Niklipõhised supersulamist sepised: kuumtöötlus kriitiliste pöörlevate osade tera suuruse reguleerimiseks

Turbiinikettad, kompressorikettad, võllid ja rootori sepised pöörlevad suurel kiirusel ja kõrgel temperatuuril tuhandeid tunde. Ebaõnnestumine ei ole leke; see on katastroofiline sündmus. Nende osade puhul ei ole metalliterade suurus kosmeetiline detail. See määrab, kuidas osa peab vastu väsimuspragudele, roomamisele ja aeglasele pragude kasvule. Selles juhendis selgitatakse, kuidas kuumtöötlemine määrab niklipõhiste supersulamist sepiste tera suuruse, kuidas võrreldakse peamisi marsruute ning mida ostjad peaksid täpsustama ja kontrollima.

Tera suuruse supersulamist sepis määravad kaks koos töötavat asja: kuumtöötlemise ajalugu, mis tekitab terad, ja kuumtöötlemise temperatuur võrreldes temperatuuriga, mille juures tugevdus- või kinnitusosakesed lahustuvad. Lahustamine alla selle temperatuuri hoiab terad peenena (parem tõmbe- ja väsimustugevus); selle kohal olev lahustamine laseb teradel jämedaks kasvada (parem libisemis- ja püsimiskindlus pragude kasvu suhtes). Kahe mikrostruktuuriga töötlemine püüab anda igale ketta osale vajaliku tera suuruse.

Miks on teravilja suurus kriitilistes pöörlevates osades oluline?

Sest peened ja jämedad terad kaitsevad erinevate rikkerežiimide eest. Peened terad annavad suurema tõmbetugevuse ja parema madala tsükli väsimuskindluse; jämedad terad tagavad kõrgel temperatuuril parema roome- ja pragude kasvukindluse. Ükski tera suurus ei ole pöörlevas osas kõikjal parim.

Tera on pisike kristall. Terade vahelised piirid on kõrgel temperatuuril nõrgad kohad, kus metall võib neid mööda aeglaselt deformeeruda (libiseda). Madalamal temperatuuril on vastupidine: piirid blokeerivad pragusid, nii et rohkem piire (peenemaid terasid) tähendab tugevamat ja väsimiskindlamat metalli. Kettal on mõlemad tingimused korraga. Puur (keskel) on jahedam ja kannab kõrgeid pingetsükleid. Velg jookseb kuumemini ja istub püsiva koormuse all.

Tabel 1. Ketassulamite tera suuruse kompromiss, nagu on kirjeldatud avaldatud gaasiturbiini ketaste kuumtöötluse kirjanduses.

Mis kontrollib niklipõhise supersulami sepistamise tera suurust?

Seda juhivad kolm hooba: kui palju ja kui kuumalt metall sepistamise ajal deformeerub, millised osakesed on olemas, et kinnitada tera piirid, ja lõplik lahuse töötlemise temperatuur solvuse suhtes (temperatuur, mille juures need osakesed lahustuvad).

Sepistamise käigus tekivad deformatsioonil ümberkristallimisel uued väikesed terad. Hilisemal kuumutamisel kipuvad need terad kasvama, sest suurtel teradel on väiksem piirpind ja seega ka energia väiksem. Terade piiridel istuvad kõvad osakesed toimivad ankrutena ja peatavad selle kasvu. sissesulam 718ankurdusfaas on delta (δ); pulber-metalli kettasulamites on see jäme primaarne gamma-praim ( ′). Kui kuumtöötlemise temperatuur ületab ankrute lahustumispunkti, võivad terad kiiresti kasvada. Seetõttu on solvusi temperatuur tera suuruse kontrollimisel kõige olulisem number.

Kuidas Delta Phase kontrollib Inconel 718 tera suurust?

Deltafaas on nioobiumirikas faas, mis moodustub terade piiridel ligikaudu 800 ja 1000 kraadi vahel. See kinnitab sepistamise ja lahusega töötlemise ajal piire, nii et sulam 718 jääb peeneteraliseks seni, kuni lahuse temperatuur jääb alla delta solvusi, umbes 1010–1020 kraadi.

Võltsijad kasutavad seda meelega ära. "Delta töötlemisel" hoitakse materjali deltafaasi sadestamiseks enne ja sepistamise ajal, nii et terad jäävad osa hilisemal kuumutamisel väikeseks. Avaldatud andmed näitavad, kui tundlik on tera suurus temperatuuri ja deltasisalduse suhtes. Ühes ülipeeneteralise 718 tooriku uuringus jättis 1800 kraadi F (umbes 980 kraadi) lahus 5 tunni jooksul umbes 2,6% delta ja andis ASTM 9 tera suuruse, samas kui 1850 kraadi F (umbes 1010 kraadi) 1 tunni jooksul jättis umbes 4,6% delta ja ASTM-i uuringus andis eraldi standardse 10 ketta. 954 kraadi andis delta-töödeldud materjalis ühtlase ASTM 11–12 struktuuri.

