Nikkelipohjaiset superseostakokset: lämpökäsittely raekoon säätelyyn kriittisissä pyörivissä osissa

Turbiinilevyt, kompressorilevyt, akselit ja roottoritaokset pyörivät suurella nopeudella ja korkeassa lämpötilassa tuhansia tunteja. Vika ei ole vuoto; se on katastrofaalinen tapahtuma. Näissä osissa metallin rakeiden koko ei ole kosmeettinen yksityiskohta. Se määrittää, kuinka osa vastustaa väsymishalkeamia, virumista ja hidasta halkeamien kasvua. Tässä oppaassa kerrotaan, kuinka lämpökäsittely määrittää raekoon nikkelipohjaisissa superseostakoissa, miten tärkeimmät reitit verrataan keskenään ja mitä ostajien tulee määrittää ja tarkistaa.

Raekoko superseostakonnassa määräytyy kahden asian toimiessa yhdessä: kuumatyöstöhistoria, joka luo rakeita, ja lämpökäsittelyn lämpötila suhteessa lämpötilaan, jossa vahvistus- tai kiinnityshiukkaset liukenevat. Liuottaminen tämän lämpötilan alapuolelle pitää jyvät hienoina (parempi veto- ja väsymislujuus); sen yläpuolella oleva liuotus antaa jyvien kasvaa karkeaksi (parempi virumis- ja viipymähalkeamien kasvun kestävyys). Kaksimikrorakennekäsittelyt yrittävät antaa jokaiselle levyn osalle sen tarvitseman raekoon.

Miksi raekoolla on merkitystä kriittisissä pyörivissä osissa?

Koska hienot ja karkeat rakeet suojaavat erilaisilta vikatiloilta. Hienojakoiset rakeet antavat suuremman vetolujuuden ja paremman alhaisen syklin väsymiskestävyyden; karkeat rakeet antavat paremman virumis- ja kestävyyshalkeaman kasvun korkeassa lämpötilassa. Mikään yksittäinen raekoko ei ole paras kaikkialla pyörivässä osassa.

Jyvä on pieni kide. Rakeiden väliset rajat ovat korkeissa lämpötiloissa heikkoja kohtia, joissa metalli voi hitaasti muuttaa muotoaan (hiipiä) niitä pitkin. Alemmassa lämpötilassa on päinvastoin: rajat estävät halkeamia, joten enemmän rajoja (pienemmät rakeet) tarkoittaa vahvempaa, väsymistä kestävämpää metallia. Levyllä on molemmat ehdot kerralla. Poraus (keskellä) on viileämpi ja kestää suuria jännitysjaksoja. Vanne kuumenee ja istuu jatkuvan kuormituksen alaisena.

Taulukko 1. Raekoon kompromissi levyseoksissa, kuten on kuvattu julkaistussa kaasuturbiinilevyjen lämpökäsittelykirjallisuudessa.

Mikä säätelee raekokoa nikkelipohjaisessa superseostakauksessa?

Kolme vipua ohjaavat sitä: kuinka paljon ja kuinka kuuma metalli deformoituu takomisen aikana, mitkä hiukkaset ovat läsnä raerajojen kiinnittämiseksi ja lopullinen liuoksen käsittelylämpötila suhteessa solvusiin (lämpötila, jossa nämä hiukkaset liukenevat).

Takomisen aikana muodonmuutos luo uusia, pieniä rakeita uudelleenkiteytymällä. Myöhemmän kuumennuksen aikana niillä jyvillä on taipumus kasvaa, koska suurilla jyvillä on pienempi rajapinta-ala ja siten pienempi energia. Raerajoilla istuvat kovat hiukkaset toimivat ankkureina ja pysäyttävät tämän kasvun. sisäänSeos 718ankkurointivaihe on delta (8); jauhemetallilevyseoksissa se on karkeaa primääristä gammaprimeä ( ′). Kun lämpökäsittelylämpötila ylittää pisteen, jossa ankkurit liukenevat, jyvät voivat kasvaa nopeasti. Tästä syystä solvus-lämpötila on tärkein luku raekoon säätelyssä.

Kuinka Delta Phase säätää raekokoa Inconel 718:ssa?

Deltafaasi on niobiumirikas faasi, joka muodostuu raerajoille noin 800-1000 asteen välillä. Se kiinnittää rajat takomisen ja liuoskäsittelyn aikana, joten Alloy 718 pysyy hienorakeisena niin kauan kuin liuoksen lämpötila pysyy delta solvusin alapuolella, noin 1010–1020 astetta.

