การตีขึ้นรูปซูเปอร์อัลลอยที่ใช้นิกเกิล: การอบชุบด้วยความร้อนเพื่อควบคุมขนาดเกรนในชิ้นส่วนที่หมุนได้วิกฤต

จานกังหัน จานคอมเพรสเซอร์ เพลา และโรเตอร์ตีขึ้นรูปจะหมุนด้วยความเร็วสูงและอุณหภูมิสูงเป็นเวลาหลายพันชั่วโมง ความล้มเหลวไม่ใช่การรั่วไหล มันเป็นเหตุการณ์หายนะ สำหรับชิ้นส่วนเหล่านี้ ขนาดของเม็ดโลหะไม่ใช่รายละเอียดที่สวยงาม โดยจะตัดสินใจว่าชิ้นส่วนต้านทานการแตกร้าวเมื่อยล้า การคืบคลาน และการเติบโตของรอยแตกช้าได้อย่างไร คู่มือนี้จะอธิบายวิธีที่การให้ความร้อนกำหนดขนาดเกรนในการตีขึ้นรูปซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิล วิธีเปรียบเทียบเส้นทางหลัก และสิ่งที่ผู้ซื้อควรระบุและตรวจสอบ

ขนาดเกรนในการตีซูเปอร์อัลลอยด์ถูกกำหนดโดยสองสิ่งที่ทำงานร่วมกัน: ประวัติการทำงานที่ร้อนซึ่งสร้างเกรน และอุณหภูมิการบำบัดความร้อนที่สัมพันธ์กับอุณหภูมิที่อนุภาคเสริมกำลังหรือตรึงจะละลาย การแก้ปัญหาที่อุณหภูมิต่ำกว่านั้นจะช่วยให้เมล็ดข้าวละเอียด (ความต้านทานแรงดึงและความเมื่อยล้าดีขึ้น) การแก้ปัญหาด้านบนช่วยให้เมล็ดหยาบ (คืบคลานได้ดีขึ้นและทนต่อการเจริญเติบโตของรอยแตกร้าว) การบำบัดด้วยโครงสร้างจุลภาคคู่พยายามทำให้แต่ละส่วนของดิสก์มีขนาดเกรนที่ต้องการ

เหตุใดขนาดเกรนจึงมีความสำคัญในชิ้นส่วนที่หมุนได้วิกฤติ

เพราะเมล็ดละเอียดและหยาบจะช่วยป้องกันความล้มเหลวในรูปแบบต่างๆ เม็ดละเอียดให้ความต้านทานแรงดึงสูงกว่าและต้านทานความล้ารอบต่ำได้ดีกว่า เมล็ดหยาบช่วยให้การคืบคลานและการต้านทานการเจริญเติบโตของรอยแตกร้าวดีขึ้นที่อุณหภูมิสูง ไม่มีขนาดเกรนใดจะดีที่สุดในทุกส่วนในส่วนที่หมุนได้

เม็ดเป็นคริสตัลเล็กๆ ขอบเขตระหว่างเมล็ดข้าวเป็นจุดอ่อนที่อุณหภูมิสูง ซึ่งโลหะสามารถค่อยๆ เปลี่ยนรูป (คืบคลาน) ไปตามนั้นได้ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า สิ่งที่ตรงกันข้ามจะเป็นจริง: ขอบเขตปิดกั้นรอยแตกร้าว ดังนั้นขอบเขตที่มากขึ้น (เมล็ดที่ละเอียดกว่า) หมายถึงโลหะที่แข็งแกร่งและทนทานต่อความเหนื่อยล้ามากขึ้น ดิสก์มีทั้งสองเงื่อนไขพร้อมกัน เจาะ (ตรงกลาง) จะเย็นกว่าและมีรอบความเค้นสูง ขอบล้อร้อนขึ้นและอยู่ภายใต้ภาระที่รับภาระอย่างต่อเนื่อง

ตารางที่ 1 การแลกเปลี่ยนขนาดเกรนในดิสก์อัลลอยด์ ดังที่อธิบายไว้ในบทความเกี่ยวกับการบำบัดความร้อนด้วยดิสก์กังหันก๊าซที่ตีพิมพ์

