Nikkelbaserede superlegeringssmedninger: Varmebehandling til kontrol af kornstørrelse i kritiske roterende dele

Turbineskiver, kompressorskiver, aksler og rotorsmedninger spinder ved høj hastighed og høj temperatur i tusindvis af timer. En fejl er ikke en lækage; det er en katastrofal begivenhed. For disse dele er størrelsen af ​​metallets korn ikke en kosmetisk detalje. Det bestemmer, hvordan delen modstår træthedsrevner, krybning og langsom revnevækst. Denne vejledning forklarer, hvordan varmebehandling sætter kornstørrelsen i nikkelbaserede superlegeringssmedninger, hvordan de vigtigste ruter sammenlignes, og hvad købere bør specificere og verificere.

Kornstørrelsen i en superlegeringssmedning bestemmes af to ting, der arbejder sammen: den varmbearbejdningshistorie, der skaber kornene, og varmebehandlingstemperaturen i forhold til den temperatur, hvor de forstærkende eller fastlåsende partikler opløses. Opløsning under denne temperatur holder korn fine (bedre træk- og udmattelsesstyrke); løsning over det lader korn vokse groft (bedre modstandsdygtighed over for krybning og ophold af revner). Behandlinger med dobbelt mikrostruktur forsøger at give hver del af en skive den kornstørrelse, den har brug for.

Hvorfor har kornstørrelsen betydning i kritiske roterende dele?

Fordi fine og grove korn beskytter mod forskellige fejltilstande. Fine korn giver højere trækstyrke og bedre modstandsdygtighed over for lav-cyklus træthed; grove korn giver bedre modstandsdygtighed over for krybning og opholdsrevnevækst ved høj temperatur. Ingen enkelt kornstørrelse er bedst overalt i en roterende del.

Et korn er en lille krystal. Grænserne mellem korn er svage steder ved høj temperatur, hvor metal langsomt kan deformeres (krybe) langs dem. Ved lavere temperatur er det modsatte tilfældet: grænser blokerer for revner, så flere grænser (finere korn) betyder et stærkere, mere træthedsbestandigt metal. En disk har begge betingelser på én gang. Boringen (midten) er køligere og bærer høje spændingscyklusser. Fælgen bliver varmere og sidder under vedvarende belastning.

Tabel 1. Afvejningen af ​​kornstørrelse i skivelegeringer, som beskrevet i offentliggjort gasturbineskivevarmebehandlingslitteratur.

Hvad styrer kornstørrelsen i en nikkelbaseret superlegeringssmedning?

Tre håndtag styrer det: hvor meget og hvor varmt metallet deformeres under smedning, hvilke partikler der er til stede for at fastgøre korngrænserne, og den endelige opløsningsbehandlingstemperatur i forhold til solvus (temperaturen, ved hvilken disse partikler opløses).

Under smedning skaber deformation nye, små korn ved omkrystallisation. Under senere opvarmning har disse korn tendens til at vokse, fordi store korn har mindre grænseareal og derfor lavere energi. Hårde partikler, der sidder på korngrænser, fungerer som ankre og stopper denne vækst. ILegering 718forankringsfasen er delta (δ); i pulver-metal skivelegeringer er det grov primær gamma prime (′). Når varmebehandlingstemperaturen passerer det punkt, hvor ankrene opløses, kan korn vokse hurtigt. Dette er grunden til, at solvus-temperaturen er det vigtigste tal i kornstørrelseskontrol.

Hvordan kontrollerer Delta Phase kornstørrelsen i Inconel 718?

Deltafase er en niob-rig fase, der dannes på korngrænser mellem ca. 800 og 1000 grader. Den fastgør grænser under smedning og opløsningsbehandling, så Alloy 718 forbliver finkornet, så længe opløsningstemperaturen forbliver under delta solvus, omkring 1010-1020 grader.

