Forja de superaliatge a base de níquel: tractament tèrmic per al control de la mida del gra en peces giratòries crítiques

Els discos de la turbina, els discs del compressor, els eixos i les peces forjades del rotor giren a gran velocitat i temperatura durant milers d'hores. Una fallada no és una filtració; és un esdeveniment catastròfic. Per a aquestes parts, la mida dels grans del metall no és un detall cosmètic. Decideix com resisteix la peça a les esquerdes per fatiga, la fluïdesa i el creixement lent de les esquerdes. Aquesta guia explica com el tractament tèrmic estableix la mida del gra en forjats de superaliatge a base de níquel, com es comparen les rutes principals i què haurien d'especificar i verificar els compradors.

La mida del gra en una forja de superaliatge es determina per dues coses que treballen juntes: la història de treball en calent que crea els grans i la temperatura de tractament tèrmic en relació amb la temperatura a la qual es dissolen les partícules d'enfortiment o fixació. La solució per sota d'aquesta temperatura manté els grans fins (millor resistència a la tracció i a la fatiga); la solució per sobre d'ella permet que els grans creixin gruixuts (més flueixen i perduran la resistència al creixement de les esquerdes). Els tractaments de doble microestructura intenten donar a cada part d'un disc la mida de gra que necessita.

Per què importa la mida del gra a les peces giratòries crítiques?

Perquè els grans fins i gruixuts protegeixen contra diferents modes de fallada. Els grans fins donen una major resistència a la tracció i una millor resistència a la fatiga de cicle baix; els grans gruixuts donen una millor resistència al creixement de les esquerdes i la fluïdesa a alta temperatura. Cap mida de gra individual és millor a tot arreu en una part giratòria.

Un gra és un petit cristall. Els límits entre els grans són punts febles a alta temperatura, on el metall es pot deformar (arreglar) lentament al llarg d'ells. A temperatures més baixes passa el contrari: els límits bloquegen les esquerdes, de manera que més límits (grans més fins) significa un metall més fort i més resistent a la fatiga. Un disc té les dues condicions alhora. El forat (centre) és més fresc i porta cicles d'estrès elevats. La vora s'escalfa més i s'assenta sota càrrega sostinguda.

Taula 1. La compensació de la mida del gra en els aliatges de disc, tal com es descriu a la literatura publicada sobre tractaments tèrmics de disc de turbina de gas.

Què controla la mida del gra en una forja de superaliatge a base de níquel?

Tres palanques el controlen: quant i amb quina calor es deforma el metall durant la forja, quines partícules estan presents per fixar els límits del gra i la temperatura final de tractament de la solució relativa al solvus (la temperatura a la qual es dissolen aquestes partícules).

Durant la forja, la deformació crea nous grans petits per recristal·lització. Durant l'escalfament posterior, aquests grans tendeixen a créixer, perquè els grans grans tenen menys àrea límit i, per tant, menor energia. Les partícules dures que s'asseuen als límits del gra actuen com a ancoratges i detenen aquest creixement. EnAliatge 718la fase d'ancoratge és delta (δ); en els aliatges de disc de pols metàl·lic és gamma primària gruixuda ( ′). Un cop la temperatura del tractament tèrmic supera el punt on es dissolen els ancoratges, els grans poden créixer ràpidament. És per això que la temperatura de solvus és el nombre més important en el control de la mida del gra.

Com controla la fase Delta la mida del gra a Inconel 718?

La fase delta és una fase rica en niobi que es forma en els límits de gra entre aproximadament 800 i 1000 graus. Fixa els límits durant la forja i el tractament de la solució, de manera que l'aliatge 718 es manté de gra fi sempre que la temperatura de la solució es mantingui per sota del delta solvus, uns 1010-1020 graus.

Els falsificadors exploten això a propòsit. En el "processament delta", el material es manté per precipitar la fase delta abans i durant la forja, de manera que els grans es mantenen petits quan la peça s'escalfa més tard. Les dades publicades mostren com de sensible és la mida del gra a la temperatura i al contingut delta. En un estudi de billets 718 de gra ultra fi, una solució de 1.800 graus F (uns 980 graus) durant 5 hores va deixar al voltant del 2,6% delta i va donar una mida de gra ASTM 9, mentre que 1.850 graus F (uns 1010 graus) durant 1 hora va deixar al voltant del 4,6% delta delta i va donar a l'estudi una solució estàndard ASTM a escala 10. 954 graus van produir una estructura uniforme ASTM 11-12 en material processat en delta.