Väärentäjät käyttävät tätä tarkoituksella hyväkseen. "Delta-käsittelyssä" materiaalia pidetään saostamassa deltafaasia ennen takomista ja sen aikana, jotta rakeet pysyvät pieninä, kun osaa myöhemmin kuumennetaan. Julkaistut tiedot osoittavat, kuinka herkkä raekoko on lämpötilalle ja deltapitoisuudelle. Yhdessä tutkimuksessa erittäin hienojakoista 718 aihiota 1800 asteen F (noin 980 astetta) liuos 5 tunnin ajaksi jätti noin 2,6 % deltaa ja antoi ASTM 9 raekoon, kun taas 1850 astetta F (noin 1010 astetta) 1 tunnin ajaksi jätti noin 4,6 % deltaa ja antoi ASTM-tutkimuksessa erillisen standardin 10 delta. 954 astetta tuotti yhtenäisen ASTM 11–12 -rakenteen delta-käsitellyssä materiaalissa.

Taulukko 2. Liuoksen lämpötilan ja deltafaasin vaikutus Alloy 718 -raekokoon. Lähteet: TMS Superalloys -prosessit (1992, 2001) ja patenttikirjallisuus metalliseoksen 718 lämpökäsittelystä. ASTM-numerot ovat ASTM E112 -raekokonumeroita; korkeampi tarkoittaa hienompaa.

Takeaway on vaihtokauppa. Deltafaasi auttaa pitämään raekoon, mutta raerajoilla se voi myös vaikuttaa sitkeyteen ja jännityskorroosiokäyttäytymiseen, joten jotkin sovellukset hajottavat sitä tarkoituksella. Julkaistu rasituskorroosionkestävyyspatentti raportoi, että delta solvusin yläpuolella tapahtuva hehkutus poisti rajadeltan mutta karkeutuneet rakeet ASTM 8:sta ASTM 3:een. Tästä syystä liuoksen lämpötila valitaan sovellukselle, ei kopioitu yleisestä taulukosta.

Mitä eroa on Subsolvus- ja Supersolvus-lämpökäsittelyn välillä?

Subsolvus-liuoskäsittely tehdään gamma prime solvusin alapuolelle, jättää karkeita primäärihiukkasia, jotka kiinnittävät jyviä, ja antaa hienojakoisia rakeita. Supersolvus-käsittely tehdään solvusin yläpuolella, liuottaa ne hiukkaset ja antaa jyvien karkeaksi. Ensimmäinen suosii voimaa ja väsymystä; toinen suosii virumis- ja halkeamiskestävyyttä.

Tämä valinta koskee pääasiassa voimakkaasti seostettuja, gammaprime-vahvistettuja jauhemetallilevyseoksia, kuten René 88DT, jonka gammaprime solvus on raportoitu noin 1110–1116 astetta (2030–2040 astetta F). Näistä seoksista julkaistussa työssä todetaan, että subsolvus-käsittelyt säilyttävät noin 10–20 % karkeista primäärihiukkasista, jotka rajoittavat jyvien kasvua, kun taas supersolvus-käsittelyt menettävät tämän rajoitteen ja antavat jyvien kasvaa.

Taulukko 3. Subsolvus versus supersolvus -liuoskäsittely gammaprime-vahvistetuille levyseoksille. Lähteet: TMS Superalloys -prosessit, NASA:n levytutkimukset ja GE-patenttikirjallisuus.

Supersolvus-käsittely oli keskeinen René 88DT:n kehittämisessä, jossa supersolvus-liuoskäsittelyllä kehitetyn karkeamman raekoon odotettiin hyödyttävän virumista, ja ohjelman tavoitteena oli vähentää huomattavasti väsymishalkeamien kasvunopeutta René 95:een verrattuna. Tämän luokan seosten Supersolvus-käsittely voi tuottaa karkeaa raekokoa, joka on lähellä ASTM 6 -halkeamaa ja parantaa kestävyyttä halkeamien kasvulle.

Mikä on vakiolämpökäsittely Inconel 718 takeille?

Liuoshehkutus noin 925-1010 asteessa, jota seuraa nopea jäähdytys, sitten kaksivaiheinen ikä: 718 astetta 8 tuntia, uunin jäähdytys noin 620 asteeseen, kokonaisvanhenemisaika 18 tuntia, sitten ilmajäähdytys. Liuosaskelman pitäminen delta solvusin alapuolella säilyttää hienojakoisia rakeita.

Taulukko 4. Tyypillinen Alloy 718 -liuos- ja vanhentamissykli. Lähteet: AMS 5662/5663 -käytäntöön viittaavat toimittajien tietolomakkeet. Noudata aina voimassa olevia eritelmiä ja ostotilausta.

Vanhentamisvaiheet eivät muuta raekokoa juurikaan, koska 718 astetta ja 620 astetta ovat selvästi alle liuoslämpötilojen. Se mitä he tekevät, on saostaa vahvistusvaiheet ( ″ ja ′). Raekoko on siksi kiinteä taontareitillä ja liuosvaiheella; ikääntyminen vahvistaa sitten voimaa.

Mikä on kaksoismikrorakenteen lämpökäsittely ja miksi sitä käytetään levyille?

Kaksinkertainen mikrorakennelämpökäsittely antaa kiekolle hienorakeisen, erittäin lujan reiän ja karkearakeisen, virumisen kestävän reunan kuumentamalla kaksi aluetta eri lämpötiloihin suhteessa solvusiin. Sillä pyritään poistamaan yksi jyvän koko sopii kaikille -kompromissi.

