Uz niķeļa bāzes izgatavoti supersakausējuma kalumi: termiskā apstrāde graudu izmēra kontrolei kritiskās rotējošās daļās

Turbīnu diski, kompresoru diski, vārpstas un rotoru kalumi griežas lielā ātrumā un augstā temperatūrā tūkstošiem stundu. Kļūme nav noplūde; tas ir katastrofāls notikums. Šīm daļām metāla graudu izmērs nav kosmētiska detaļa. Tas nosaka, kā daļa pretojas noguruma plaisām, šļūdei un lēnai plaisu augšanai. Šajā rokasgrāmatā ir paskaidrots, kā termiskā apstrāde nosaka graudu izmēru supersakausējuma kalumos, kuru pamatā ir niķelis, kā tiek salīdzināti galvenie maršruti un kas pircējiem būtu jānorāda un jāpārbauda.

Graudu lielumu supersakausējuma kalumā nosaka divas lietas, kas darbojas kopā: karstās apstrādes vēsture, kas rada graudus, un termiskās apstrādes temperatūra attiecībā pret temperatūru, kurā izšķīst stiprinošās vai piespraužamās daļiņas. Šķīdums zem šīs temperatūras saglabā graudus smalkus (labāka stiepes un noguruma izturība); Šķīdums virs tā ļauj graudiem izaugt rupjiem (labāka šļūdes un noturība pret plaisu augšanu). Divu mikrostruktūru apstrāde mēģina katrai diska daļai piešķirt tai nepieciešamo graudu izmēru.

Kāpēc graudu lielumam ir nozīme kritiskajās rotējošās daļās?

Tā kā smalkie un rupjie graudi aizsargā pret dažādiem atteices režīmiem. Smalkie graudi nodrošina lielāku stiepes izturību un labāku zema cikla noguruma izturību; rupjie graudi nodrošina labāku šļūdes un plaisu augšanas izturību augstā temperatūrā. Neviens graudu izmērs nav vislabākais visur rotējošā daļā.

A grain is a tiny crystal. The boundaries between grains are weak spots at high temperature, where metal can slowly deform (creep) along them. At lower temperature the opposite is true: boundaries block cracks, so more boundaries (finer grains) means a stronger, more fatigue-resistant metal. A disk has both conditions at once. The bore (center) is cooler and carries high stress cycles. The rim runs hotter and sits under sustained load.

1. tabula. Graudu lieluma kompromiss disku sakausējumos, kā aprakstīts publicētajā gāzturbīnu disku termiskās apstrādes literatūrā.

Kas kontrolē graudu lielumu uz niķeļa bāzes izgatavotā supersakausējuma kalumā?

To kontrolē trīs sviras: cik daudz un cik karsts metāls tiek deformēts kalšanas laikā, kuras daļiņas atrodas, lai piestiprinātu graudu robežas, un galīgā šķīduma apstrādes temperatūra attiecībā pret solvus (temperatūra, kurā šīs daļiņas izšķīst).

Kalšanas laikā deformācijas rezultātā, pārkristalizējoties, rodas jauni, mazi graudi. Vēlāk karsējot, šiem graudiem ir tendence augt, jo lieliem graudiem ir mazāks robežlaukums un līdz ar to arī mazāka enerģija. Cietās daļiņas, kas atrodas uz graudu robežām, darbojas kā enkuri un aptur šo augšanu. InSakausējums 718noenkurošanas fāze ir delta (δ); pulvermetāla disku sakausējumos tas ir rupjš primārais gamma primārais (′). Kad termiskās apstrādes temperatūra pārsniedz punktu, kur enkuri izšķīst, graudi var ātri augt. Tāpēc solvusa temperatūra ir vissvarīgākais rādītājs graudu izmēra kontrolē.

Kā Delta Phase kontrolē graudu lielumu Inconel 718?

Delta fāze ir ar niobiju bagāta fāze, kas veidojas uz graudu robežām aptuveni no 800 līdz 1000 grādiem. Kalšanas un šķīduma apstrādes laikā tas nostiprina robežas, tāpēc sakausējums 718 paliek smalkgraudains, kamēr šķīduma temperatūra ir zemāka par delta solvus, aptuveni 1010–1020 grādi.

Viltotāji to izmanto apzināti. "Delta apstrādē" materiāls tiek turēts, lai izgulsnētu delta fāzi pirms kalšanas un kalšanas laikā, lai graudi paliktu mazi, kad daļu vēlāk karsē. Publicētie dati parāda, cik jutīgs ir graudu izmērs pret temperatūru un delta saturu. Vienā pētījumā ar īpaši smalkgraudainu 718 sagatavi, šķīdums 1800°F (apmēram 980°) 5 stundas atstāja apmēram 2,6% delta un deva ASTM 9 graudu izmēru, savukārt 1850°F (apmēram 1010°) uz 1 stundu atstāja apmēram 4,6% delta un ASTM pētījumā tika iegūta atsevišķa standarta 10 delta. 954 grādi radīja vienotu ASTM 11–12 struktūru delta apstrādātā materiālā.

