte kan deformeres (krype) langs dem. Ved lavere temperatur er det motsatte: grenser blokkerer sprekker, så flere grenser (finere korn) betyr et sterkere, mer tretthetsbestandig metall. En disk har begge forholdene samtidig. Boringen (sentrum) er kjøligere og bærer høye spenningssykluser. Felgen går varmere og sitter under vedvarende belastning.

Tabell 1. Avveiningen av kornstørrelse i skivelegeringer, som beskrevet i publisert litteratur om varmebehandling av gassturbinskiver.

Hva kontrollerer kornstørrelsen i en nikkelbasert superlegeringssmiing?

Tre spaker styrer det: hvor mye og hvor varmt metallet deformeres under smiing, hvilke partikler som er tilstede for å feste korngrensene, og den endelige løsningsbehandlingstemperaturen i forhold til solvus (temperaturen der disse partiklene løses opp).

Under smiing skaper deformasjon nye, små korn ved omkrystallisering. Under senere oppvarming har disse kornene en tendens til å vokse, fordi store korn har mindre grenseareal og derfor lavere energi. Harde partikler som sitter på korngrenser fungerer som ankere og stopper denne veksten. ILegering 718forankringsfasen er delta (δ); i pulver-metall skivelegeringer er det grov primær gamma prime ( ′). Når varmebehandlingstemperaturen passerer punktet der ankrene løses opp, kan korn vokse raskt. Dette er grunnen til at solvustemperaturen er det viktigste tallet i kornstørrelseskontroll.

Hvordan kontrollerer Delta Phase kornstørrelsen i Inconel 718?

Deltafase er en niob-rik fase som dannes på korngrenser mellom omtrent 800 og 1000 grader. Den fester grenser under smiing og løsningsbehandling, så Alloy 718 forblir finkornet så lenge løsningstemperaturen holder seg under delta solvus, omtrent 1010–1020 grader.

Forfalskere utnytter dette med vilje. I "delta-behandling" holdes materialet til å utfelle deltafase før og under smiing, slik at korn forblir små når delen senere varmes opp. Publiserte data viser hvor sensitiv kornstørrelse er for temperatur og deltainnhold. I en studie av ultrafinkornet 718 emne, ga en løsning på 1800 grader F (ca. 980 grader ) i 5 timer ca. 2,6 % delta og ga ASTM 9 kornstørrelse, mens 1850 grader F (ca. 1010 grader) i 1 time ga ca. 4,6 % delta og ga en separat standardløsning på 5 grader i ASTM 5-grad. enhetlig ASTM 11–12-struktur i delta-behandlet materiale.

Tabell 2. Effekt av løsningstemperatur og deltafase på Alloy 718 kornstørrelse. Kilder: TMS Superalloys prosess (1992, 2001) og patentlitteratur om Alloy 718 varmebehandling. ASTM-numre er ASTM E112-kornstørrelsestall; høyere betyr finere.

Takeawayen er en avveining. Deltafase hjelper til med å holde kornstørrelse, men ved korngrenser kan den også påvirke duktilitet og spenningskorrosjonsadferd, så noen applikasjoner løser den bevisst. Et publisert patent på spenningskorrosjonsmotstand rapporterer at gløding over delta solvus fjernet grensedelta, men forgrovde korn fra ASTM 8 til ASTM 3. Dette er grunnen til at løsningstemperaturen er valgt for applikasjonen, ikke kopiert fra en generisk tabell.

Hva er forskjellen mellom Subsolvus og Supersolvus varmebehandling?

Subsolvus løsningsbehandling gjøres under gamma prime solvus, etterlater grove primære ′ partikler som fester korn, og gir fine korn. Supersolvus-behandling gjøres over solvus, løser opp disse partiklene og lar korn grovere. Den første favoriserer styrke og tretthet; den andre favoriserer kryp- og sprekkvekstmotstand.

Dette valget gjelder hovedsakelig for svært legerte, gamma-prime-forsterkede pulver-metall skivelegeringer som René 88DT, hvis gamma prime solvus er rapportert ved omtrent 1110–1116 grader (2030–2040 grader F). Publisert arbeid med disse legeringene bemerker at subsolvus-behandlinger beholder omtrent 10–20% av grove primære ′-partikler som begrenser kornvekst, mens supersolvus-behandlinger mister denne begrensningen og lar kornene vokse.

Tabell 3. Subsolvus versus supersolvus løsningsbehandling for gamma-prime-forsterkede skivelegeringer. Kilder: TMS Superalloys-saker, NASA-diskstudier og GE patentlitteratur.

Supersolvus-prosessering var sentral i utviklingen av René 88DT, der den grovere kornstørrelsen utviklet ved supersolvus-løsningsbehandling var forventet å være til fordel for krypning, og programmet tok sikte på en stor reduksjon i tretthetssprekkeveksthastighet sammenlignet med René 95. Supersolvus-behandling av denne klassen legeringer kan gi grove kornstørrelser som nærmer seg ASTM 6-resistens mot dwell-fettvekst.

Hva er standard varmebehandling for Inconel 718 smiing?

