Nikelio pagrindu pagaminti superlydinio kaltiniai: terminis apdorojimas grūdų dydžiui kontroliuoti svarbiose besisukančiose dalyse

Turbinų diskai, kompresoriaus diskai, velenai ir rotoriaus kaltiniai sukasi dideliu greičiu ir aukšta temperatūra tūkstančius valandų. Gedimas nėra nuotėkis; tai katastrofiškas įvykis. Šioms dalims metalo grūdelių dydis nėra kosmetinė detalė. Jis nusprendžia, kaip dalis atspari nuovargio įtrūkimams, šliaužimui ir lėtam įtrūkimų augimui. Šiame vadove paaiškinama, kaip terminis apdorojimas nustato nikelio pagrindu pagamintų superlydinių kaltinių grūdelių dydį, kaip lyginami pagrindiniai maršrutai ir ką pirkėjai turėtų nurodyti bei patikrinti.

Superlydinio kalimo grūdelių dydį nustato du dalykai, veikiantys kartu: karštojo apdorojimo istorija, dėl kurios susidaro grūdeliai, ir terminio apdorojimo temperatūra, palyginti su temperatūra, kurioje ištirpsta stiprinančios arba sutvirtinančios dalelės. Tirpalas žemesnėje temperatūroje išlaiko grūdus smulkius (geresnis tempimo ir nuovargio stiprumas); Tirpalas virš jo leidžia grūdams užaugti stambiais (geresnis šliaužimo ir atsparumas įtrūkimų augimui). Dviejų mikrostruktūrų apdorojimas stengiasi kiekvienai disko daliai suteikti reikiamą grūdelių dydį.

Kodėl svarbiose besisukančiose dalyse grūdelių dydis yra svarbus?

Kadangi smulkūs ir stambūs grūdeliai apsaugo nuo skirtingų gedimo režimų. Smulkūs grūdeliai suteikia didesnį atsparumą tempimui ir geresnį atsparumą mažo ciklo nuovargiui; stambūs grūdeliai suteikia geresnį šliaužimą ir atsparumą įtrūkimų augimui aukštoje temperatūroje. Besisukančioje dalyje nė vienas grūdelių dydis nėra geriausias.

Grūdelis yra mažas kristalas. Ribos tarp grūdelių yra silpnos vietos esant aukštai temperatūrai, kur metalas gali lėtai deformuotis (šliaužti) išilgai jų. Esant žemesnei temperatūrai yra atvirkščiai: ribos blokuoja įtrūkimus, todėl daugiau ribų (smulkesnių grūdelių) reiškia tvirtesnį, atsparesnį nuovargiui metalą. Diskas turi abi sąlygas vienu metu. Skylė (centras) yra vėsesnė ir atlieka didelius įtempių ciklus. Ratlankis veikia karštesnis ir sėdi veikiamas nuolatinės apkrovos.

1 lentelė. Disko lydinių grūdelių dydžio kompromisas, kaip aprašyta paskelbtoje dujų turbinų diskinio terminio apdorojimo literatūroje.

Kas kontroliuoja nikelio pagrindu pagaminto superlydinio kalimo grūdelių dydį?

Jį valdo trys svirtys: kiek ir kaip įkaitęs metalas deformuojasi kalimo metu, kurios dalelės prisega grūdelių ribas ir galutinė tirpalo apdorojimo temperatūra solvus atžvilgiu (temperatūra, kurioje tos dalelės ištirpsta).

Kalimo metu deformacija perkristalizuojant sukuria naujus, mažus grūdelius. Vėlesnio kaitinimo metu tie grūdai linkę išaugti, nes stambūs grūdai turi mažesnį ribinį plotą ir dėl to mažesnę energiją. Ant grūdų ribų esančios kietos dalelės veikia kaip inkarai ir stabdo šį augimą. Į718 lydinysinkaravimo fazė yra delta (δ); miltelinio metalo disko lydiniuose jis yra stambus pirminis gama pradas ( ′). Kai terminio apdorojimo temperatūra pasiekia tašką, kuriame inkarai ištirpsta, grūdai gali greitai augti. Štai kodėl solvus temperatūra yra svarbiausias skaičius kontroliuojant grūdelių dydį.

Kaip „Delta Phase“ kontroliuoja grūdelių dydį „Inconel 718“?

Delta fazė yra niobio turtinga fazė, kuri susidaro ant grūdų ribų maždaug nuo 800 iki 1000 laipsnių. Kalimo ir apdorojimo tirpalu metu jis pritvirtina ribas, todėl lydinys 718 išlieka smulkiagrūdis tol, kol tirpalo temperatūra yra žemiau delta solvus, apie 1010–1020 laipsnių.

