Поковки из суперсплавов на основе никеля: термообработка для контроля размера зерна в критических вращающихся деталях

Диски турбин, компрессоров, валы и поковки роторов вращаются с высокой скоростью и при высокой температуре в течение тысяч часов. Неисправность — это не утечка; это катастрофическое событие. Для этих деталей размер зерен металла не является косметической деталью. Он определяет, насколько деталь сопротивляется усталостным трещинам, ползучести и медленному росту трещин. В этом руководстве объясняется, как термическая обработка определяет размер зерна в поковках из суперсплавов на основе никеля, как сравниваются основные маршруты и что покупатели должны указывать и проверять.

Размер зерна в поковке из суперсплава определяется двумя факторами, работающими вместе: историей горячей обработки, в результате которой образуются зерна, и температурой термообработки относительно температуры, при которой растворяются упрочняющие или закрепляющие частицы. Раствор при температуре ниже этой температуры сохраняет зерна мелкими (лучшая прочность на растяжение и усталостная прочность); Раствор над ним позволяет зернам укрупняться (улучшается сопротивление ползучести и образованию устойчивых трещин). Обработка двойной микроструктуры пытается придать каждой части диска необходимый размер зерна.

Почему размер зерна имеет значение в критических вращающихся деталях?

Потому что мелкое и крупное зерно защищают от различных видов отказов. Мелкое зерно обеспечивает более высокую прочность на разрыв и лучшую устойчивость к малоцикловой усталости; Крупные зерна обеспечивают лучшую устойчивость к ползучести и образованию устойчивых трещин при высоких температурах. Ни один размер зерна не является лучшим для всей вращающейся детали.

Зерно – это крошечный кристалл. Границы между зернами являются слабыми местами при высокой температуре, по которым металл может медленно деформироваться (ползти). При более низкой температуре верно обратное: границы блокируют трещины, поэтому большее количество границ (более мелкие зерна) означает более прочный и устойчивый к усталости металл. Диск имеет оба состояния одновременно. Канал ствола (в центре) холоднее и выдерживает циклы высоких напряжений. Обод нагревается сильнее и испытывает постоянную нагрузку.

Таблица 1. Компромисс по размеру зерна в дисковых сплавах, описанный в опубликованной литературе по термообработке дисков газовых турбин.

Что контролирует размер зерна в поковке суперсплава на основе никеля?

Этим управляют три рычага: насколько и насколько горячий металл деформируется во время ковки, какие частицы присутствуют, чтобы скрепить границы зерен, и конечная температура обработки раствором относительно сольвуса (температура, при которой эти частицы растворяются).

Во время ковки деформация создает новые мелкие зерна за счет рекристаллизации. При более позднем нагреве эти зерна имеют тенденцию к росту, поскольку крупные зерна имеют меньшую площадь границ и, следовательно, меньшую энергию. Твердые частицы, находящиеся на границах зерен, действуют как якоря и останавливают этот рост. ВСплав 718фаза закрепления – дельта (δ); в порошковых дисковых сплавах это грубый первичный гамма-просвет ( ′). Как только температура термообработки достигает точки растворения якорей, зерна могут быстро расти. Вот почему температура сольвуса является наиболее важным показателем при контроле размера зерна.

Как дельта-фаза контролирует размер зерна в Inconel 718?

Дельта-фаза — это фаза, богатая ниобием, которая образуется на границах зерен примерно между 800 и 1000 градусами. Он закрепляет границы во время ковки и обработки на раствор, поэтому сплав 718 остается мелкозернистым, пока температура раствора остается ниже дельта-сольва, примерно 1010–1020 градусов.

Фальсификаторы этим намеренно пользуются. При «дельта-обработке» материал выдерживается для выделения дельта-фазы до и во время ковки, так что зерна остаются небольшими при последующем нагреве детали. Опубликованные данные показывают, насколько чувствителен размер зерна к температуре и дельта-содержанию. В одном исследовании сверхмелкозернистой заготовки из стали 718 раствор при температуре 1800 градусов по Фаренгейту (около 980 градусов) в течение 5 часов оставил около 2,6% дельты и дал размер зерна по ASTM 9, тогда как при 1850 градусах по Фаренгейту (около 1010 градусов) в течение 1 часа оставил около 4,6% дельты и дал ASTM 10. В отдельном полномасштабном дисковом исследовании стандартный раствор при 954 градусах дал результат. однородная структура ASTM 11–12 в материале, обработанном дельта-технологией.

