Nikel Esaslı Süper Alaşım Dövmeler: Kritik Dönen Parçalarda Tane Boyutu Kontrolü için Isıl İşlem

Türbin diskleri, kompresör diskleri, miller ve rotor dövme parçaları binlerce saat boyunca yüksek hızda ve yüksek sıcaklıkta döner. Arıza bir sızıntı değildir; bu felaket bir olaydır. Bu parçalar için metal tanelerinin boyutu kozmetik bir detay değildir. Parçanın yorulma çatlaklarına, sürünmeye ve yavaş çatlak büyümesine nasıl direneceğine karar verir. Bu kılavuz, ısıl işlemin nikel bazlı süper alaşım dövmelerde tane boyutunu nasıl belirlediğini, ana rotaların nasıl karşılaştırıldığını ve alıcıların neyi belirleyip doğrulaması gerektiğini açıklamaktadır.

Bir süper alaşım dövme işleminde tane boyutu, birlikte çalışan iki şey tarafından belirlenir: tanecikleri oluşturan sıcak çalışma geçmişi ve güçlendirici veya sabitleyici parçacıkların çözündüğü sıcaklığa göre ısıl işlem sıcaklığı. Bu sıcaklığın altındaki çözelti, tanelerin ince kalmasını sağlar (daha iyi çekme ve yorulma mukavemeti); Bunun üzerindeki çözelti, tanelerin kaba büyümesine olanak tanır (daha iyi sürünme ve kalıcı çatlak büyümesi direnci). Çift mikroyapı tedavileri, diskin her bir parçasına ihtiyaç duyduğu tane boyutunu vermeye çalışır.

Kritik Dönen Parçalarda Tane Boyutu Neden Önemlidir?

Çünkü ince ve iri taneler farklı arıza türlerine karşı koruma sağlar. İnce taneler daha yüksek çekme mukavemeti ve daha iyi düşük çevrimli yorulma direnci sağlar; iri taneler, yüksek sıcaklıkta daha iyi sürünme ve bekleme çatlak büyümesi direnci sağlar. Dönen bir parçanın her yerinde tek bir tane boyutu en iyisi değildir.

Bir tanecik küçük bir kristaldir. Taneler arasındaki sınırlar, yüksek sıcaklıkta metalin yavaş yavaş deforme olabileceği (sürünebileceği) zayıf noktalardır. Daha düşük sıcaklıklarda bunun tersi doğrudur: sınırlar çatlakları engeller, dolayısıyla daha fazla sınır (daha ince taneler) daha güçlü, yorulmaya daha dayanıklı metal anlamına gelir. Bir diskte aynı anda her iki durum da vardır. Delik (merkez) daha soğuktur ve yüksek gerilim döngülerini taşır. Jant daha sıcak çalışır ve sürekli yük altında kalır.

Tablo 1. Yayınlanmış gaz türbini disk ısıl işlemi literatüründe açıklandığı gibi disk alaşımlarında tane boyutu değişimi.

Nikel Esaslı Süper Alaşımlı Dövmede Tane Büyüklüğünü Ne Kontrol Eder?

Üç kol bunu kontrol eder: dövme sırasında metalin ne kadar ve ne kadar sıcak deforme olduğu, tane sınırlarını belirlemek için hangi parçacıkların mevcut olduğu ve solvusa (bu parçacıkların çözündüğü sıcaklık) göre nihai çözelti işlem sıcaklığı.

Dövme sırasında deformasyon, yeniden kristalleşme yoluyla yeni, küçük taneler oluşturur. Daha sonraki ısıtma sırasında bu taneler büyüme eğilimindedir çünkü büyük taneler daha az sınır alanına ve dolayısıyla daha düşük enerjiye sahiptir. Tane sınırlarında bulunan sert parçacıklar çapa görevi görerek bu büyümeyi durdurur. İçindeAlaşım 718sabitleme aşaması deltadır (δ); toz metal disk alaşımlarında kaba birincil gama üssüdür ( ′). Isıl işlem sıcaklığı çapaların çözündüğü noktayı geçtiğinde taneler hızla büyüyebilir. Bu nedenle tane boyutu kontrolünde solvus sıcaklığı en önemli sayıdır.

Delta Faz Inconel 718'de Tane Büyüklüğünü Nasıl Kontrol Ediyor?

Delta fazı, kabaca 800 ila 1000 derece arasındaki tane sınırlarında oluşan, niyobyum açısından zengin bir fazdır. Dövme ve çözelti işlemi sırasında sınırları sabitler, bu nedenle Alaşım 718, çözelti sıcaklığı delta solvus'un (yaklaşık 1010-1020 derece) altında kaldığı sürece ince taneli kalır.