อะไรควบคุมขนาดของเกรนในการตีซูเปอร์อัลลอยที่ใช้นิกเกิล

คันโยกสามตัวควบคุม: โลหะจะเปลี่ยนรูปไปมากน้อยเพียงใดในระหว่างการตี อนุภาคใดบ้างที่ปรากฏเพื่อปักหมุดขอบเขตเกรน และอุณหภูมิในการบำบัดสารละลายสุดท้ายที่สัมพันธ์กับโซลวัส (อุณหภูมิที่อนุภาคเหล่านั้นละลาย)

ในระหว่างการตีขึ้นรูป การเสียรูปจะสร้างเม็ดเล็กๆ ใหม่โดยการตกผลึกใหม่ ในระหว่างการทำความร้อนในภายหลัง เมล็ดพืชเหล่านั้นมีแนวโน้มที่จะเติบโต เนื่องจากเมล็ดขนาดใหญ่จะมีขอบเขตน้อยกว่าและพลังงานจึงต่ำกว่า อนุภาคแข็งที่เกาะอยู่บนขอบเขตของเมล็ดพืชจะทำหน้าที่เหมือนจุดยึดและหยุดยั้งการเติบโตนี้ ในอัลลอยด์ 718เฟสการยึดคือเดลต้า (δ); ในโลหะผสมของผงโลหะจานจะเป็นแกมมาไพรม์ปฐมภูมิหยาบ ( ′) เมื่ออุณหภูมิการอบชุบผ่านจุดที่พุกละลาย เมล็ดพืชก็จะเติบโตได้อย่างรวดเร็ว นี่คือสาเหตุที่อุณหภูมิโซลวัสเป็นตัวเลขที่สำคัญที่สุดในการควบคุมขนาดเกรน

เดลต้าเฟสควบคุมขนาดเกรนใน Inconel 718 อย่างไร

เฟสเดลต้าเป็นระยะที่อุดมด้วยไนโอเบียมซึ่งก่อตัวบนขอบเขตของเมล็ดพืชระหว่างประมาณ 800 ถึง 1,000 องศา มันปักหมุดขอบเขตในระหว่างการตีและการบำบัดสารละลาย ดังนั้นอัลลอย 718 จึงมีเนื้อละเอียดตราบใดที่อุณหภูมิของสารละลายยังคงอยู่ต่ำกว่าเดลต้าโซลวิส ประมาณ 1,010–1,020 องศา

ผู้ปลอมแปลงใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้โดยเจตนา ใน "การประมวลผลแบบเดลต้า" วัสดุจะถูกเก็บไว้เพื่อตกตะกอนเฟสเดลต้าก่อนและระหว่างการตี เพื่อให้เมล็ดมีขนาดเล็กเมื่อชิ้นส่วนได้รับความร้อนในภายหลัง ข้อมูลที่เผยแพร่แสดงให้เห็นว่าขนาดเกรนมีความละเอียดอ่อนต่ออุณหภูมิและปริมาณเดลต้าอย่างไร ในการศึกษาครั้งหนึ่งเกี่ยวกับบิลเล็ต 718 เกรนละเอียดพิเศษ สารละลายที่อุณหภูมิ 1,800 องศา F (ประมาณ 980 องศา ) เป็นเวลา 5 ชั่วโมง เหลือเดลต้าประมาณ 2.6% และให้ค่า ASTM 9 ขนาดเกรน ในขณะที่ 1,850 องศา F (ประมาณ 1,010 องศา ) เป็นเวลา 1 ชั่วโมง เหลือประมาณ 4.6% เดลต้า และให้ ASTM 10 ในการศึกษาดิสก์แบบเต็มสเกลที่แยกต่างหาก สารละลายมาตรฐานที่ 954 องศาทำให้เกิด ASTM ที่สม่ำเสมอ โครงสร้าง 11–12 ในวัสดุที่ผ่านการแปรรูปเดลต้า

ตารางที่ 2 ผลของอุณหภูมิของสารละลายและเฟสเดลต้าต่อขนาดเกรนของโลหะผสม 718 แหล่งที่มา: การดำเนินการของ TMS Superalloys (1992, 2001) และเอกสารสิทธิบัตรเกี่ยวกับการอบชุบด้วยความร้อนของ Alloy 718 หมายเลข ASTM คือหมายเลขขนาดเกรน ASTM E112; สูงกว่าหมายถึงปลีกย่อย

