Vật liệu rèn siêu hợp kim dựa trên niken: Xử lý nhiệt để kiểm soát kích thước hạt trong các bộ phận quay quan trọng

Đĩa tuabin, đĩa máy nén, trục và bộ phận rèn rôto quay ở tốc độ cao và nhiệt độ cao trong hàng nghìn giờ. Thất bại không phải là rò rỉ; đó là một sự kiện thảm khốc. Đối với những bộ phận này, kích thước của các hạt kim loại không phải là một chi tiết mang tính thẩm mỹ. Nó quyết định cách thức chi tiết chống lại các vết nứt do mỏi, từ biến và sự phát triển vết nứt chậm. Hướng dẫn này giải thích cách xử lý nhiệt thiết lập kích thước hạt trong quá trình rèn siêu hợp kim dựa trên niken, cách so sánh các tuyến đường chính và những gì người mua nên chỉ định và xác minh.

Kích thước hạt trong quá trình rèn siêu hợp kim được thiết lập bởi hai yếu tố phối hợp với nhau: quá trình gia công nóng tạo ra các hạt và nhiệt độ xử lý nhiệt liên quan đến nhiệt độ mà các hạt gia cố hoặc ghim hòa tan. Dung dịch dưới nhiệt độ đó giữ cho hạt mịn (độ bền kéo và độ bền mỏi tốt hơn); dung dịch ở trên cho phép các hạt phát triển thô (khả năng chống leo và nứt tốt hơn). Phương pháp xử lý vi cấu trúc kép cố gắng cung cấp cho mỗi phần của đĩa có kích thước hạt cần thiết.

Tại sao kích thước hạt lại quan trọng trong các bộ phận quay quan trọng?

Bởi vì các hạt mịn và thô bảo vệ khỏi các dạng hư hỏng khác nhau. Các hạt mịn cho độ bền kéo cao hơn và khả năng chống mỏi ở chu kỳ thấp tốt hơn; các hạt thô giúp chống chịu sự phát triển vết nứt và rão tốt hơn ở nhiệt độ cao. Không có kích thước hạt đơn lẻ nào là tốt nhất ở mọi nơi trong bộ phận quay.

Một hạt là một tinh thể nhỏ. Ranh giới giữa các hạt là những điểm yếu ở nhiệt độ cao, nơi kim loại có thể biến dạng từ từ (leo) dọc theo chúng. Ở nhiệt độ thấp hơn thì điều ngược lại là đúng: các ranh giới ngăn chặn các vết nứt, do đó, nhiều ranh giới hơn (hạt mịn hơn) có nghĩa là kim loại bền hơn, chống mỏi hơn. Một đĩa có cả hai điều kiện cùng một lúc. Lỗ khoan (ở giữa) mát hơn và chịu được chu kỳ ứng suất cao. Vành xe chạy nóng hơn và chịu tải liên tục.

Bảng 1. Sự đánh đổi kích thước hạt trong hợp kim đĩa, như được mô tả trong tài liệu xử lý nhiệt đĩa tuabin khí đã xuất bản.

Điều gì kiểm soát kích thước hạt trong quá trình rèn siêu hợp kim dựa trên niken?

Ba đòn bẩy kiểm soát nó: kim loại bị biến dạng bao nhiêu và nóng đến mức nào trong quá trình rèn, những hạt nào hiện diện ở ranh giới hạt và nhiệt độ xử lý dung dịch cuối cùng so với dung môi (nhiệt độ mà các hạt đó hòa tan).

Trong quá trình rèn, sự biến dạng tạo ra các hạt nhỏ, mới bằng cách kết tinh lại. Trong quá trình đun nóng sau này, những hạt đó có xu hướng phát triển vì những hạt lớn có diện tích ranh giới nhỏ hơn và do đó năng lượng thấp hơn. Các hạt cứng nằm trên ranh giới hạt hoạt động giống như những chiếc neo và ngăn chặn sự phát triển này. TRONGHợp kim 718pha neo là delta (δ); trong các hợp kim đĩa kim loại bột, nó là nguyên tố gamma sơ cấp thô ( ′). Khi nhiệt độ xử lý nhiệt vượt qua điểm mà các neo tan ra, các hạt có thể phát triển nhanh chóng. Đây là lý do tại sao nhiệt độ solvus là con số quan trọng nhất trong việc kiểm soát kích thước hạt.