Sahtekarlar bunu bilerek istismar ediyorlar. "Delta işlemede" malzeme, dövme öncesinde ve sırasında delta fazını çökeltecek şekilde tutulur, böylece parça daha sonra ısıtıldığında taneler küçük kalır. Yayınlanan veriler, tane boyutunun sıcaklığa ve delta içeriğine ne kadar duyarlı olduğunu gösteriyor. Ultra ince taneli 718 kütük üzerinde yapılan bir çalışmada, 1800 derece F'lik (yaklaşık 980 derece) 5 saatlik bir çözelti yaklaşık %2,6 delta bırakarak ASTM 9 tane boyutu verirken, 1850 derece F (yaklaşık 1010 derece) 1 saat boyunca yaklaşık %4,6 delta bıraktı ve ASTM 10 verdi. Ayrı bir tam ölçekli disk çalışmasında, 954 derecedeki standart çözüm üretildi Delta ile işlenmiş malzemede tekdüze bir ASTM 11–12 yapısı.

Tablo 2. Çözelti sıcaklığının ve delta fazının Alaşım 718 tane boyutu üzerindeki etkisi. Kaynaklar: TMS Superalloys tutanakları (1992, 2001) ve Alloy 718 ısıl işlemine ilişkin patent literatürü. ASTM numaraları ASTM E112 tane boyutu numaralarıdır; daha yüksek, daha ince anlamına gelir.

Paket servisi bir takastır. Delta fazı tane boyutunun korunmasına yardımcı olur, ancak tane sınırlarında aynı zamanda sünekliği ve stres-korozyon davranışını da etkileyebilir, bu nedenle bazı uygulamalar bunu kasıtlı olarak çözer. Stresli korozyon direncine ilişkin yayınlanmış bir patent, delta solvüsü üzerinde tavlamanın sınır deltasını kaldırdığını ancak tanelerin ASTM 8'den ASTM 3'e kabalaştığını bildirmektedir. Bu nedenle çözelti sıcaklığı genel bir tablodan kopyalanmak yerine uygulama için seçilmiştir.

Subsolvus ve Supersolvus Isıl İşleminin Farkı Nedir?

Subsolvus çözeltisi işlemi, gamma prime solvusunun altında yapılır, taneleri sabitleyen kaba birincil 'partikülleri bırakır ve ince taneler verir. Supersolvus işlemi solvusun üzerinde yapılır, bu parçacıkları çözer ve tanelerin irileşmesine izin verir. Birincisi güç ve yorgunluktan yanadır; ikincisi sürünme ve çatlak büyümesi direncini destekler.

Bu seçim esas olarak, gama prime solvusu yaklaşık 1110–1116 derece (2030–2040 derece F) olarak bildirilen René 88DT gibi yüksek alaşımlı, gama prime ile güçlendirilmiş toz metal disk alaşımları için geçerlidir. Bu alaşımlar üzerine yayınlanmış çalışmalar, subsolvus işlemlerinin tane büyümesini kısıtlayan kaba birincil 'partiküllerin kabaca %10-20'sini tuttuğunu, süpersolvus işlemlerinin ise bu sınırlamayı kaybettiğini ve tanelerin büyümesine izin verdiğini belirtmektedir.

Tablo 3. Gama-prime ile güçlendirilmiş disk alaşımları için subsolvus'a karşı süpersolvus çözeltisi işlemi. Kaynaklar: TMS Superalloys tutanakları, NASA disk çalışmaları ve GE patent literatürü.

Supersolvus işleme, René 88DT'nin geliştirilmesinde merkezi bir rol oynamıştır; burada supersolvus çözeltisi işlemiyle geliştirilen daha iri tane boyutunun sürünmeye fayda sağlaması beklenmiştir ve program, René 95 ile karşılaştırıldığında yorulma çatlağı büyüme oranında büyük bir azalmayı hedeflemiştir. Bu alaşım sınıfının Supersolvus işlemi, bekleme yorulma çatlağı büyümesine karşı geliştirilmiş direnç için ASTM 6'ya yaklaşan kaba tane boyutları üretebilir.

Inconel 718 Dövme Parçaları için Standart Isıl İşlem Nedir?

Yaklaşık 925-1010 derecede çözelti tavlaması, ardından hızlı soğutma, ardından iki aşamalı yaşlandırma: 718 derece, 8 saat, fırın yaklaşık 620 dereceye kadar soğutulur, toplam 18 saatlik yaşlanma süresinde tutulur, ardından havayla soğutulur. Çözelti adımını delta solvusunun altında tutmak ince taneyi korur.

Tablo 4. Tipik Alaşım 718 çözüm ve yaşlandırma döngüsü. Kaynaklar: AMS 5662/5663 uygulamasına referans veren tedarikçi veri sayfaları. Her zaman geçerli spesifikasyonlara ve satın alma siparişine uyun.

Yaşlandırma adımları tane boyutunu çok fazla değiştirmez çünkü 718 derece ve 620 derece çözelti sıcaklıklarının oldukça altındadır. Yaptıkları şey, güçlenme aşamalarını (″ ve ′) hızlandırmaktır. Tane büyüklüğü bu nedenle dövme yolu ve çözüm adımıyla sabitlenir; yaşlanma daha sonra gücü belirler.

Çift Mikroyapılı Isıl İşlem Nedir ve Disklerde Neden Kullanılır?

