פרזול סגסוגת על בסיס ניקל: טיפול בחום לבקרת גודל גרגר בחלקים מסתובבים קריטיים

דסקיות טורבינה, דסקיות מדחס, פירים ופרזול רוטור מסתובבים במהירות גבוהה ובטמפרטורה גבוהה במשך אלפי שעות. כישלון אינו דליפה; זה אירוע קטסטרופלי. עבור חלקים אלו, גודל גרגירי המתכת אינו פרט קוסמטי. הוא מחליט כיצד החלק מתנגד לסדקי עייפות, זחילה וצמיחת סדקים איטית. מדריך זה מסביר כיצד טיפול בחום קובע את גודל הגרגירים בפרזול סגסוגת על בסיס ניקל, כיצד משתווים המסלולים העיקריים, ומה על הקונים לציין ולאמת.

גודל הגרגרים בפרזול סגסוגת על נקבע על ידי שני דברים שפועלים יחד: היסטוריית העבודה החמה שיוצרת את הגרגרים, וטמפרטורת הטיפול בחום ביחס לטמפרטורה שבה חלקיקי החיזוק או ההצמדה מתמוססים. פתרון מתחת לטמפרטורה זו שומר על דגנים עדינים (חוזק מתיחה ועייפות טובים יותר); פתרון מעליו מאפשר לגרגרים לגדול גסים (עדיף לזחול ולהישאר עמידות לצמיחת סדקים). טיפולי מיקרו-מבנה כפולים מנסים לתת לכל חלק בדיסק את גודל הגרגירים הדרושים לו.

מדוע גודל גרגר חשוב בחלקים מסתובבים קריטיים?

כי גרגרים עדינים וגסים מגנים מפני מצבי כשל שונים. גרגירים עדינים נותנים חוזק מתיחה גבוה יותר ועמידות טובה יותר לעייפות במחזור נמוך; גרגרים גסים מעניקים עמידות לצמיחת סדקים לזחילה טובה יותר בטמפרטורה גבוהה. אין גודל גרגר אחד הטוב ביותר בכל מקום בחלק מסתובב.

גרגר הוא גביש זעיר. הגבולות בין גרגירים הם נקודות חלשות בטמפרטורה גבוהה, שבהם מתכת יכולה לאט לאט להתעוות (לזחול) לאורכם. בטמפרטורה נמוכה יותר ההפך הוא הנכון: גבולות חוסמים סדקים, ולכן יותר גבולות (גרגרים עדינים יותר) פירושם מתכת חזקה יותר ועמידה יותר לעייפות. לדיסק יש את שני התנאים בו-זמנית. הקדח (במרכז) קריר יותר ונושא מחזורי מתח גבוהים. החישוק חם יותר ויושב תחת עומס מתמשך.

טבלה 1. הפשרה בין גודל גרגר בסגסוגות דיסק, כפי שמתואר בספרות טיפול בחום של דיסק טורבינת גז.

מה שולט בגודל התבואה בפרזול סגסוגת על בסיס ניקל?

שלושה מנופים שולטים בו: כמה וכמה לוהטת מתכת מעוותת במהלך חישול, אילו חלקיקים קיימים כדי להצמיד את גבולות התבואה, וטמפרטורת הטיפול הסופית בתמיסה ביחס לסולבוס (הטמפרטורה שבה חלקיקים אלה מתמוססים).

במהלך חישול, דפורמציה יוצרת גרגרים חדשים וקטנים על ידי התגבשות מחדש. במהלך חימום מאוחר יותר, אותם גרגרים נוטים לגדול, מכיוון שלגרגרים גדולים יש פחות שטח גבול ולכן אנרגיה נמוכה יותר. חלקיקים קשים היושבים על גבולות התבואה פועלים כמו עוגנים ועוצרים את הצמיחה הזו. בסגסוגת 718שלב העיגון הוא דלתא (δ); בסגסוגות דיסק אבקת-מתכת הוא גמא ראשוני גס ראשוני (′). ברגע שטמפרטורת הטיפול בחום עוברת את הנקודה שבה העוגנים מתמוססים, הגרגרים יכולים לגדול במהירות. זו הסיבה שטמפרטורת הסולבוס היא המספר החשוב ביותר בבקרת גודל הגרגרים.

כיצד דלתא שלב בקרת גודל גרגירים ב-Inconel 718?

פאזה דלתא היא פאזה עשירה בניוביום שנוצרת על גבולות תבואה בין בערך 800 ל-1000 מעלות. הוא מצמיד גבולות במהלך חישול וטיפול בתמיסה, כך ש- Alloy 718 נשאר עדין כל עוד טמפרטורת התמיסה נשארת מתחת לדלתא solvus, בערך 1010-1020 מעלות.