Taula 2. Efecte de la temperatura de la solució i la fase delta sobre la mida del gra de l'Aliatge 718. Fonts: procediments de TMS Superalloys (1992, 2001) i literatura de patents sobre tractament tèrmic d'Aloy 718. Els números ASTM són números de mida de gra ASTM E112; més alt vol dir més fi.

El menjar per emportar és una compensació. La fase delta ajuda a mantenir la mida del gra, però als límits del gra també pot afectar la ductilitat i el comportament de la corrosió per estrès, de manera que algunes aplicacions la dissolen deliberadament. Una patent publicada sobre resistència a la corrosió per estrès informa que el recuit per sobre del delta solvus va eliminar el delta límit però els grans gruixuts d'ASTM 8 a ASTM 3. És per això que s'escull la temperatura de la solució per a l'aplicació, no copiada d'una taula genèrica.

Quina diferència hi ha entre el tractament tèrmic Subsolvus i Supersolvus?

El tractament amb la solució Subsolvus es fa per sota del solvus gamma prim, deixa partícules primàries gruixudes que fixen els grans i dóna grans fins. El tractament de Supersolvus es fa per sobre del solvus, dissol aquestes partícules i deixa que els grans s'engreixin. El primer afavoreix la força i la fatiga; el segon afavoreix la resistència al creixement de la fluència i l'esquerda.

Aquesta elecció s'aplica principalment als aliatges de discos metàl·lics en pols reforçats amb gamma altament aliats, com el René 88DT, el solvus gamma primer del qual s'ha informat a uns 1110-1116 graus (2030-2040 graus F). El treball publicat sobre aquests aliatges assenyala que els tractaments subsolvus retenen aproximadament el 10-20% de les partícules primàries gruixudes que restringeixen el creixement del gra, mentre que els tractaments supersolvus perden aquesta limitació i permeten que els grans creixin.

Taula 3. Tractament amb solució de Subsolvus versus supersolvus per a aliatges de disc reforçats amb gamma-prime. Fonts: tràmits de TMS Superalloys, estudis de disc de la NASA i literatura de patents de GE.

El processament Supersolvus va ser fonamental per al desenvolupament del René 88DT, on s'esperava que la mida de gra més gruixuda desenvolupada pel tractament amb solució supersolvus beneficiés la fluència, i el programa tenia com a objectiu una gran reducció de la taxa de creixement de les esquerdes per fatiga en comparació amb el René 95. El tractament Supersolvus d'aquesta classe d'aliatge pot produir mides de gra gruixut que s'aproximaven a ASTM 6 per millorar la resistència al creixement de les esquerdes per fatiga.

Quin és el tractament tèrmic estàndard per a forja Inconel 718?

Recuit de la solució a uns 925-1010 graus seguit d'un refredament ràpid, després una edat en dos passos: 718 graus durant 8 hores, refredar el forn a uns 620 graus, mantenir un temps d'envelliment total de 18 hores, després refredar a l'aire. Mantenir el pas de solució per sota del delta solvus conserva el gra fi.

Taula 4. Cicle típic de solució i edat d'Aliatge 718. Fonts: fitxes de proveïdors que fan referència a la pràctica AMS 5662/5663. Seguiu sempre les especificacions vigents i l'ordre de compra.

Els passos d'envelliment no canvien gaire la mida del gra, perquè 718 graus i 620 graus estan molt per sota de les temperatures de la solució. El que fan és precipitar les fases d'enfortiment ( ″ i ′). Per tant, la mida del gra es fixa per la ruta de forja i el pas de solució; L'envelliment fa més força.

Què és el tractament tèrmic de microestructura dual i per què s'utilitza per als discos?

El tractament tèrmic de doble microestructura proporciona a un disc un forat de gra fi i alta resistència i una vora de gra gruixut i resistent a la fluïdesa escalfant les dues regions a temperatures diferents en relació al solvus. Té com a objectiu eliminar el compromís d'una mida de gra per a tots.

