Nikkel-undirstaða ofurblendi: Hitameðferð til að stjórna kornastærð í mikilvægum snúningshlutum

Túrbínudiskar, þjöppudiskar, stokka og snúningssmíði snúast á miklum hraða og háum hita í þúsundir klukkustunda. Bilun er ekki leki; það er hörmulegur atburður. Fyrir þessa hluta er stærð málmkornanna ekki snyrtileg smáatriði. Það ákveður hvernig hluturinn þolir þreytusprungur, skrið og hægan sprunguvöxt. Þessi handbók útskýrir hvernig hitameðhöndlun ákvarðar kornastærð í nikkel-undirstaða ofurblendi, hvernig helstu leiðir bera saman og hvað kaupendur ættu að tilgreina og sannreyna.

Kornastærð í ofurblendi smíða er stillt af tvennu sem vinnur saman: heitvinnslusagan sem skapar kornin og hitameðhöndlunarhitastigið miðað við hitastigið sem styrkingar- eða festaagnirnar leysast upp við. Lausn undir því hitastigi heldur kornum fínum (betri tog- og þreytustyrkur); lausn fyrir ofan það lætur korn vaxa gróft (betra skrið- og sprunguvaxtarþol). Meðferð með tvíþættri örbyggingu reynir að gefa hverjum hluta disks þá kornastærð sem hann þarfnast.

Af hverju skiptir kornastærð máli í mikilvægum snúningshlutum?

Vegna þess að fínt og gróft korn vernda gegn mismunandi bilunarhamum. Fínkorn gefa meiri togstyrk og betri þreytuþol við lágan hringrás; Gróft korn gefur betri skrið- og sprunguþol við háan hita. Engin ein kornastærð er best alls staðar í snúningshluta.

Korn er pínulítill kristal. Mörkin milli korna eru veikir blettir við háan hita, þar sem málmur getur hægt og rólega afmyndast (skriðið) meðfram þeim. Við lægra hitastig er hið gagnstæða satt: mörk loka fyrir sprungur, þannig að fleiri mörk (fínnari korn) þýðir sterkari, þreytuþolnari málmur. Diskur hefur bæði skilyrði í einu. Holan (miðja) er kaldari og ber mikla streitulotu. Felgan rennur heitari og situr undir viðvarandi álagi.

Tafla 1. Kornastærðarviðskipti í diska málmblöndur, eins og lýst er í útgefnum hitameðhöndlunarritum um gastúrbínudiska.

Hvað stjórnar kornastærð í nikkel-undirstaða ofurblendi smíða?

Þrjár stangir stjórna því: hversu mikið og hversu heitt málmurinn afmyndast við mótun, hvaða agnir eru til staðar til að festa kornamörk og endanlegt hitastig lausnarmeðferðar miðað við solvus (hitastigið sem þessar agnir leysast upp við).

Við mótun myndar aflögun ný, lítil korn með endurkristöllun. Við síðari upphitun hafa þessi korn tilhneigingu til að vaxa, vegna þess að stór korn hafa minna landamæri og því minni orku. Harðar agnir sem sitja á kornamörkum virka eins og akkeri og stöðva þennan vöxt. Íálfelgur 718festingarfasinn er delta (δ); í duft-málm diska málmblöndur það er gróft aðal gamma prime (′). Þegar hitameðhöndlunarhitastigið fer yfir það stig þar sem akkerin leysast upp geta korn vaxið hratt. Þetta er ástæðan fyrir því að solvus hitastigið er mikilvægasta talan í kornastærðarstýringu.

Hvernig stjórnar Delta Phase kornastærð í Inconel 718?

Deltafasinn er níóbíumríkur fasi sem myndast á kornamörkum á milli um það bil 800 og 1000 gráður. Það festir mörk við mótun og lausnarmeðferð, þannig að Alloy 718 helst fínkorna svo lengi sem hitastig lausnarinnar helst undir delta solvus, um 1010–1020 gráður.

Falsarar nýta sér þetta viljandi. Í „delta vinnslu“ er efninu haldið til að fella út deltafasa fyrir og meðan á smíði stendur, þannig að korn haldist lítil þegar hluturinn er síðar hitaður. Birt gögn sýna hversu viðkvæm kornastærð er fyrir hitastigi og delta innihaldi. Í einni rannsókn á ofur-fínkorni 718 billet, lausn af 1800 gráðu F (um 980 gráður) í 5 klukkustundir skildi eftir um 2,6% delta og gaf ASTM 9 kornastærð, en 1850 gráður F (um 1010 gráður) í 1 klukkustund skildi eftir um 4,6% delta og gaf aðskilda staðallausn 9 gráðu í rannsókn ASTM 5 í fullum mælikvarða 9. samræmd ASTM 11–12 uppbygging í delta-unnu efni.