Tasainen lämpökäsittely antaa tasaisen raekoon koko levyssä, joko hienossa tai karkeassa, mikä pakottaa kompromissiin. Kaksoiskäsittelyssä vanne tuodaan gamma prime solvusin yläpuolelle sen karhentamiseksi, kun taas reikä pidetään solvusin alapuolella. Kehittyneen levylejeeringin LSHR:n tutkimuksessa tarkasteltiin subsolvus- ja supersolvus-vaihtoehtoja sekä useita kaksoisrakennevaihtoehtoja, jotka on suunniteltu toimittamaan hienorakeinen, erittäin luja poraus ja karkearaeinen, virumisenkestävä vanne.

Menetelmässä on oma haasteensa: siirtymävyöhyke hienojen ja karkeiden alueiden välillä. NASAn tutkijat ovat tutkineet kaksoismikrorakennelevyn raekoon siirtymävyöhykkeen väsymisvikoja, ja lämpökäsittelypatenteissa mainitaan lisäprosessiriski, että liian paljon solvusin alapuolella oleva porauslämpötila voi ylivanhentaa gamma-primeen ja mitätöidä hyödyn. Kaksimikrorakennekäsittely vaatii tarkkaa lämmönsäätöä ja perusteellista testausta.

Mitä vikoja huono raekoon hallinta voi aiheuttaa?

Tärkeimmät viat ovat epänormaalit karkeat rakeet (kriittinen raekasvu), seka- tai raerakenteet, liiallisen liuoksen lämpötilan aiheuttamat umpeenkasvut ja jäännösjännitys tai vaimennushalkeilu, jotka kaikki voivat lyhentää väsymisikää tai tehdä tuloksista arvaamattomia.

Taulukko 5. Yleiset raekokoon liittyvät viat superseostakeissa ja niiden ehkäisy.

Kuinka ostajien tulisi määrittää ja tarkistaa jyvien koko?

Määritä seos ja säätelevä spesifikaatio, vaadittu ASTM E112 raekokoalue (ja suurin sallittu karkea rakeisuus), testipaikat ja lämpökäsittelyreitti ja vaadi sitten sertifikaatit ja metallografia, jotka todistavat sen.

Raekoko on raportoitu ASTM E112 -asteikolla, jossa suurempi luku tarkoittaa hienompaa raekokoa. Alla olevassa taulukossa on likimääräiset keskimääräiset raehalkaisijat numeroille, joita yleisesti nähdään superseostakeissa.

Taulukko 6. Likimääräiset ASTM E112 -raekoon muunnokset.

Taulukko 7. Ostajan tarkistuslista raekokokriittisille superseostakeille.

Usein kysytyt kysymykset

Takomisen muodonmuutos luo rakeita, kiinnittyneet hiukkaset (deltafaasi 718-seoksessa, karkea primaarinen gamma-prime kiekkolejeeringeissä) pidättelevät niitä, ja liuoksen lämpötila suhteessa solvusiin päättää, jäävätkö hiukkaset vai liukenevatko ne.

Mikä on Inconel 718:n delta solvus?

Noin 1010-1020 astetta. Julkaistut arvot vaihtelevat hieman, koska solvus riippuu ajasta, morfologiasta ja paikallisesta niobiumpitoisuudesta; yksi tutkimus raportoi laskennallisen tasapainoarvon lähellä 1033 astetta ja näennäisen arvon lähellä 1020 astetta.

Mikä on subsolvus versus supersolvus lämpökäsittely?

Subsolvus on liuoskäsittely gamma prime solvusin alapuolella ja antaa hienojakoisia rakeita sekä parempia veto- ja väsymisominaisuuksia. Supersolvus on solvusin yläpuolella ja antaa karkeita rakeita sekä paremman virumisen ja halkeilun kasvun kestävyyden.

Miksei jokaista jyvää tehtäisi karkeaksi virumisenkestävyyden vuoksi?

Karkeat rakeet alentavat vetolujuutta ja alhaisen syklin väsymislujuutta, millä on merkitystä levyn viileämmässä, erittäin rasitussa reiässä. Siksi on olemassa kaksimikrorakennehoitoja.

Mikä on Inconel 718:n vakiolämpökäsittely?

Liuoshehkuta noin 925–1010 astetta nopealla jäähdytyksellä, vanhenna sitten 718 asteessa 8 tuntia, jäähdytä uunissa noin 620 asteeseen, pidä yhteensä 18 tuntia ja ilmajäähdytä.

Mikä on kriittinen viljan kasvu?

Epänormaalin karkeat rakeet, jotka muodostuvat kriittisen jännityksen alueille jauhemetalliseosten, kuten René 88DT:n, supersolvus-lämpökäsittelyn jälkeen. Se on tunnettu taonta- ja lämpökäsittelyriski, joka on suunniteltu estämään käsittelyn valvonta.