Un tractament tèrmic uniforme proporciona una mida de gra uniforme a tot el disc, ja sigui fi o gruixut, la qual cosa obliga a un compromís. En un tractament dual, la vora es porta per sobre del solvus gamma prime per engrossir-lo, mentre que el forat es manté per sota del solvus. La investigació sobre l'aliatge de disc avançat LSHR va examinar les opcions de subsolvus i supersolvus i diverses opcions d'estructura dual, dissenyades per oferir un forat de gra fi i d'alta resistència i una vora de gra gruixut i resistent a la fluïdesa.

El mètode té el seu propi repte: la zona de transició entre regions fines i gruixudes. Els investigadors de la NASA han estudiat els modes de fallada per fatiga a la zona de transició de la mida del gra d'un disc de microestructura dual, i les patents de tractament tèrmic observen un risc de procés addicional, que una temperatura del forat massa per sota del solvus pot envellir el gamma prime i cancel·lar el benefici. El tractament de doble microestructura requereix un control tèrmic precís i proves exhaustives.

Quins defectes pot causar un mal control de la mida del gra?

Els defectes principals són grans gruixuts anormals (creixement de gra crític), estructures de gra barrejats o en bandes, grans massa creixents per una temperatura excessiva de la solució i tensió residual o esquerdament d'extinció, tot això pot reduir la vida de fatiga o fer que els resultats siguin impredictibles.

Taula 5. Defectes comuns relacionats amb la mida del gra en forja de superaliatge i com prevenir-los.

Com haurien d'especificar i verificar la mida del gra els compradors?

Especifiqueu l'aliatge i l'especificació reguladora, l'interval de mida de gra ASTM E112 requerit (i qualsevol gra gruixut màxim admissible), les ubicacions de prova i la ruta de tractament tèrmic i, a continuació, necessiteu certificats i metalografia que ho demostrin.

La mida del gra s'informa a l'escala ASTM E112, on un nombre més gran significa un gra més fi. La taula següent ofereix els diàmetres de gra mitjans aproximats per als números que es veuen habitualment en forjats de superaliatge.

Taula 6. Conversions aproximades de la mida del gra ASTM E112.

Taula 7. Llista de verificació del comprador per a forjats de superaliatge crítics per a la mida del gra.

Preguntes freqüents

La deformació de la forja crea els grans, les partícules de fixació (fase delta a l'aliatge 718, gamma primària gruixuda en aliatges de disc) els frenen i la temperatura de la solució relativa al solvus decideix si aquestes partícules es mantenen o es dissolen.

Quin és el delta solvus de l'Inconel 718?

Uns 1010-1020 graus. Els valors publicats varien lleugerament perquè el solvus depèn del temps, la morfologia i el contingut local de niobi; un estudi informa d'un valor d'equilibri calculat prop de 1033 graus i un valor aparent prop de 1020 graus.

Què és el tractament tèrmic subsolvus versus supersolvus?

Subsolvus és un tractament de solució per sota del solvus gamma prime i dóna grans fins i millors propietats de tracció i fatiga. Supersolvus està per sobre del solvus i dóna grans gruixuts i una millor resistència al creixement de la fluïdesa i l'esquerda.

Per què no fer que cada gra sigui gruixut per a la resistència a la fluïdesa?

Els grans gruixuts redueixen la resistència a la tracció i a la fatiga de baix cicle, que importen al forat més fred i molt tensat d'un disc. Per això existeixen tractaments de doble microestructura.

Quin és el tractament tèrmic estàndard per a Inconel 718?

Recuit la solució al voltant de 925-1010 graus amb un refredament ràpid, després envelleix a 718 graus durant 8 hores, el forn es refreda a uns 620 graus, mantén-ho fins a 18 hores en total i refreda l'aire.

Què és el creixement crític del gra?

Grans anormalment gruixuts que es formen a les regions de tensió crítica després del tractament tèrmic supersolvus d'aliatges metàl·lics en pols com el René 88DT. És un risc conegut de forja i tractament tèrmic que els controls de processament estan dissenyats per prevenir.