Klastotojai tuo naudojasi tyčia. „Delta apdorojimo“ metu medžiaga laikoma, kad nusodintų delta fazę prieš kalimą ir kalimo metu, kad vėliau kaitinant dalį grūdeliai liktų maži. Paskelbti duomenys rodo, koks jautrus grūdelių dydis temperatūrai ir delta kiekiui. Viename itin smulkiagrūdžių 718 ruošinių tyrime 1800 laipsnių F (apie 980 laipsnių) tirpalas 5 valandas paliko apie 2,6% delta ir suteikė ASTM 9 grūdelių dydį, o 1850 laipsnių F (apie 1010 laipsnių) per 1 valandą paliko apie 4,6% delta ir ASTM tyrime buvo gautas atskiras standartinis tirpalas 10. 954 laipsnių delta apdorotoje medžiagoje sukurta vienoda ASTM 11–12 struktūra.

2 lentelė. Tirpalo temperatūros ir delta fazės įtaka 718 lydinio grūdelių dydžiui. Šaltiniai: TMS Superalloys bylos (1992, 2001) ir patentinė literatūra apie lydinio 718 terminį apdorojimą. ASTM numeriai yra ASTM E112 grūdelių dydžio numeriai; aukštesnis reiškia smulkesnis.

Išsinešimas yra kompromisas. Delta fazė padeda išlaikyti grūdelių dydį, tačiau ties grūdelių ribomis ji taip pat gali turėti įtakos lankstumui ir įtempių korozijos elgsenai, todėl kai kurios programos sąmoningai ją ištirpdo. Paskelbtas patentas dėl atsparumo korozijai įtempių praneša, kad atkaitinimas virš delta solvus pašalino ribinius delta, bet sutirštėjusius grūdelius nuo ASTM 8 iki ASTM 3. Štai kodėl tirpalo temperatūra pasirinkta pritaikymui, o ne nukopijuota iš bendrosios lentelės.

Kuo skiriasi Subsolvus ir Supersolvus terminis apdorojimas?

Subsolvus tirpalas apdorojamas žemiau gama prime solvus, paliekant stambias pirmines daleles, kurios suspaudžia grūdus, ir suteikia smulkius grūdelius. Supersolvus apdorojimas atliekamas virš solvus, ištirpina tas daleles ir leidžia grūdams sutirštėti. Pirmasis skatina jėgą ir nuovargį; antrasis yra palankesnis atsparumui šliaužimui ir įtrūkimų augimui.

Šis pasirinkimas daugiausia taikomas labai legiruotiems, gama pagrindu sutvirtintiems miltelinio metalo lydiniams, tokiems kaip René 88DT, kurio gama pirminis tirpimas buvo maždaug 1110–1116 laipsnių (2030–2040 laipsnių F). Paskelbtame darbe apie šiuos lydinius pažymima, kad apdorojant subsolvus sulaikoma maždaug 10–20 % stambių pirminių ′ dalelių, kurios riboja grūdų augimą, o apdorojimas supersolvus praranda šį apribojimą ir leidžia grūdams augti.

3 lentelė. Subsolvus ir supersolvus tirpalo apdorojimas gama pirminiu būdu sustiprintų diskų lydiniams. Šaltiniai: TMS Superloys procesai, NASA diskų tyrimai ir GE patentų literatūra.

Supersolvus apdorojimas buvo labai svarbus kuriant René 88DT, kur buvo tikimasi, kad stambesnis grūdelių dydis, sukurtas apdorojant supersolvus tirpalu, pagerins šliaužimą, o programa buvo skirta žymiai sumažinti nuovargio įtrūkimų augimo greitį, palyginti su René 95. Šios klasės lydinio apdorojimas Supersolvus gali išgauti stambių grūdelių dydžius, artėjančius prie ASTM 6, kad padidėtų atsparumas nuovargiui.

Kas yra standartinis Inconel 718 kaltinių terminis apdorojimas?

Atkaitinkite tirpalą maždaug 925–1010 laipsnių temperatūroje, po to greitai atvėsinkite, tada dviejų pakopų amžius: 718 laipsnių 8 valandas, krosnyje atvėsinkite iki maždaug 620 laipsnių, palaikykite iki 18 valandų bendro brandinimo laiko, tada atvėsinkite oru. Laikydami tirpalo žingsnį žemiau delta solvus, išsaugomi smulkūs grūdeliai.

4 lentelė. Tipiškas 718 lydinio tirpalo ir senėjimo ciklas. Šaltiniai: tiekėjų duomenų lapai, kuriuose nurodoma AMS 5662/5663 praktika. Visada laikykitės galiojančių specifikacijų ir pirkimo užsakymo.

Senėjimo etapai labai nekeičia grūdelių dydžio, nes 718 laipsnių ir 620 laipsnių yra gerokai žemiau tirpalo temperatūros. Ką jie daro, tai nusodina stiprinimo fazes („ir“). Todėl grūdelių dydis nustatomas kalimo būdu ir tirpalo žingsniu; senėjimas suteikia jėgų.

Kas yra dvigubos mikrostruktūros terminis apdorojimas ir kodėl jis naudojamas diskams?

Dviejų mikrostruktūrų terminis apdorojimas suteikia diską smulkiagrūdžiu, didelio stiprumo kiaurymiu ir stambiagrūdžiu, valkšnumui atspariu kraštu, kaitinant dvi sritis iki skirtingos temperatūros, palyginti su solvus. Juo siekiama pašalinti vieno grūdo dydžio kompromisą.