การซื้อกลับบ้านเป็นการแลกเปลี่ยน เฟสเดลต้าช่วยรักษาขนาดเกรน แต่ที่ขอบเขตเกรนก็อาจส่งผลต่อความเหนียวและพฤติกรรมการกัดกร่อนจากความเค้น ดังนั้นการใช้งานบางประเภทจึงจงใจละลาย สิทธิบัตรที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับการต้านทานการกัดกร่อนจากความเค้นรายงานว่าการหลอมเหนือเดลต้าโซลวัสช่วยขจัดเดลต้าขอบเขตแต่มีเกรนหยาบจาก ASTM 8 ถึง ASTM 3 ด้วยเหตุนี้จึงเลือกอุณหภูมิของสารละลายสำหรับการใช้งาน ไม่ใช่คัดลอกมาจากตารางทั่วไป

ความแตกต่างระหว่างการรักษาความร้อน Subsolvus และ Supersolvus คืออะไร?

การบำบัดด้วยสารละลาย Subsolvus ทำได้ต่ำกว่าแกมมาไพรม์โซลวัส ทิ้งอนุภาคปฐมภูมิหยาบ ′ ที่ยึดเมล็ดไว้ และให้เมล็ดละเอียด การบำบัดแบบ Supersolvus กระทำเหนือโซลวัส ละลายอนุภาคเหล่านั้น และปล่อยให้เมล็ดหยาบ ประการแรกสนับสนุนความแข็งแกร่งและความเหนื่อยล้า ประการที่สองสนับสนุนการต้านทานการเจริญเติบโตของการคืบและรอยแตก

ตัวเลือกนี้ใช้กับโลหะผสมจานโลหะผง-โลหะที่มีความแข็งสูงแกมมาไพรม์ไพรม์เป็นหลัก เช่น René 88DT ซึ่งมีการรายงานแกมมาไพรม์โซลวัสที่อุณหภูมิประมาณ 1110–1116 องศา (2030–2040 องศา F) งานวิจัยที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับโลหะผสมเหล่านี้ตั้งข้อสังเกตว่าการบำบัดด้วย Subsolvus จะคงอนุภาคปฐมภูมิหยาบไว้ประมาณ 10–20% ซึ่งจำกัดการเจริญเติบโตของเมล็ดพืช ในขณะที่การบำบัดด้วย Supersolvus สูญเสียข้อจำกัดนี้และปล่อยให้เมล็ดเติบโต

ตารางที่ 3 การบำบัดด้วยสารละลายซับโซลวัสเทียบกับซุปเปอร์โซลวัสสำหรับดิสก์อัลลอยด์เสริมแกมมา-ไพรม์ แหล่งที่มา: การดำเนินการของ TMS Superalloys, การศึกษาดิสก์ของ NASA และเอกสารสิทธิบัตรของ GE

การประมวลผล Supersolvus เป็นหัวใจสำคัญของการพัฒนา René 88DT ซึ่งคาดว่าขนาดเกรนหยาบที่พัฒนาโดยการบำบัดด้วยสารละลาย supersolvus คาดว่าจะเป็นประโยชน์ต่อการคืบ และโปรแกรมนี้มุ่งเป้าไปที่การลดอัตราการเติบโตของรอยแตกร้าวเมื่อยล้าลงอย่างมากเมื่อเทียบกับ René 95 การบำบัดด้วย Supersolvus ของโลหะผสมประเภทนี้สามารถสร้างขนาดเกรนหยาบที่เข้าใกล้ ASTM 6 เพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการเจริญเติบโตของรอยแตกร้าวจากความล้า

การรักษาความร้อนมาตรฐานสำหรับการตีขึ้นรูป Inconel 718 คืออะไร

สารละลายอบอ่อนที่อุณหภูมิประมาณ 925–1010 องศา ตามด้วยการทำให้เย็นอย่างรวดเร็ว จากนั้นจึงอายุสองขั้นตอน: 718 องศา เป็นเวลา 8 ชั่วโมง เตาเย็นที่อุณหภูมิประมาณ 620 องศา พักไว้เป็นเวลารวม 18 ชั่วโมง จากนั้นจึงทำให้เย็นด้วยอากาศ การรักษาขั้นตอนการแก้ปัญหาให้ต่ำกว่า delta solvus จะช่วยรักษาเมล็ดละเอียด