זייפנים מנצלים זאת בכוונה. ב"עיבוד דלתא", החומר מוחזק כדי לזרז את שלב הדלתא לפני ובמהלך החישול, כך שהגרגרים נשארים קטנים כאשר החלק מחומם מאוחר יותר. נתונים שפורסמו מראים עד כמה רגיש גודל הגרגיר לטמפרטורה ולתכולת הדלתא. במחקר אחד של בילט 718 עדין במיוחד, תמיסה של 1800 מעלות פרנהייט (כ-980 מעלות) למשך 5 שעות הותירה כ-2.6% דלתא ונתנה גודל גרגיר ASTM 9, בעוד ש-1850 מעלות פרנהייט (בערך 1010 מעלות ) למשך שעה השאירה כ-4.6% דלתא ונתנה לתמיסה סטנדרטית 40 נפרדת ב-ASTM 4 מעלות 9. מבנה ASTM 11-12 אחיד בחומר מעובד בדלתא.

טבלה 2. השפעת טמפרטורת התמיסה ושלב הדלתא על גודל גרגירי סגסוגת 718. מקורות: הליכי TMS Superalloys (1992, 2001) וספרות פטנטים על טיפול בחום Alloy 718. מספרי ASTM הם מספרי גודל גרגר ASTM E112; גבוה יותר פירושו עדין יותר.

הטייק אווי הוא פשרות. שלב הדלתא עוזר להחזיק את גודל הגרגר, אך בגבולות הגרגרים הוא יכול גם להשפיע על משיכות והתנהגות מתח-קורוזיה, כך שחלק מהיישומים ממיסים אותו בכוונה. פטנט שפורסם על עמידות בפני קורוזיה מתח מדווח כי חישול מעל הדלתא solvus הסיר את דלתא הגבול אך גס את הגרגירים מ-ASTM 8 ל-ASTM 3. זו הסיבה שטמפרטורת התמיסה נבחרת עבור היישום, ולא מועתקת מטבלה גנרית.

מה ההבדל בין טיפול בחום של Subsolvus ל-Supersolvus?

הטיפול בתמיסת Subsolvus נעשה מתחת ל-gamma prime solvus, משאיר חלקיקים ראשוניים ′ גסים שמצמידים גרגירים ונותן גרגרים עדינים. טיפול Supersolvus נעשה מעל ה-solvus, ממיס את אותם חלקיקים ונותן לגרגרים להתגבש. הראשון מעדיף כוח ועייפות; השני מעדיף עמידות לצמיחת זחילה וסדקים.

בחירה זו חלה בעיקר על סגסוגות דיסקיות אבקת מתכת מחוזקות בגמא-פריים, כגון René 88DT, שה-gamma-prime solvus שלה דווח על בערך 1110-1116 מעלות (2030-2040 מעלות F). עבודה שפורסמה על סגסוגות אלה מציינת כי טיפולי subsolvus שומרים בערך 10-20% מחלקיקים ראשוניים גסים המגבילים את צמיחת הדגנים, בעוד טיפולי supersolvus מאבדים את האילוץ הזה ומאפשרים לדגנים לצמוח.

טבלה 3. טיפול בתמיסת Subsolvus לעומת supersolvus עבור סגסוגות דיסק מחוזקות בגמא-פריים. מקורות: הליכי TMS Superalloys, מחקרי דיסקים של נאס"א וספרות פטנטים של GE.

עיבוד Supersolvus היה מרכזי בפיתוח של René 88DT, כאשר גודל הגרגרים הגס יותר שפותח על ידי טיפול בתמיסת supersolvus היה צפוי להועיל לזחילה, והתוכנית כוונה להפחתה גדולה בקצב צמיחת סדקי העייפות בהשוואה ל-René 95. טיפול Supersolvus של סוג זה של סגסוגת יכול לייצר גדלי גרגרים גסים המתקרבים לעמידות ASTM 6 לצמיחה משופרת של שומן.

מהו טיפול החום הסטנדרטי עבור פרזול Inconel 718?

חישול התמיסה בכ-925-1010 מעלות ואחריו קירור מהיר, ולאחר מכן גיל דו-שלבי: 718 מעלות למשך 8 שעות, קירור תנור לכ-620 מעלות, החזיקו זמן יישון כולל של 18 שעות, ואז קירור אוויר. שמירה על שלב הפתרון מתחת לסולוס הדלתא משמרת גרגירים עדינים.