Tafla 2. Áhrif hitastigs lausnar og deltafasa á Alloy 718 kornastærð. Heimildir: TMS Superalloys málsmeðferð (1992, 2001) og einkaleyfisrit um Alloy 718 hitameðferð. ASTM tölur eru ASTM E112 kornastærðarnúmer; hærri þýðir fínni.

Afgreiðslan er skipting. Deltafasinn hjálpar til við að halda kornastærð, en við kornamörk getur það einnig haft áhrif á sveigjanleika og streitutæringarhegðun, þannig að sum forrit leysa það vísvitandi upp. Útgefið einkaleyfi á streitutæringarþoli greinir frá því að glæðing fyrir ofan delta solvus hafi fjarlægt mörk delta en gróf korn úr ASTM 8 til ASTM 3. Þetta er ástæðan fyrir því að lausnarhitastigið er valið fyrir umsóknina, ekki afritað úr almennri töflu.

Hver er munurinn á Subsolvus og Supersolvus hitameðferð?

Subsolvus lausnarmeðferð fer fram undir gamma prime solvus, skilur eftir sig grófar frum′ agnir sem festa korn og gefur fínt korn. Supersolvus meðferð er gerð fyrir ofan solvus, leysir upp þessar agnir og lætur korn grófast. Sá fyrsti styður styrk og þreytu; annað styður við skrið- og sprunguvöxt.

Þetta val á aðallega við um mjög málmblönduð, gamma-prím-styrkt duft-málm diska málmblöndur eins og René 88DT, þar sem gamma prime solvus hefur verið tilkynnt um 1110–1116 gráður (2030–2040 gráður F). Útgefið verk um þessar málmblöndur bendir á að meðhöndlun á undirsolvus haldi um það bil 10–20% af grófum frumögnum sem takmarka kornvöxt, á meðan supersolvus meðferðir missa þessa þvingun og leyfa kornunum að vaxa.

Tafla 3. Subsolvus versus supersolvus lausn meðferð fyrir gamma-prime-styrkt diska málmblöndur. Heimildir: TMS Superalloys málsmeðferð, NASA diskarannsóknir og GE einkaleyfisrit.

Supersolvus vinnsla var miðpunktur í þróun René 88DT, þar sem búist var við að grófari kornastærð sem þróuð var með supersolvus lausnarmeðferð myndi gagnast skrið, og áætlunin miðaði að mikilli minnkun á vaxtarhraða þreytusprunga samanborið við René 95. Supersolvus meðferð á þessum flokki álfelgur getur framleitt grófar kornastærðir sem nálgast ASTM 6 viðnám fituvaxtar til að bæta viðnám við dwell fituvöxt.

Hver er hefðbundin hitameðferð fyrir Inconel 718 smíðajárn?

Lausnglæðing við um 925–1010 gráður, fylgt eftir með hröðum kólnun, síðan tveggja þrepa öldrun: 718 gráður í 8 klukkustundir, ofninn kaldur í um það bil 620 gráður, haltu í heildaröldrun 18 klukkustunda, síðan loftkælingu. Með því að halda lausnarþrepinu fyrir neðan delta solvus varðveitir fínkornið.

Tafla 4. Dæmigert málmblöndur 718 lausn-og aldurslotu. Heimildir: gagnablöð birgja sem vísa til AMS 5662/5663 venju. Fylgdu alltaf gildandi forskrift og innkaupapöntun.

Öldrunarþrepin breyta kornastærð ekki mikið, vegna þess að 718 gráður og 620 gráður eru vel undir lausnarhitastigi. Það sem þeir gera er að fella fram styrkingarfasa (″ og ′). Kornastærð er því fest með smíðaleiðinni og lausnarþrepinu; öldrun setur síðan styrk.

Hvað er tvöföld örbygging hitameðferð og hvers vegna er hún notuð fyrir diska?

Hitameðhöndlun með tvískiptri örbyggingu gefur skífunni fínkorna, sterka holu og grófkorna, skriðþolna brún með því að hita svæðin tvö að mismunandi hitastigi miðað við solvus. Það miðar að því að fjarlægja eina kornstærð sem hentar öllum.