2. tabula. Šķīduma temperatūras un delta fāzes ietekme uz sakausējuma 718 graudu izmēru. Avoti: TMS Superalloys darbi (1992, 2001) un patentu literatūra par sakausējuma 718 termisko apstrādi. ASTM numuri ir ASTM E112 graudu izmēra skaitļi; augstāks nozīmē smalkāks.

Līdzņemšana ir kompromiss. Delta fāze palīdz noturēt graudu izmēru, taču pie graudu robežām tā var ietekmēt arī elastību un spriedzes-korozijas uzvedību, tāpēc daži lietojumi to apzināti izšķīdina. Publicētajā patentā par izturību pret koroziju ir ziņots, ka atkvēlināšana virs delta solvus noņēma robežu delta, bet rupjušos graudus no ASTM 8 uz ASTM 3. Tāpēc lietojumam ir izvēlēta šķīduma temperatūra, nevis kopēta no vispārīgās tabulas.

Kāda ir atšķirība starp Subsolvus un Supersolvus termisko apstrādi?

Subsolvus šķīduma apstrāde tiek veikta zem gamma prime solvus, atstāj rupjas primārās ′ daļiņas, kas saspiež graudus, un dod smalkus graudus. Supersolvus apstrāde tiek veikta virs solvus, izšķīdina šīs daļiņas un ļauj graudiem rupjoties. Pirmais dod priekšroku spēkam un nogurumam; otrais atbalsta šļūdes un plaisu augšanas izturību.

Šī izvēle galvenokārt attiecas uz ļoti leģētiem, ar gamma pamatelementiem stiprinātiem pulvermetāla disku sakausējumiem, piemēram, René 88DT, kuru gamma primārais solvuss ir aptuveni 1110–1116 grādi (2030–2040 grādi F). Publicētajā darbā par šiem sakausējumiem ir norādīts, ka subsolvus apstrādes rezultātā tiek saglabāti aptuveni 10–20% rupju primāro ′ daļiņu, kas ierobežo graudu augšanu, savukārt supersolvus apstrāde zaudē šo ierobežojumu un ļauj graudiem augt.

3. tabula. Subsolvus pret supersolvus šķīduma apstrāde gamma-prime stiprinātiem disku sakausējumiem. Avoti: TMS Superloys process, NASA disku pētījumi un GE patentu literatūra.

Supersolvus apstrāde bija galvenā René 88DT izstrādē, kur tika paredzēts, ka rupjāks graudu izmērs, kas izveidots, apstrādājot supersolvus šķīdumu, uzlabos šļūdei, un programmas mērķis bija ievērojami samazināt noguruma plaisu augšanas ātrumu salīdzinājumā ar René 95. Šīs klases sakausējuma Supersolvus apstrāde var radīt rupjus graudu izmērus, kas tuvojas ASTM 6, lai uzlabotu izturību pret plaisu augšanu.

Kāda ir Inconel 718 kalumu standarta termiskā apstrāde?

Šķīduma atkvēlināšana aptuveni 925–1010 grādos, kam seko ātra atdzišana, pēc tam divpakāpju vecums: 718 grādi 8 stundas, krāsns atdzesē līdz aptuveni 620 grādiem, kopējais novecošanas laiks ir 18 stundas, pēc tam atdzesē ar gaisu. Turot šķīduma pakāpi zem delta solvus, tiek saglabāti smalkie graudi.

4. tabula. Tipisks Alloy 718 šķīduma un vecuma cikls. Avoti: piegādātāju datu lapas ar atsauci uz AMS 5662/5663 praksi. Vienmēr ievērojiet regulējošo specifikāciju un pirkuma pasūtījumu.

Novecošanas soļi graudu lielumu īpaši nemaina, jo 718 grādi un 620 grādi ir krietni zem šķīduma temperatūras. Tas, ko viņi dara, ir nostiprināšanas fāzes (″ un ′) izgulsnēšana. Tāpēc graudu izmēru nosaka kalšanas ceļš un šķīduma solis; novecošanās tad nosaka spēku.

Kas ir divu mikrostruktūru termiskā apstrāde un kāpēc to izmanto diskiem?

Divkāršās mikrostruktūras termiskā apstrāde dod diskam smalkgraudainu, augstas stiprības urbumu un rupji graudainu, šļūdei izturīgu apmali, karsējot abus reģionus līdz dažādām temperatūrām attiecībā pret solvusu. Tā mērķis ir novērst kompromisu, kas ir piemērots visiem.