Таблица 2. Влияние температуры раствора и дельта-фазы на размер зерна сплава 718. Источники: материалы TMS Superalloys (1992, 2001) и патентная литература по термообработке сплава 718. Номера ASTM представляют собой номера размеров зерна ASTM E112; выше значит тоньше.

Вывод – это компромисс. Дельта-фаза помогает удерживать размер зерен, но на границах зерен она также может влиять на пластичность и коррозионное поведение, поэтому в некоторых случаях ее намеренно растворяют. В опубликованном патенте на стойкость к коррозии под напряжением сообщается, что отжиг выше дельты растворения удаляет граничную дельту, но приводит к укрупнению зерен от ASTM 8 до ASTM 3. Вот почему температура раствора выбирается для применения, а не копируется из общей таблицы.

В чем разница между термической обработкой Subsolvus и Supersolvus?

Обработка раствором субсольвуса проводится ниже уровня гамма-прайм-сольвуса, оставляет крупные первичные частицы, закрепляющие зерна, и дает мелкие зерна. Обработка суперсольвусом проводится над сольвусом, растворяет эти частицы и позволяет зернам укрупняться. Первый благоприятствует силе и усталости; второй способствует сопротивлению ползучести и росту трещин.

Этот выбор применим в основном к высоколегированным, упрочненным гамма-премированием порошковым металлическим дисковым сплавам, таким как René 88DT, чья гамма-сольвус, как сообщается, составляет около 1110–1116 градусов (2030–2040 градусов по Фаренгейту). В опубликованных работах по этим сплавам отмечается, что обработка субсольвусом сохраняет примерно 10–20% крупных первичных частиц, которые ограничивают рост зерен, тогда как обработка суперсольвусом теряет это ограничение и позволяет зернам расти.

Таблица 3. Обработка раствором субсольвуса по сравнению с суперсольвусом для дисковых сплавов, упрочненных гамма-премьером. Источники: материалы TMS Superalloys, исследования дисков НАСА и патентная литература GE.

Обработка Supersolvus сыграла центральную роль в разработке сплава René 88DT, где ожидалось, что более крупный размер зерен, полученный в результате обработки раствором Supersolvus, будет способствовать ползучести, и программа была направлена ​​на значительное снижение скорости роста усталостных трещин по сравнению с René 95. Обработка Supersolvus этого класса сплавов может привести к получению крупных зерен размером, приближающимся к ASTM 6, для повышения устойчивости к росту усталостных трещин.

Какова стандартная термическая обработка поковок из Inconel 718?

Отжиг в растворе при температуре около 925–1010 градусов с последующим быстрым охлаждением, затем двухэтапное старение: 718 градусов в течение 8 часов, охлаждение в печи примерно до 620 градусов, выдержка до общего времени старения 18 часов, затем охлаждение на воздухе. Поддержание шага решения ниже дельта-сольва сохраняет мелкое зерно.

Таблица 4. Типичный цикл растворения и старения сплава 718. Источники: таблицы данных поставщиков со ссылкой на практику AMS 5662/5663. Всегда следуйте действующим спецификациям и порядку приобретения.

Стадии старения не сильно меняют размер зерна, поскольку 718 градусов и 620 градусов значительно ниже температуры раствора. Они ускоряют фазы усиления ( ″ и ′). Таким образом, размер зерна определяется маршрутом ковки и стадией решения; старение тогда устанавливает силу.

Что такое термообработка с двойной микроструктурой и почему она используется для дисков?

Термическая обработка с двойной микроструктурой придает диску мелкозернистую, высокопрочную расточку и крупнозернистый, устойчивый к ползучести обод за счет нагрева двух областей до разных температур по сравнению с раствором. Он направлен на устранение компромисса по принципу «один размер подходит всем».