Çift mikroyapılı ısıl işlem, iki bölgeyi solvusa göre farklı sıcaklıklara ısıtarak bir diske ince taneli, yüksek mukavemetli bir delik ve iri taneli, sürünmeye dirençli bir kenar kazandırır. Herkese uygun tek boyutlu uzlaşmayı ortadan kaldırmayı amaçlıyor.

Düzgün bir ısıl işlem, disk boyunca ince veya kaba olsun, eşit bir tane boyutu verir ve bu da bir uzlaşmaya zorlar. İkili bir işlemde, kenar, kabalaştırmak için gamma prime solvusunun üzerine getirilirken, delik solvusun altında tutulur. Gelişmiş disk alaşımı LSHR üzerinde yapılan araştırmada, ince taneli, yüksek mukavemetli bir delik ve iri taneli, akmaya dirençli bir jant sunmak üzere tasarlanan subsolvus ve süpersolvus seçenekleri ile birkaç çift yapı seçeneği incelendi.

Yöntemin kendine has bir zorluğu var: ince ve kaba bölgeler arasındaki geçiş bölgesi. NASA araştırmacıları, çift mikroyapılı bir diskin tane boyutu geçiş bölgesindeki yorulma arıza modları üzerinde çalıştılar ve ısıl işlem patentleri, solvusun çok altında bir delik sıcaklığının gama prime değerini aşarak faydayı ortadan kaldırabileceği başka bir proses riskine dikkat çekti. Çift mikroyapı işlemi, hassas termal kontrol ve kapsamlı testler gerektirir.

Yetersiz Tane Boyutu Kontrolü Hangi Kusurlara Neden Olabilir?

Ana kusurlar, anormal kaba taneler (kritik tane büyümesi), karışık veya bantlı tane yapıları, aşırı çözelti sıcaklığından dolayı aşırı büyümüş taneler ve artık gerilim veya su verme çatlamasıdır; bunların tümü yorulma ömrünü azaltabilir veya sonuçları öngörülemez hale getirebilir.

Tablo 5. Süper alaşım dövmelerde yaygın tane boyutuna bağlı kusurlar ve bunların nasıl önleneceği.

Alıcılar Tahıl Büyüklüğünü Nasıl Belirlemeli ve Doğrulamalı?

Alaşımı ve geçerli spesifikasyonu, gerekli ASTM E112 tane büyüklüğü aralığını (ve izin verilen maksimum iri tanecik), test konumlarını ve ısıl işlem yolunu belirtin, ardından bunu kanıtlayan sertifikalar ve metalografi isteyin.

Tane büyüklüğü ASTM E112 ölçeğinde rapor edilir; burada daha büyük bir sayı, daha ince bir tane anlamına gelir. Aşağıdaki tablo, süper alaşım dövmelerde yaygın olarak görülen sayılar için yaklaşık ortalama tane çaplarını vermektedir.

Tablo 6. Yaklaşık ASTM E112 tane boyutu dönüşümleri.

Tablo 7. Tane boyutu kritik olan süper alaşım dövme parçaları için alıcı kontrol listesi.

Sıkça Sorulan Sorular

Dövme deformasyonu taneleri oluşturur, parçacıkların sabitlenmesi (Alaşım 718'de delta fazı, disk alaşımlarında kaba birincil gama astarı) onları geride tutar ve solvusa göre çözelti sıcaklığı, bu parçacıkların kalıp kalmayacağına veya çözüleceğine karar verir.

Inconel 718'in delta solvusu nedir?

Yaklaşık 1010–1020 derece. Yayınlanan değerler biraz farklılık gösterir çünkü solvus zamana, morfolojiye ve yerel niyobyum içeriğine bağlıdır; bir çalışma 1033 dereceye yakın bir hesaplanmış denge değeri ve 1020 dereceye yakın bir görünür değer rapor etmektedir.

Subsolvus ve süpersolvus ısıl işlemi nedir?

Subsolvus, gamma prime solvusun altındaki çözelti işlemidir ve ince taneler ile daha iyi gerilme ve yorulma özellikleri sağlar. Supersolvus, solvusun üzerindedir ve kaba taneler ile daha iyi sürünme ve çatlak büyümesi direnci sağlar.

Sürünme direnci için neden her taneciği kaba yapmıyoruz?

İri taneler, diskin daha soğuk ve yüksek gerilimli deliğinde önemli olan çekme ve düşük çevrimli yorulma mukavemetini azaltır. Çift mikroyapı tedavilerinin mevcut olmasının nedeni budur.

Inconel 718 için standart ısıl işlem nedir?

Hızlı soğutmayla 925-1010 derece civarında çözelti tavlaması yapılır, ardından 718 derecede 8 saat bekletilir, fırın yaklaşık 620 dereceye kadar soğutulur, toplamda 18 saat bekletilir ve havayla soğutulur.

Kritik tahıl büyümesi nedir?

René 88DT gibi toz metal alaşımlarının süpersolvus ısıl işleminden sonra kritik gerinim bölgelerinde oluşan anormal derecede iri taneler. İşleme kontrollerinin önlenmesi amacıyla tasarlandığı bilinen bir dövme ve ısıl işlem riskidir.