Tabel 2. Lahuse temperatuuri ja deltafaasi mõju sulami 718 tera suurusele. Allikad: TMS Superalloys menetlused (1992, 2001) ja patendikirjandus sulami 718 kuumtöötluse kohta. ASTM-i numbrid on ASTM E112 tera suuruse numbrid; kõrgem tähendab peenem.

Takeaway on kompromiss. Deltafaas aitab hoida tera suurust, kuid tera piiridel võib see mõjutada ka elastsust ja pingekorrosiooni käitumist, mistõttu mõned rakendused lahustavad selle tahtlikult. Avaldatud patendis pingekorrosioonikindluse kohta teatatakse, et delta solvuse kohal lõõmutamine eemaldas piirdelt delta, kuid jämedad terad standardist ASTM 8 kuni ASTM 3. Seetõttu valitakse rakenduse jaoks lahuse temperatuur, mitte ei kopeeritud üldisest tabelist.

Mis vahe on Subsolvuse ja Supersolvuse kuumtöötluse vahel?

Subsolvus lahusega töötlemine toimub allpool gamma prime solvus, jätab jämedad primaarsed ′ osakesed, mis kinnitavad terasid ja annab peened terad. Supersolvus töötlemine toimub solvuse kohal, lahustab need osakesed ja laseb teradel jämedaks muutuda. Esimene soosib jõudu ja väsimust; teine ​​soosib libisemis- ja pragude kasvukindlust.

See valik kehtib peamiselt tugevalt legeeritud, gamma-prime-tugevdatud pulber-metalli kettasulamite kohta, nagu René 88DT, mille gamma-prime solvus on umbes 1110–1116 kraadi (2030–2040 kraadi F). Nende sulamite kohta avaldatud töö märgib, et subsolvus-töötlused säilitavad ligikaudu 10–20% jämedaid primaarseid 'osakesi, mis piiravad terade kasvu, samas kui supersolvus-töötlused kaotavad selle piirangu ja võimaldavad teradel kasvada.

Tabel 3. Subsolvus versus supersolvus lahusega töötlemine gamma-prime-tugevdatud kettasulamitele. Allikad: TMS Superalloysi menetlused, NASA kettauuringud ja GE patendikirjandus.

Supersolvus töötlemine oli René 88DT väljatöötamisel kesksel kohal, kus eeldati, et supersolvus lahusega töötlemisel välja töötatud jämedam tera suurus soodustab roomamist ja programmi eesmärk oli väsimuspragude kasvukiiruse märkimisväärne vähendamine võrreldes René 95-ga. Selle klassi sulami supersolvusega töötlemine võib toota jämedaid tera suurusi, mis lähenevad ASTM 6-le, et parandada vastupidavust pragude kasvule.

Mis on Inconel 718 sepistamise standardne kuumtöötlus?

Lahus lõõmutamine umbes 925–1010 kraadi juures, millele järgneb kiire jahutamine, seejärel kaheastmeline vanus: 718 kraadi juures 8 tundi, ahju jahutamine umbes 620 kraadini, kogu vananemisaeg 18 tundi, seejärel õhkjahutus. Lahuse astme hoidmine allpool delta solvus säilitab peened terad.

Tabel 4. Tüüpiline sulami 718 lahustamise ja vanuse tsükkel. Allikad: tarnijate andmelehed, mis viitavad AMS 5662/5663 praktikale. Järgige alati kehtivat spetsifikatsiooni ja ostutellimust.

Vananemisetapid tera suurust eriti ei muuda, sest 718 kraadi ja 620 kraadi jäävad lahuse temperatuuridele kõvasti alla. See, mida nad teevad, on tugevdamise faaside ( ' ja ') sadestamine. Tera suurus on seetõttu fikseeritud sepistamise tee ja lahuse etapiga; vananemine annab siis tugevuse.

Mis on kahe mikrostruktuuriga kuumtöötlus ja miks seda ketaste jaoks kasutatakse?

Kahekordse mikrostruktuuriga kuumtöötlus annab kettale peeneteralise, ülitugeva ava ja jämedateralise, roomamiskindla velje, kuumutades kahte piirkonda solvuse suhtes erineva temperatuurini. Selle eesmärk on kõrvaldada kompromiss, mis sobib kõigile.