Равномерная термообработка обеспечивает одинаковый размер зерен по всему диску, как мелких, так и крупных, что требует компромисса. При двойной обработке ободок выдвигается выше сольвуса гамма-премиум, чтобы сделать его более грубым, а канал ствола остается ниже сольвуса. В ходе исследования усовершенствованного дискового сплава LSHR были изучены варианты субсольвуса и суперсольвуса, а также несколько вариантов двойной структуры, разработанные для обеспечения мелкозернистого высокопрочного отверстия и крупнозернистого обода, устойчивого к ползучести.

У метода есть своя проблема: переходная зона между мелкими и грубыми областями. Исследователи НАСА изучили режимы усталостного разрушения в переходной зоне размера зерен диска с двойной микроструктурой, а в патентах на термообработку отмечается дополнительный технологический риск, заключающийся в том, что температура канала ствола, слишком ниже сольвуса, может привести к чрезмерному старению гамма-заполнения и свести на нет преимущества. Обработка двойной микроструктурой требует точного термического контроля и тщательного тестирования.

Какие дефекты может вызвать плохой контроль размера зерна?

Основными дефектами являются аномальные крупные зерна (критический рост зерен), смешанные или полосчатые структуры зерен, разросшиеся зерна из-за чрезмерной температуры раствора, а также остаточные напряжения или закалочные трещины, все из которых могут снизить усталостную долговечность или сделать результаты непредсказуемыми.

Таблица 5. Распространенные дефекты, связанные с размером зерна, в поковках из суперсплавов и способы их предотвращения.

Как покупателям следует указывать и проверять размер зерна?

Укажите сплав и основные спецификации, требуемый диапазон размеров зерна ASTM E112 (и любое максимально допустимое крупное зерно), места испытаний и маршрут термообработки, а затем потребуйте подтверждающие это сертификаты и металлографию.

Размер зерна указывается по шкале ASTM E112, где большее число означает более мелкое зерно. В таблице ниже приведены приблизительные средние диаметры зерен, которые обычно встречаются в поковках из суперсплавов.

Таблица 6. Приблизительные преобразования размеров зерен по ASTM E112.

Таблица 7. Контрольный список покупателя поковок из суперсплавов с критическим размером зерна.

Часто задаваемые вопросы

Деформация при ковке создает зерна, закрепляющие частицы (дельта-фаза в сплаве 718, грубая первичная гамма-прайм в дисковых сплавах) удерживают их, а температура раствора по отношению к раствору решает, останутся ли эти частицы или растворятся.

Какова дельта-сольвус Инконеля 718?

Около 1010–1020 градусов. Опубликованные значения незначительно варьируются, поскольку сольвус зависит от времени, морфологии и местного содержания ниобия; В одном исследовании сообщается о расчетном равновесном значении около 1033 градусов и кажущемся значении около 1020 градусов.

Что такое термообработка субсольвус и суперсольвус?

Subsolvus — это обработка раствором ниже уровня гамма-простого растворения, обеспечивающая мелкое зерно и лучшие свойства при растяжении и усталости. Суперсольвус находится над сольвусом и дает более крупные зерна и лучшую устойчивость к ползучести и росту трещин.

Почему бы не сделать каждое зерно более грубым для обеспечения сопротивления ползучести?

Крупные зерна снижают прочность на растяжение и малоцикловую усталостную прочность, что имеет значение в более холодном и сильно нагруженном отверстии диска. Вот почему существуют методы лечения с двойной микроструктурой.

Какова стандартная термическая обработка Inconel 718?

Отжиг раствора при температуре около 925–1010 градусов с быстрым охлаждением, затем старение при температуре 718 градусов в течение 8 часов, охлаждение в печи примерно до 620 градусов, выдержка всего 18 часов и охлаждение на воздухе.

Что такое критический рост зерна?

Аномально крупные зерна, которые образуются в областях критической деформации после суперсольвусной термической обработки порошковых металлических сплавов, таких как René 88DT. Это известный риск, связанный с ковкой и термообработкой, который призван предотвратить контроль обработки.