Pha Delta kiểm soát kích thước hạt trong Inconel 718 như thế nào?

Pha Delta là pha giàu niobi hình thành trên các ranh giới hạt trong khoảng từ 800 đến 1000 độ. Nó xác định các ranh giới trong quá trình rèn và xử lý dung dịch, do đó, Hợp kim 718 vẫn có hạt mịn miễn là nhiệt độ dung dịch duy trì dưới mức solvus delta, khoảng 1010–1020 độ.

Những kẻ giả mạo khai thác điều này có mục đích. Trong "xử lý delta", vật liệu được giữ để kết tủa pha delta trước và trong quá trình rèn, sao cho các hạt vẫn nhỏ khi bộ phận này được nung nóng sau đó. Dữ liệu được công bố cho thấy kích thước hạt nhạy cảm như thế nào với nhiệt độ và hàm lượng delta. Trong một nghiên cứu về phôi siêu mịn 718, dung dịch ở nhiệt độ 1800 độ F (khoảng 980 độ) trong 5 giờ để lại khoảng 2,6% delta và cho kích thước hạt ASTM 9, trong khi ở nhiệt độ 1850 độ F (khoảng 1010 độ) trong 1 giờ để lại khoảng 4,6% delta và cho ASTM 10. Trong một nghiên cứu đĩa quy mô đầy đủ riêng biệt, dung dịch tiêu chuẩn ở 954 độ tạo ra một tiêu chuẩn ASTM đồng nhất Cấu trúc 11–12 trong vật liệu được xử lý delta.

Bảng 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch và pha delta đến kích thước hạt Hợp kim 718. Nguồn: Thủ tục tố tụng TMS Superalloys (1992, 2001) và tài liệu bằng sáng chế về xử lý nhiệt Hợp kim 718. Số ASTM là số kích thước hạt ASTM E112; cao hơn có nghĩa là tốt hơn.

Takeaway là một sự đánh đổi. Pha Delta giúp giữ kích thước hạt, nhưng ở ranh giới hạt, nó cũng có thể ảnh hưởng đến độ dẻo và hành vi ăn mòn do ứng suất, do đó một số ứng dụng cố tình hòa tan nó. Một bằng sáng chế được công bố về khả năng chống ăn mòn do ứng suất báo cáo rằng quá trình ủ trên solvus delta đã loại bỏ các hạt delta nhưng thô hơn từ ASTM 8 đến ASTM 3. Đây là lý do tại sao nhiệt độ dung dịch được chọn cho ứng dụng chứ không phải được sao chép từ bảng chung.

Sự khác biệt giữa xử lý nhiệt Subsolvus và Supersolvus là gì?

Việc xử lý bằng dung dịch dưới dung dịch hòa tan được thực hiện dưới dung dịch gamma nguyên tố, để lại các hạt sơ cấp ′ thô, ghim hạt và tạo ra hạt mịn. Việc xử lý Supersolvus được thực hiện phía trên dung dịch hòa tan, hòa tan các hạt đó và làm cho các hạt trở nên thô hơn. Việc đầu tiên ủng hộ sức mạnh và sự mệt mỏi; thứ hai ủng hộ khả năng chống tăng trưởng leo và nứt.

Sự lựa chọn này chủ yếu áp dụng cho các hợp kim đĩa kim loại bột được tăng cường bằng gamma nguyên tố, hợp kim cao như René 88DT, có gamma solvus nguyên tố đã được báo cáo ở khoảng 1110–1116 độ (2030–2040 độ F). Công trình nghiên cứu đã công bố về các hợp kim này lưu ý rằng các phương pháp xử lý bằng nhiệt độ thấp giữ lại khoảng 10–20% các hạt sơ cấp thô ′ hạn chế sự phát triển của hạt, trong khi các phương pháp xử lý bằng dung môi siêu âm làm mất đi hạn chế này và cho phép hạt phát triển.