ตารางที่ 4. วงจรการแก้ปัญหาและอายุของอัลลอยด์ 718 โดยทั่วไป ที่มา: เอกสารข้อมูลซัพพลายเออร์อ้างอิงแนวปฏิบัติ AMS 5662/5663 ปฏิบัติตามข้อกำหนดและใบสั่งซื้อเสมอ

ขั้นตอนการบ่มไม่เปลี่ยนขนาดเกรนมากนัก เนื่องจากอุณหภูมิ 718 องศา และ 620 องศา ต่ำกว่าอุณหภูมิของสารละลายมาก สิ่งที่พวกเขาทำคือการเร่งรัดระยะการเสริมความแข็งแกร่ง ( ″ และ ′) ขนาดของเกรนจึงถูกกำหนดโดยเส้นทางการตีและขั้นตอนการแก้ปัญหา ความชราย่อมสร้างความแข็งแกร่ง

การอบชุบด้วยความร้อนด้วยโครงสร้างจุลภาคแบบคู่คืออะไร และเหตุใดจึงใช้สำหรับดิสก์

การอบชุบด้วยความร้อนด้วยโครงสร้างจุลภาคแบบคู่ช่วยให้จานมีรูพรุนที่มีความแข็งแรงสูง และขอบที่มีเกรนหยาบและทนต่อการคืบโดยการให้ความร้อนแก่ทั้งสองบริเวณด้วยอุณหภูมิที่ต่างกันสัมพันธ์กับโซลวัส โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อขจัดการประนีประนอมแบบเม็ดเดียวที่เหมาะกับทุกคน

การอบชุบด้วยความร้อนสม่ำเสมอจะทำให้ขนาดเกรนสม่ำเสมอทั่วทั้งจาน ไม่ว่าจะเป็นแบบละเอียดหรือแบบหยาบ ซึ่งทำให้เกิดการประนีประนอม ในการบำบัดแบบคู่ ขอบล้อจะถูกยกขึ้นเหนือโซลวัสแกมมาไพรม์เพื่อทำให้หยาบขึ้น ในขณะที่รูเจาะจะอยู่ต่ำกว่าโซลวัส การวิจัยเกี่ยวกับดิสก์อัลลอยด์ขั้นสูง LSHR ได้ตรวจสอบตัวเลือกซับโซลวัสและซูเปอร์โซลวูส และตัวเลือกโครงสร้างคู่หลายตัว ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ดอกสว่านที่มีเกรนละเอียด มีความแข็งแรงสูง และขอบล้อที่มีเกรนหยาบและทนต่อการคืบ

วิธีการนี้มีความท้าทายในตัวเอง นั่นคือ เขตการเปลี่ยนแปลงระหว่างบริเวณละเอียดและบริเวณหยาบ นักวิจัยของ NASA ได้ศึกษาโหมดความล้มเหลวของความเมื่อยล้าในบริเวณการเปลี่ยนขนาดเกรนของดิสก์โครงสร้างจุลภาคคู่ และสิทธิบัตรการรักษาความร้อนระบุถึงความเสี่ยงของกระบวนการเพิ่มเติม นั่นคืออุณหภูมิของการเจาะที่ต่ำกว่าโซลวัสมากเกินไปอาจทำให้แกมมาไพรม์มีอายุมากเกินไปและยกเลิกผลประโยชน์ได้ การบำบัดด้วยโครงสร้างจุลภาคคู่จำเป็นต้องมีการควบคุมความร้อนที่แม่นยำและการทดสอบอย่างละเอียด

การควบคุมขนาดเมล็ดพืชที่ไม่ดีอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องอะไรได้บ้าง

ข้อบกพร่องหลัก ได้แก่ เมล็ดหยาบผิดปกติ (การเจริญเติบโตของเมล็ดวิกฤติ) โครงสร้างเมล็ดข้าวผสมหรือเป็นแถบ เมล็ดพืชรกจากอุณหภูมิสารละลายที่มากเกินไป และความเค้นตกค้างหรือการแตกร้าว ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถลดอายุความเมื่อยล้าหรือทำให้ผลลัพธ์ไม่สามารถคาดเดาได้

ตารางที่ 5. ข้อบกพร่องทั่วไปเกี่ยวกับขนาดเกรนในการตีขึ้นรูปซูเปอร์อัลลอย และวิธีการป้องกัน