Forfalskere udnytter dette med vilje. Ved "delta-bearbejdning" holdes materialet til at udfælde deltafase før og under smedning, så korn forbliver små, når delen senere opvarmes. Publicerede data viser, hvor følsom kornstørrelsen er over for temperatur og deltaindhold. I en undersøgelse af ultrafinkornet 718 billet, efterlod en opløsning på 1800 grader F (ca. 980 grader) i 5 timer ca. 2,6 % delta og gav ASTM 9 kornstørrelse, mens 1850 grader F (ca. 1010 grader) i 1 time gav ca. ensartet ASTM 11-12 struktur i delta-bearbejdet materiale.

Tabel 2. Effekt af opløsningstemperatur og deltafase på legering 718 kornstørrelse. Kilder: TMS Superalloys procedure (1992, 2001) og patentlitteratur om Alloy 718 varmebehandling. ASTM-numre er ASTM E112-kornstørrelsesnumre; højere betyder finere.

Takeawayen er en afvejning. Deltafase hjælper med at holde kornstørrelse, men ved korngrænser kan den også påvirke duktilitet og spændingskorrosionsadfærd, så nogle applikationer opløser den bevidst. Et offentliggjort patent på spændingskorrosionsbestandighed rapporterer, at udglødning over delta solvus fjernede grænsedelta, men grovkornede korn fra ASTM 8 til ASTM 3. Dette er grunden til, at opløsningstemperaturen er valgt til applikationen, ikke kopieret fra en generisk tabel.

Hvad er forskellen mellem Subsolvus og Supersolvus varmebehandling?

Subsolvus opløsningsbehandling udføres under gamma prime solvus, efterlader grove primære ′ partikler, der fastholder korn, og giver fine korn. Supersolvus-behandling udføres over solvus, opløser disse partikler og lader korn groft. Den første favoriserer styrke og træthed; den anden favoriserer krybe- og revnevækstmodstand.

Dette valg gælder hovedsageligt for højtlegerede, gamma-prime-forstærkede pulver-metalskivelegeringer såsom René 88DT, hvis gamma prime solvus er blevet rapporteret ved omkring 1110-1116 grader (2030-2040 grader F). Udgivet arbejde på disse legeringer bemærker, at subsolvus-behandlinger tilbageholder omkring 10-20% af grove primære ′-partikler, der begrænser kornvækst, mens supersolvus-behandlinger mister denne begrænsning og tillader kornene at vokse.

Tabel 3. Subsolvus versus supersolvus opløsningsbehandling for gamma-prime-forstærkede skivelegeringer. Kilder: TMS Superalloys procedurer, NASA diskundersøgelser og GE patentlitteratur.

Supersolvus-bearbejdning var central i udviklingen af ​​René 88DT, hvor den grovere kornstørrelse udviklet ved supersolvus-opløsningsbehandling forventedes at gavne krybning, og programmet sigtede mod en stor reduktion i træthedsrevnevæksthastigheden sammenlignet med René 95. Supersolvus-behandling af denne klasse af legeringer kan producere grove kornstørrelser, der nærmer sig ASTM 6-resistens til dwell-fedtvækst for forbedret modstandsdygtighed over for dwell-revnevækst.

Hvad er standardvarmebehandlingen for Inconel 718 smedegods?

Opløsningsudglødning ved ca. 925-1010 grader efterfulgt af en hurtig afkøling, derefter en to-trins alder: 718 grader i 8 timer, ovn afkøles til ca. 620 grader, hold til en samlet ældningstid på 18 timer, derefter luftafkøling. Ved at holde opløsningstrinnet under delta solvus bevares fint korn.

Tabel 4. Typisk Alloy 718 opløsning-og-ældningscyklus. Kilder: leverandørdatablade med henvisning til AMS 5662/5663 praksis. Følg altid den gældende specifikation og indkøbsordre.

Ældningstrinene ændrer ikke meget på kornstørrelsen, fordi 718 grader og 620 grader er et godt stykke under opløsningstemperaturerne. Det, de gør, er at udfælde styrkelsesfaserne (″ og ′). Kornstørrelsen fastlægges derfor af smedevejen og løsningstrinnet; ældning sætter derefter styrke.

Hvad er dobbelt mikrostruktur varmebehandling, og hvorfor bruges det til diske?

Varmebehandling med dobbelt mikrostruktur giver en skive en finkornet, højstyrkeboring og en grovkornet, krybebestandig kant ved at opvarme de to områder til forskellige temperaturer i forhold til solvus. Det har til formål at fjerne kompromiset med en kornstørrelse, der passer til alle.