Ühtlane kuumtöötlus annab kogu kettale ühtlase tera suuruse, olgu see siis peen või jäme, mis sunnib tegema kompromisse. Kahekordse töötluse korral tuuakse velg gamma prime solvuse kohal, et seda jämedaks muuta, samal ajal kui ava hoitakse solvuse all. Täiustatud kettasulami LSHR uurimistöös uuriti subsolvus- ja supersolvus-valikuid ning mitmeid kahestruktuurilisi valikuid, mis on loodud peeneteralise, ülitugeva ava ja jämedateralise, roomamiskindla velje saamiseks.

Meetodil on oma väljakutse: üleminekutsoon peene ja jämeda piirkonna vahel. NASA teadlased on uurinud kahe mikrostruktuuriga ketta tera suuruse üleminekutsoonis väsimuse tõrkerežiime ja kuumtöötlemise patendid märgivad protsessi edasist ohtu, et liiga palju solvusi madalam avatemperatuur võib gamma-praimi üle vanandada ja kasu tühistada. Kahe mikrostruktuuriga töötlemine nõuab täpset termokontrolli ja põhjalikku testimist.

Milliseid defekte võib halb tera suuruse kontroll põhjustada?

Peamised defektid on ebanormaalsed jämedad terad (kriitiline tera kasv), segatud või ribadega terade struktuurid, lahuse liigse temperatuuri tõttu ülekasvanud terad ja jääkpinge või summutuspragud, mis kõik võivad vähendada väsimuse kestust või muuta tulemused ettearvamatuks.

Tabel 5. Sagedasemad terasuurusega seotud vead supersulamist sepistel ja nende vältimine.

Kuidas peaksid ostjad tera suurust täpsustama ja kontrollima?

Täpsustage sulam ja reguleerivad spetsifikatsioonid, nõutav ASTM E112 tera suuruse vahemik (ja mis tahes maksimaalne lubatud jämeteraline tera), katsekohad ja kuumtöötlemise viis ning seejärel nõudke seda tõendavaid sertifikaate ja metallograafiat.

Tera suurus on esitatud ASTM E112 skaalal, kus suurem arv tähendab peenemat tera. Allolev tabel annab ligikaudsed keskmised tera läbimõõdud numbrite jaoks, mida tavaliselt nähakse supersulamist sepistes.

Tabel 6. ASTM E112 tera suuruse ligikaudsed teisendused.

Tabel 7. Ostjate kontrollnimekiri terasuurusega kriitiliste supersulamist sepiste jaoks.

Korduma kippuvad küsimused

Sepistamise deformatsioon tekitab terad, kinnituvad osakesed (deltafaas sulamis 718, jäme primaarne gamma-praim kettasulamites) hoiavad neid tagasi ja lahuse temperatuur solvuse suhtes otsustab, kas need osakesed jäävad püsima või lahustuvad.

Mis on Inconel 718 delta solvus?

Umbes 1010–1020 kraadi. Avaldatud väärtused varieeruvad veidi, kuna solvus sõltub ajast, morfoloogiast ja kohalikust nioobiumisisaldusest; ühes uuringus teatati arvutatud tasakaaluväärtusest 1033 kraadi lähedal ja näivväärtusest 1020 kraadi lähedal.

Mis on subsolvus versus supersolvus kuumtöötlus?

Subsolvus on gamma prime solvusest allpool olev lahustöötlus, mis annab peened terad ning paremad tõmbe- ja väsimusomadused. Supersolvus on solvusest kõrgemal ja annab jämedaid terasid ning paremat roomamis- ja pragude kasvukindlust.

Miks mitte muuta roomamiskindluse tagamiseks iga tera jämedaks?

Jämedad terad vähendavad tõmbe- ja väikese tsükli väsimustugevust, mis on olulised ketta jahedama ja tugevasti pingestatud ava juures. Seetõttu on olemas kahe mikrostruktuuriga ravi.

Mis on Inconel 718 standardne kuumtöötlus?

Lahus lõõmutage umbes 925–1010 kraadi juures kiire jahutamisega, seejärel vanandage 718 kraadi juures 8 tundi, jahutage ahju umbes 620 kraadini, hoidke kokku 18 tundi ja jahutage õhk.

Mis on teravilja kriitiline kasv?

Ebanormaalselt jämedad terad, mis moodustuvad kriitilise pinge piirkondades pärast pulbermetallisulamite (nt René 88DT) supersolvus kuumtöötlust. See on teadaolev sepistamise ja kuumtöötlemise oht, mida töötlemiskontrollid on kavandatud vältima.