Samræmd hitameðhöndlun gefur jafna kornastærð um allan diskinn, ýmist fínt eða gróft, sem knýr fram málamiðlun. Í tvíþættri meðhöndlun er brúnin færð fyrir ofan gamma prime solvus til að grófa það, á meðan holan er haldið fyrir neðan solvus. Rannsóknir á háþróaðri diska álfelgur LSHR skoðuðu subsolvus og supersolvus valkosti og nokkra tvískiptu valkosti, hannaðir til að gefa fínkorna, hástyrka holu og grófkorna, skriðþolna brún.

Aðferðin hefur sína eigin áskorun: breytingasvæðið milli fíns og grófs svæða. Vísindamenn NASA hafa rannsakað þreytubilunarhami á kornastærð umbreytingarsvæðis tvískipaðrar örbyggingarskífu, og hitameðferðar einkaleyfi benda á frekari vinnsluhættu, að borhitastig of langt undir leysinum getur ofeldað gamma prime og hætt við ávinninginn. Meðferð með tvískiptri örbyggingu krefst nákvæmrar hitastýringar og ítarlegra prófana.

Hvaða galla getur léleg stjórn á kornastærð valdið?

Helstu gallarnir eru óeðlileg gróf korn (mikilvægur kornvöxtur), blönduð eða bandlaga kornbygging, gróin korn vegna of hás lausnarhita og leifar álags eða slökkvisprunga, sem allt getur dregið úr þreytulífi eða gert niðurstöður ófyrirsjáanlegar.

Tafla 5. Algengar gallar sem tengjast kornastærð í ofurblendi járnblendi og hvernig má koma í veg fyrir þá.

Hvernig ættu kaupendur að tilgreina og staðfesta kornastærð?

Tilgreindu málmblönduna og gildandi forskrift, tilskilið ASTM E112 kornastærðarsvið (og hvers kyns hámarks leyfilegt gróft korn), prófunarstaðina og hitameðhöndlunarleiðina, krefðust síðan vottorða og málmgreiningar sem sanna það.

Kornastærð er tilgreind á ASTM E112 kvarðanum, þar sem stærri tala þýðir fínni korn. Taflan hér að neðan gefur áætlaða meðalkornþvermál fyrir þær tölur sem almennt sjást í ofurblendi járnblendi.

Tafla 6. Áætlaður ASTM E112 kornastærðarbreytingar.

Tafla 7. Gátlisti kaupanda fyrir járnblendi sem er mikilvægt fyrir kornastærð.

Algengar spurningar

Við mótun aflögunar myndast kornin, festa agnir (delta fasi í Alloy 718, gróft aðal gamma prime í diska málmblöndur) halda þeim aftur og hitastig lausnarinnar miðað við solvus ákvarðar hvort þessar agnir haldast eða leysast upp.

Hver er delta lausnin á Inconel 718?

Um 1010–1020 gráður. Birt gildi eru örlítið á bilinu vegna þess að lausnin fer eftir tíma, formgerð og staðbundnu nióbíuminnihaldi; ein rannsókn greinir frá útreiknuðu jafnvægisgildi nálægt 1033 gráðum og sýnilegt gildi nálægt 1020 gráðum.

Hvað er subsolvus versus supersolvus hitameðferð?

Subsolvus er lausnarmeðferð undir gamma prime solvus og gefur fínkorn og betri tog- og þreytueiginleika. Supersolvus er fyrir ofan solvus og gefur gróf korn og betri skrið- og sprunguvaxtarþol.

Af hverju ekki að gera hvert korn gróft fyrir skriðþol?

Gróft korn lækkar togþol og þreytustyrk í litlum hringrásum, sem skipta máli við kælir, mjög stressuð hola disks. Þess vegna eru til meðferðir með tvíþættri örbyggingu.

Hver er staðlað hitameðferð fyrir Inconel 718?

Lausnin glæðu um 925–1010 gráður með hraðri kælingu, eldast síðan við 718 gráður í 8 klukkustundir, ofninn kólnar í um 620 gráður, haltu í 18 klukkustundir samtals og loftkælir.

Hvað er mikilvægur kornvöxtur?

Óeðlilega gróf korn sem myndast á svæðum þar sem álag er mikilvægt eftir supersolvus hitameðferð á duft-málmblöndur eins og René 88DT. Það er þekkt smíða- og hitameðhöndlunarhætta sem vinnslustýringar eru hannaðar til að koma í veg fyrir.