Bảng 3. Xử lý bằng dung dịch Subsolvus và Supersolvus cho hợp kim đĩa được tăng cường bằng gamma Prime. Nguồn: Thủ tục tố tụng TMS Superalloys, nghiên cứu về đĩa của NASA và tài liệu về bằng sáng chế của GE.

Quá trình xử lý Supersolvus là trọng tâm trong sự phát triển của René 88DT, trong đó kích thước hạt thô hơn được phát triển bằng xử lý dung dịch supersolvus được kỳ vọng sẽ mang lại lợi ích cho từ biến và chương trình nhằm mục đích giảm đáng kể tốc độ phát triển vết nứt mỏi so với René 95. Xử lý Supersolvus của loại hợp kim này có thể tạo ra kích thước hạt thô đạt tới tiêu chuẩn ASTM 6 để cải thiện khả năng chống lại sự phát triển vết nứt do mỏi.

Xử lý nhiệt tiêu chuẩn cho vật rèn Inconel 718 là gì?

Ủ dung dịch ở nhiệt độ khoảng 925–1010 độ, sau đó làm nguội nhanh, sau đó ủ hai bước: 718 độ trong 8 giờ, làm nguội lò đến khoảng 620 độ, giữ tổng thời gian lão hóa là 18 giờ, sau đó làm mát bằng không khí. Giữ bước dung dịch dưới mức solvus delta sẽ bảo toàn được hạt mịn.

Bảng 4. Chu kỳ giải pháp và độ tuổi của Hợp kim 718 điển hình. Nguồn: bảng dữ liệu của nhà cung cấp tham khảo thực hành AMS 5662/5663. Luôn tuân theo các đặc điểm kỹ thuật quản lý và đơn đặt hàng.

Các bước lão hóa không làm thay đổi kích thước hạt nhiều vì 718 độ và 620 độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ dung dịch. Những gì chúng làm là thúc đẩy các giai đoạn tăng cường ( ″ và ′). Do đó, kích thước hạt được cố định bởi lộ trình rèn và bước giải pháp; lão hóa rồi mới tạo nên sức mạnh.

Xử lý nhiệt cấu trúc vi mô kép là gì và tại sao nó được sử dụng cho đĩa?

Xử lý nhiệt cấu trúc vi mô kép mang lại cho đĩa một lỗ khoan có hạt mịn, độ bền cao và vành có hạt thô, chống rão bằng cách nung nóng hai vùng đến các nhiệt độ khác nhau so với dung môi. Nó nhằm mục đích loại bỏ sự thỏa hiệp một kích cỡ phù hợp với tất cả.

Quá trình xử lý nhiệt đồng đều mang lại kích thước hạt đồng đều trên toàn bộ đĩa, dù mịn hay thô, điều này buộc phải có sự thỏa hiệp. Trong phương pháp xử lý kép, vành được đưa lên trên dung dịch gamma prime để làm thô nó, trong khi lỗ khoan được giữ ở dưới dung dịch gamma. Nghiên cứu về hợp kim đĩa tiên tiến LSHR đã kiểm tra các tùy chọn subsolvus và supersolvus cũng như một số tùy chọn cấu trúc kép, được thiết kế để mang lại lỗ khoan hạt mịn, độ bền cao và vành hạt thô, chống rão.

Phương pháp này có thách thức riêng: vùng chuyển tiếp giữa vùng mịn và vùng thô. Các nhà nghiên cứu của NASA đã nghiên cứu các dạng hư hỏng do mỏi trong vùng chuyển tiếp kích thước hạt của đĩa cấu trúc vi mô kép và các bằng sáng chế xử lý nhiệt lưu ý đến một rủi ro khác trong quá trình, đó là nhiệt độ lỗ khoan quá thấp so với nhiệt độ hòa tan có thể làm quá mức gamma nguyên tố và hủy bỏ lợi ích. Xử lý vi cấu trúc kép đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt chính xác và kiểm tra kỹ lưỡng.