En ensartet varmebehandling giver en ensartet kornstørrelse i hele skiven, enten fin eller grov, hvilket fremtvinger et kompromis. Ved en dobbeltbehandling bringes randen over gamma prime solvus for at gøre den grovere, mens boringen holdes under solvus. Forskning i den avancerede skivelegering LSHR undersøgte subsolvus- og supersolvus-muligheder og adskillige dobbeltstrukturmuligheder, designet til at levere en finkornet, højstyrkeboring og en grovkornet, krybebestandig kant.

Metoden har sin egen udfordring: overgangszonen mellem fine og grove områder. NASA-forskere har studeret træthedsfejltilstande i overgangszonen i kornstørrelse af en dobbelt mikrostrukturskive, og varmebehandlingspatenter bemærker en yderligere procesrisiko, at en boretemperatur for langt under solvus kan overælde gamma-primen og annullere fordelen. Behandling med dobbelt mikrostruktur kræver præcis termisk kontrol og grundig testning.

Hvilke defekter kan dårlig kornstørrelseskontrol forårsage?

De vigtigste defekter er unormale grove korn (kritisk kornvækst), blandede eller båndede kornstrukturer, forvoksede korn fra for høj opløsningstemperatur og resterende spænding eller slukningsrevner, som alle kan reducere træthedslevetiden eller gøre resultaterne uforudsigelige.

Tabel 5. Almindelige kornstørrelsesrelaterede defekter i superlegeringssmedninger og hvordan man forebygger dem.

Hvordan skal købere specificere og verificere kornstørrelse?

Angiv legeringen og de gældende specifikationer, det påkrævede ASTM E112-kornstørrelsesområde (og ethvert maksimalt tilladt grovkorn), teststederne og varmebehandlingsvejen, og kræve derefter certifikater og metallografi, der beviser det.

Kornstørrelse er rapporteret på ASTM E112 skalaen, hvor et større tal betyder et finere korn. Tabellen nedenfor giver omtrentlige gennemsnitlige korndiametre for de tal, der almindeligvis ses i superlegeringssmedninger.

Tabel 6. Omtrentlig ASTM E112 kornstørrelse konverteringer.

Tabel 7. Købertjekliste for kornstørrelseskritiske superlegeringssmedninger.

Ofte stillede spørgsmål

Smededeformation skaber kornene, fastholdende partikler (delta fase i legering 718, grov primær gamma prime i skivelegeringer) holder dem tilbage, og opløsningstemperaturen i forhold til solvus afgør, om disse partikler forbliver eller opløses.

Hvad er delta solvus af Inconel 718?

Omkring 1010-1020 grader. Publicerede værdier varierer lidt, fordi solvus afhænger af tid, morfologi og lokalt niobiumindhold; en undersøgelse rapporterer en beregnet ligevægtsværdi nær 1033 grader og en tilsyneladende værdi nær 1020 grader.

Hvad er subsolvus versus supersolvus varmebehandling?

Subsolvus er opløsningsbehandling under gamma prime solvus og giver fine korn og bedre træk- og udmattelsesegenskaber. Supersolvus er over solvus og giver grove korn og bedre krybe- og revnevækstmodstand.

Hvorfor ikke gøre hvert korn groft for krybemodstand?

Grove korn sænker trækstyrke og lav-cyklus træthedsstyrke, hvilket betyder noget ved den køligere, stærkt belastede boring af en skive. Det er derfor, der findes behandlinger med dobbelt mikrostruktur.

Hvad er standard varmebehandlingen for Inconel 718?

Opløsningsudglødning omkring 925-1010 grader med hurtig afkøling, ældes derefter ved 718 grader i 8 timer, ovn afkøles til omkring 620 grader, hold til 18 timer i alt, og luftkøl.

Hvad er kritisk kornvækst?

Unormalt grove korn, der dannes i områder med kritisk belastning efter supersolvus varmebehandling af pulver-metallegeringer såsom René 88DT. Det er en kendt smednings- og varmebehandlingsrisiko, som proceskontrol er designet til at forhindre.