Løsningsgløding ved ca. 925–1010 grader etterfulgt av en rask avkjøling, deretter en to-trinns alder: 718 grader i 8 timer, ovnskjøling til ca. 620 grader, hold til en total aldringstid på 18 timer, deretter luftkjøling. Å holde løsningstrinnet under delta solvus bevarer finkornet.

Tabell 4. Typisk Alloy 718 løsning-og alderssyklus. Kilder: leverandørdatablad som viser til AMS 5662/5663 praksis. Følg alltid gjeldende spesifikasjoner og innkjøpsordre.

Aldringstrinnene endrer ikke kornstørrelsen mye, fordi 718 grader og 620 grader er godt under løsningstemperaturene. Det de gjør er å presipitere forsterkningsfasene (″ og ′). Kornstørrelsen er derfor fastsatt av smiveien og løsningstrinnet; aldring setter deretter styrke.

Hva er varmebehandling med dobbel mikrostruktur, og hvorfor brukes den til disker?

Varmebehandling med dobbel mikrostruktur gir en skive en finkornet, høyfast boring og en grovkornet, krypebestandig kant ved å varme opp de to områdene til forskjellige temperaturer i forhold til solvus. Den tar sikte på å fjerne kompromisset med én kornstørrelse som passer alle.

En jevn varmebehandling gir en jevn kornstørrelse gjennom hele skiven, enten fin eller grov, noe som tvinger fram et kompromiss. I en dobbel behandling bringes kanten over gamma prime solvus for å grovere den, mens boringen holdes under solvus. Forskning på den avanserte skivelegeringen LSHR undersøkte subsolvus- og supersolvus-alternativer og flere alternativer med to strukturer, designet for å levere en finkornet, høystyrkeboring og en grovkornet, krypbestandig kant.

Metoden har sin egen utfordring: overgangssonen mellom fine og grove strøk. NASA-forskere har studert tretthetssviktmoduser i overgangssonen for kornstørrelse til en dobbel mikrostrukturskive, og varmebehandlingspatenter bemerker en ytterligere prosessrisiko, at en boretemperatur for langt under solvus kan overaldre gamma-primen og kansellere fordelen. Behandling med dobbel mikrostruktur krever presis termisk kontroll og grundig testing.

Hvilke defekter kan dårlig kornstørrelseskontroll forårsake?

De viktigste defektene er unormale grove korn (kritisk kornvekst), blandede eller båndede kornstrukturer, overgrodde korn fra for høy løsningstemperatur og restspenning eller slukningssprekker, som alle kan redusere utmattelseslevetiden eller gjøre resultatene uforutsigbare.

Tabell 5. Vanlige kornstørrelsesrelaterte defekter i superlegeringssmiing og hvordan de kan forebygges.

Hvordan bør kjøpere spesifisere og bekrefte kornstørrelse?

Spesifiser legeringen og den styrende spesifikasjonen, det nødvendige ASTM E112-kornstørrelsesområdet (og eventuelle maksimalt tillatte grove korn), teststedene og varmebehandlingsruten, og krev deretter sertifikater og metallografi som beviser det.

Kornstørrelse er rapportert på ASTM E112-skalaen, hvor et større tall betyr et finere korn. Tabellen nedenfor gir omtrentlige gjennomsnittlige korndiametre for tallene som vanligvis sees i superlegeringssmiing.

Tabell 6. Omtrentlig ASTM E112 kornstørrelsesomregninger.

Tabell 7. Kjøpersjekkliste for kornstørrelseskritisk superlegeringssmidd.

Ofte stilte spørsmål

Smideformasjon skaper kornene, festepartiklene (deltafase i Alloy 718, grov primær gamma-priming i skivelegeringer) holder dem tilbake, og løsningstemperaturen i forhold til solvus avgjør om disse partiklene forblir eller løses opp.

Hva er delta solvus til Inconel 718?

Omtrent 1010–1020 grader. Publiserte verdier varierer litt fordi solvus avhenger av tid, morfologi og lokalt niobinnhold; en studie rapporterer en beregnet likevektsverdi nær 1033 grader og en tilsynelatende verdi nær 1020 grader.

Subsolvus er løsningsbehandling under gamma prime solvus og gir fine korn og bedre strekk- og tretthetsegenskaper. Supersolvus er over solvus og gir grove korn og bedre kryp- og sprekkvekstmotstand.

Hvorfor ikke gjøre hvert korn grovt for krypmotstand?

Grove korn reduserer strekkfasthet og lavsyklus tretthetsstyrke, noe som betyr noe ved den kjøligere, sterkt belastede boringen til en skive. Det er grunnen til at dual-microstructure-behandlinger eksisterer.

Hva er standard varmebehandling for Inconel 718?

Løsningsgløding rundt 925–1010 grader med rask avkjøling, eldes deretter ved 718 grader i 8 timer, ovnen avkjøles til ca. 620 grader, hold til 18 timer totalt og luftkjøles.

Hva er kritisk kornvekst?

Unormalt grove korn som dannes i områder med kritisk belastning etter supersolvus varmebehandling av pulver-metalllegeringer som René 88DT. Det er en kjent risiko for smiing og varmebehandling som prosesskontroller er utformet for å forhindre.