Việc kiểm soát kích thước hạt kém có thể gây ra những khuyết tật gì?

Các khuyết tật chính là các hạt thô bất thường (sự phát triển của hạt quan trọng), cấu trúc hạt hỗn hợp hoặc dạng dải, hạt phát triển quá mức do nhiệt độ dung dịch quá cao và ứng suất dư hoặc vết nứt khi tôi, tất cả đều có thể làm giảm tuổi thọ mỏi hoặc làm cho kết quả không thể đoán trước.

Bảng 5. Các khuyết tật thường gặp liên quan đến kích thước hạt trong quá trình rèn siêu hợp kim và cách phòng ngừa chúng.

Người mua nên chỉ định và xác minh kích thước hạt như thế nào?

Chỉ định thông số kỹ thuật chi phối và hợp kim, phạm vi kích thước hạt theo yêu cầu của ASTM E112 (và mọi hạt thô tối đa cho phép), vị trí thử nghiệm và lộ trình xử lý nhiệt, sau đó yêu cầu các chứng chỉ và kỹ thuật luyện kim chứng minh điều đó.

Kích thước hạt được báo cáo theo thang đo ASTM E112, trong đó số lớn hơn có nghĩa là hạt mịn hơn. Bảng dưới đây cung cấp đường kính hạt trung bình gần đúng cho các con số thường thấy trong quá trình rèn siêu hợp kim.

Bảng 6. Chuyển đổi kích thước hạt gần đúng theo tiêu chuẩn ASTM E112.

Bảng 7. Danh sách kiểm tra của người mua đối với các sản phẩm rèn siêu hợp kim có kích thước hạt quan trọng.

Câu hỏi thường gặp

Biến dạng rèn tạo ra các hạt, các hạt ghim (pha delta trong Hợp kim 718, nguyên tố gamma thô sơ cấp trong hợp kim đĩa) giữ chúng lại và nhiệt độ dung dịch so với dung dịch quyết định liệu các hạt đó ở lại hay hòa tan.

Giải delta của Inconel 718 là gì?

Khoảng 1010–1020 độ. Các giá trị được công bố dao động một chút vì solvus phụ thuộc vào thời gian, hình thái và hàm lượng niobi cục bộ; một nghiên cứu báo cáo giá trị cân bằng được tính toán gần 1033 độ và giá trị biểu kiến ​​gần 1020 độ.

Xử lý nhiệt subsolvus và supersolvus là gì?

Subsolvus là giải pháp xử lý dưới mức gamma prime solvus và cho hạt mịn cũng như các đặc tính chịu kéo và mỏi tốt hơn. Supersolvus nằm trên solvus và cho hạt thô và khả năng chống nứt và rão tốt hơn.

Tại sao không làm cho mọi hạt trở nên thô để chống rão?

Các hạt thô làm giảm độ bền kéo và độ bền mỏi ở chu kỳ thấp, điều này quan trọng ở lỗ khoan của đĩa có ứng suất cao và nguội hơn. Đó là lý do tại sao phương pháp điều trị vi cấu trúc kép tồn tại.

Xử lý nhiệt tiêu chuẩn cho Inconel 718 là gì?

Dung dịch được ủ ở nhiệt độ khoảng 925–1010 độ với khả năng làm nguội nhanh, sau đó ủ ở nhiệt độ 718 độ trong 8 giờ, làm nguội lò ở nhiệt độ khoảng 620 độ, giữ tổng cộng trong 18 giờ và làm mát bằng không khí.

Tăng trưởng hạt quan trọng là gì?

Các hạt thô bất thường hình thành ở những vùng có biến dạng tới hạn sau khi xử lý nhiệt supersolvus của các hợp kim bột-kim loại như René 88DT. Rủi ro rèn và xử lý nhiệt đã được biết đến mà các biện pháp kiểm soát quy trình được thiết kế để ngăn chặn.