Vienodas terminis apdorojimas užtikrina vienodą grūdelių dydį visame diske – smulkius arba stambius, todėl reikia kompromiso. Atliekant dvigubą apdorojimą, ratlankis pakeliamas virš gama pirminio solvuso, kad jis būtų grubesnis, o kiaurymė laikoma žemiau solvos. Pažangaus disko lydinio LSHR tyrimai išnagrinėjo subsolvus ir supersolvus parinktis bei keletą dvigubos struktūros variantų, skirtų smulkiagrūdžiui, didelio stiprumo kiaurymei ir stambiagrūdžiui, valkšnumui atspariam ratlankiui pateikti.

Metodas turi savo iššūkį: pereinamąją zoną tarp smulkių ir šiurkščių sričių. NASA tyrėjai ištyrė nuovargio gedimo režimus dvigubos mikrostruktūros disko grūdelių dydžio pereinamojoje zonoje, o terminio apdorojimo patentai atkreipia dėmesį į tolesnę proceso riziką, kad per daug žemesnė gręžinio temperatūra gali persenti gama pirmumą ir panaikinti naudą. Dviejų mikrostruktūrų apdorojimas reikalauja tikslios terminės kontrolės ir kruopštaus bandymo.

Kokius defektus gali sukelti bloga grūdų dydžio kontrolė?

Pagrindiniai defektai yra nenormalūs stambūs grūdai (kritinis grūdų augimas), mišrios arba juostuotos grūdų struktūros, peraugę grūdai dėl per didelės tirpalo temperatūros ir liekamasis įtempis arba gesinimo įtrūkimai, dėl kurių gali sutrumpėti nuovargio tarnavimo laikas arba rezultatai tampa nenuspėjami.

5 lentelė. Dažni su grūdelių dydžiu susiję superlydinių kaltinių defektai ir kaip jų išvengti.

Kaip pirkėjai turėtų nurodyti ir patikrinti grūdų dydį?

Nurodykite lydinį ir pagrindines specifikacijas, reikiamą ASTM E112 grūdelių dydžio diapazoną (ir bet kokius didžiausius leistinus stambius grūdelius), bandymo vietas ir terminio apdorojimo būdą, tada reikalaukite tai patvirtinančių sertifikatų ir metalografijos.

Grūdelių dydis nurodomas ASTM E112 skalėje, kur didesnis skaičius reiškia smulkesnį grūdelį. Žemiau esančioje lentelėje pateikiami apytiksliai vidutiniai grūdelių skersmenys pagal skaičius, paprastai matomus superlydiniuose kaltiniuose.

6 lentelė. Apytikslės ASTM E112 grūdelių dydžio konversijos.

7 lentelė. Kritiško grūdėtumo super lydinio kaltinių pirkėjų kontrolinis sąrašas.

Dažnai užduodami klausimai

Dėl kalimo deformacijos susidaro grūdeliai, suspaudžiamos dalelės (delta fazė lydinyje 718, grubus pirminis gama pradas diskų lydiniuose) juos sulaiko, o tirpalo temperatūra, palyginti su solvus, nusprendžia, ar tos dalelės išliks, ar ištirps.

Kas yra Inconel 718 delta solvus?

Apie 1010–1020 laipsnių. Paskelbtos reikšmės šiek tiek skiriasi, nes solvus priklauso nuo laiko, morfologijos ir vietinio niobio kiekio; vienas tyrimas praneša apie apskaičiuotą pusiausvyros vertę, artimą 1033 laipsniams, ir tariamąją vertę, artimą 1020 laipsnių.

Kas yra subsolvus ir supersolvus terminis apdorojimas?

Subsolvus yra tirpalo apdorojimas žemiau gama prime solvus ir suteikia smulkių grūdelių bei geresnes tempimo ir nuovargio savybes. Supersolvus yra aukščiau solvus ir suteikia stambių grūdelių bei geresnį atsparumą šliaužimui ir įtrūkimų augimui.

Kodėl nepadarius visų grūdelių stambių, kad būtų atsparus valkšnėjimui?

Stambūs grūdeliai sumažina tempimo ir mažo ciklo nuovargio stiprumą, kuris yra svarbus vėsesnėje, labai įtemptoje disko kiaurymėje. Štai kodėl egzistuoja dvigubos mikrostruktūros gydymas.

Koks yra standartinis Inconel 718 terminis apdorojimas?

Tirpalą atkaitinkite maždaug 925–1010 laipsnių temperatūroje greitai aušindami, tada 8 valandas brandinkite 718 laipsnių temperatūroje, krosnyje atvėsinkite iki maždaug 620 laipsnių, iš viso palaikykite iki 18 valandų ir atvėsinkite oru.

Kas yra kritinis grūdų augimas?

Neįprastai stambūs grūdeliai, susidarantys kritinės deformacijos regionuose po supersolvus terminio apdorojimo miltelinių metalų lydiniais, pvz., René 88DT. Žinoma, kad tai yra kalimo ir terminio apdorojimo rizika, kurios apdorojimo kontrolės priemonės skirtos užkirsti kelią.