ผู้ซื้อควรระบุและตรวจสอบขนาดเมล็ดข้าวอย่างไร

ระบุโลหะผสมและข้อกำหนดควบคุม ช่วงขนาดเกรน ASTM E112 ที่ต้องการ (และเกรนหยาบสูงสุดที่อนุญาต) ตำแหน่งทดสอบ และเส้นทางการบำบัดความร้อน จากนั้นจำเป็นต้องมีใบรับรองและงานโลหะวิทยาที่พิสูจน์ได้

ขนาดเกรนได้รับการรายงานตามมาตราส่วน ASTM E112 ซึ่งตัวเลขที่มากขึ้นหมายถึงเกรนที่ละเอียดยิ่งขึ้น ตารางด้านล่างแสดงเส้นผ่านศูนย์กลางเกรนเฉลี่ยโดยประมาณสำหรับตัวเลขที่พบได้ทั่วไปในการตีขึ้นรูปซูเปอร์อัลลอยด์

ตารางที่ 6 การแปลงขนาดเกรน ASTM E112 โดยประมาณ

ตารางที่ 7. รายการตรวจสอบผู้ซื้อสำหรับการตีขึ้นรูปซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีความสำคัญต่อขนาดเกรน

คำถามที่พบบ่อย

การปลอมแปลงรูปร่างจะสร้างเกรน การตรึงอนุภาค (เฟสเดลต้าในอัลลอยด์ 718, แกมมาไพรม์ปฐมภูมิหยาบในดิสก์อัลลอยด์) จะกักพวกมันไว้ และอุณหภูมิของสารละลายที่สัมพันธ์กับโซลวัสจะตัดสินว่าอนุภาคเหล่านั้นยังคงอยู่หรือละลาย

delta solvus ของ Inconel 718 คืออะไร?

ประมาณปี 1010–1020 องศา ค่าที่เผยแพร่อยู่ในช่วงเล็กน้อยเนื่องจากโซลวัสขึ้นอยู่กับเวลา สัณฐานวิทยา และปริมาณไนโอเบียมในท้องถิ่น งานวิจัยชิ้นหนึ่งรายงานค่าสมดุลที่คำนวณได้ใกล้ 1,033 องศา และค่าปรากฏใกล้ 1,020 องศา

การบำบัดด้วยความร้อนแบบ Subsolvus และ Supersolvus คืออะไร?

Subsolvus คือการบำบัดสารละลายที่ต่ำกว่าแกมมาไพรม์โซลวัส และให้เมล็ดละเอียด รวมถึงคุณสมบัติแรงดึงและความล้าที่ดีขึ้น Supersolvus อยู่เหนือ solvus และให้เมล็ดหยาบและต้านทานการเจริญเติบโตของการคืบและการแตกร้าวได้ดีขึ้น

ทำไมไม่ทำให้ทุกเกรนหยาบเพื่อต้านทานการคืบคลานล่ะ?

เม็ดหยาบจะลดความต้านทานแรงดึงและแรงล้ารอบต่ำ ซึ่งมีความสำคัญกับรูจานจานที่ทำความเย็นและมีความเครียดสูง นั่นคือสาเหตุว่าทำไมจึงมีการบำบัดด้วยโครงสร้างจุลภาคคู่

การอบชุบด้วยความร้อนมาตรฐานสำหรับ Inconel 718 คืออะไร?

อบที่อุณหภูมิประมาณ 925-1010 องศา โดยให้ความเย็นอย่างรวดเร็ว จากนั้นจึงบ่มที่อุณหภูมิ 718 องศา เป็นเวลา 8 ชั่วโมง เตาจะเย็นที่อุณหภูมิประมาณ 620 องศา เก็บไว้รวม 18 ชั่วโมง และอากาศเย็น

การเจริญเติบโตของเมล็ดข้าวที่สำคัญคืออะไร?

เมล็ดหยาบผิดปกติซึ่งก่อตัวในบริเวณที่มีความเครียดวิกฤตหลังการบำบัดด้วยความร้อนซูเปอร์ซอลวัสของโลหะผสมที่เป็นผง-โลหะ เช่น René 88DT การควบคุมการประมวลผลได้รับการออกแบบมาเพื่อป้องกันความเสี่ยงในการปลอมและการบำบัดความร้อน