Vienmērīga termiskā apstrāde nodrošina vienādu graudu izmēru visā diskā, gan smalku, gan rupju, kas liek panākt kompromisu. Divkāršā apstrādē loks tiek pacelts virs gamma primārā solvusa, lai to rupji, savukārt urbums tiek turēts zem solvusa. Uzlabotā disku sakausējuma LSHR pētījumos tika pārbaudītas subsolvus un supersolvus iespējas, kā arī vairākas dubultās struktūras iespējas, kas izstrādātas, lai nodrošinātu smalku, augstas stiprības urbumu un rupju graudu, pret šļūde izturīgu loku.

Metodei ir savs izaicinājums: pārejas zona starp smalkajiem un rupjiem reģioniem. NASA pētnieki ir pētījuši noguruma atteices režīmus divkāršās mikrostruktūras diska graudu lieluma pārejas zonā, un termiskās apstrādes patenti norāda uz turpmāku procesa risku, ka urbuma temperatūra, kas ir pārāk daudz zemāka par solvusu, var novecot gamma primāro spēku un atcelt ieguvumu. Divu mikrostruktūru apstrādei nepieciešama precīza termiskā kontrole un rūpīga pārbaude.

Kādus defektus var izraisīt slikta graudu izmēra kontrole?

Galvenie defekti ir neparasti rupji graudi (kritiska graudu augšana), jauktas vai lentveida graudu struktūras, pārauguši graudi no pārmērīgas šķīduma temperatūras un atlikušais spriegums vai veldzēšanas plaisāšana, kas var samazināt noguruma kalpošanas laiku vai padarīt rezultātus neparedzamus.

5. tabula. Biežākie ar graudu izmēru saistītie defekti supersakausējuma kalumos un to novēršana.

Kā pircējiem būtu jānorāda un jāpārbauda graudu lielums?

Norādiet sakausējumu un regulējošo specifikāciju, nepieciešamo ASTM E112 graudu izmēra diapazonu (un jebkuru maksimāli pieļaujamo rupjo graudu), testa vietas un termiskās apstrādes ceļu, pēc tam pieprasiet sertifikātus un metalogrāfiju, kas to pierāda.

Graudu izmērs ir norādīts ASTM E112 skalā, kur lielāks skaitlis nozīmē smalkāku graudu. Zemāk esošajā tabulā ir norādīti aptuvenie vidējie graudu diametri tiem skaitļiem, kas parasti redzami supersakausējuma kalumos.

6. tabula. Aptuveni ASTM E112 graudu lieluma pārrēķini.

7. tabula. Pircēju kontrolsaraksts graudu izmēram kritiskiem supersakausējuma kalumiem.

Bieži uzdotie jautājumi

Kalšanas deformācija rada graudus, piespraužamās daļiņas (delta fāze sakausējumā 718, rupja primārā gamma prime diska sakausējumos) tos aiztur, un šķīduma temperatūra attiecībā pret solvusu nosaka, vai šīs daļiņas paliek vai izšķīst.

Kas ir Inconel 718 delta solvus?

Apmēram 1010–1020 grādi. Publicētās vērtības nedaudz svārstās, jo solvus ir atkarīgs no laika, morfoloģijas un vietējā niobija satura; viens pētījums ziņo par aprēķināto līdzsvara vērtību tuvu 1033 grādiem un šķietamo vērtību tuvu 1020 grādiem.

Kas ir subsolvus un supersolvus termiskā apstrāde?

Subsolvus ir šķīduma apstrāde zem gamma prime solvus un nodrošina smalkus graudus un labākas stiepes un noguruma īpašības. Supersolvus ir virs solvus un dod rupjus graudus un labāku šļūdes un plaisu augšanas izturību.

Kāpēc gan nepadarīt katru graudu rupju, lai nodrošinātu izturību pret šļūdei?

Rupjie graudi samazina stiepes un zema cikla noguruma izturību, kam ir nozīme diska vēsākā, ļoti noslogotā urbumā. Tāpēc pastāv divu mikrostruktūru ārstēšana.

Kāda ir Inconel 718 standarta termiskā apstrāde?

Šķīdumu atkvēlina ap 925–1010 grādiem ar ātru dzesēšanu, pēc tam iztur 718 grādu temperatūrā 8 stundas, atdzesē krāsnī līdz aptuveni 620 grādiem, kopumā notur līdz 18 stundām un atdzesē ar gaisu.

Kas ir kritiskā graudu augšana?

Neparasti rupji graudi, kas veidojas kritiskās deformācijas reģionos pēc pulvermetāla sakausējumu, piemēram, René 88DT, supersolvus termiskās apstrādes. Ir zināms, ka kalšanas un termiskās apstrādes risks ir paredzēts, lai to novērstu.