טבלה 4. מחזור פתרון וגיל טיפוסי סגסוגת 718. מקורות: דפי מידע של ספקים המתייחסים לתרגול AMS 5662/5663. פעל תמיד לפי המפרט הרלוונטי והזמנת הרכש.

שלבי היישון אינם משנים בהרבה את גודל הגרגירים, מכיוון ש-718 מעלות ו-620 מעלות נמצאות הרבה מתחת לטמפרטורות התמיסה. מה שהם עושים זה לזרז את שלבי ההתחזקות (″ ו′). גודל התבואה נקבע אפוא על ידי מסלול החישול ושלב הפתרון; ההזדקנות ואז קובעת כוח.

מהו טיפול חום מיקרו-מבנה כפול, ומדוע הוא משמש לדיסקים?

טיפול בחום מיקרו-מבנה כפול נותן לדיסק קדח דק-גרגר בעל חוזק גבוה ושפה גסה-גרגר, עמיד לזחילה על ידי חימום שני האזורים לטמפרטורות שונות ביחס לסולוס. מטרתו להסיר את הפשרה של גודל גרגר אחד שמתאים לכולם.

טיפול חום אחיד נותן גודל גרגיר אחיד בכל הדיסק, עדין או גס, מה שמאלץ פשרה. בטיפול כפול, השפה מובאת מעל ה-gamma prime solvus כדי לגס אותו, בעוד שהקדח נשמר מתחת ל-solvus. מחקר על סגסוגת הדיסק המתקדמת LSHR בדק אפשרויות של subsolvus ו- supersolvus ומספר אפשרויות של מבנה כפול, שנועדו לספק קדח דק-גרגר בעל חוזק גבוה ושפה גס גרגר, עמיד לזחילה.

לשיטה יש אתגר משלה: אזור המעבר בין אזורים עדינים לגסים. חוקרי נאס"א חקרו מצבי כשל של עייפות באזור המעבר בגודל גרגר של דיסקית מיקרו-מבנה כפולה, ופטנטים לטיפול בחום מציינים סיכון נוסף בתהליך, שטמפרטורת קדח רחוקה מדי מתחת לסולבוס עלולה להזדקן יתר על המידה של גמא פריים ולבטל את התועלת. טיפול במיקרו-מבנה כפול דורש בקרה תרמית מדויקת ובדיקה יסודית.

אילו פגמים יכולה לגרום לשליטה על גודל גרגר?

הפגמים העיקריים הם גרגרים גסים לא תקינים (גידול גרגר קריטי), מבני גרגרים מעורבים או רצועות, גרגרים מגודלים מטמפרטורת תמיסה מוגזמת ולחץ שיורי או פיצוח כיבוי, כל אלה יכולים להפחית את חיי העייפות או להפוך את התוצאות לבלתי צפויות.

טבלה 5. פגמים נפוצים הקשורים לגודל גרגר בפרזול סגסוגת על וכיצד למנוע אותם.

כיצד צריכים קונים לציין ולאמת את גודל הגרגר?

ציין את הסגסוגת והמפרט המקובל, את טווח גודל הגרגירים הנדרש ASTM E112 (וכל גרגר גס מקסימלי מותר), את מיקומי הבדיקה ואת מסלול הטיפול בחום, ולאחר מכן דרוש אישורים ומטאלוגרפיה המוכיחים זאת.

גודל גרגר מדווח בסולם ASTM E112, כאשר מספר גדול יותר פירושו גרגר עדין יותר. הטבלה שלהלן מציגה קוטרי גרגר ממוצע משוער עבור המספרים הנראים בדרך כלל בפרזול סגסוגת על.

טבלה 6. המרות משוערות לגודל גרגר ASTM E112.

טבלה 7. רשימת בדיקה לקונים עבור פרזול סגסוגת-על קריטיות בגודל גרגר.

שאלות נפוצות

עיוות חישול יוצר את הגרגירים, חלקיקים מצמידים (שלב דלתא בסגסוגת 718, גמא ראשוני גס בסגסוגות דיסק) מעכב אותם, וטמפרטורת התמיסה ביחס לסולווס מחליטה אם החלקיקים האלה נשארים או מתמוססים.

מהו הדלתא solvus של Inconel 718?

בערך 1010-1020 מעלות. ערכים שפורסמו נעים מעט מכיוון שהסולוס תלוי בזמן, מורפולוגיה ותכולת ניוביום מקומית; מחקר אחד מדווח על ערך שיווי משקל מחושב ליד 1033 מעלות וערך לכאורה ליד 1020 מעלות.

מהו טיפול בחום של subsolvus לעומת supersolvus?

Subsolvus הוא טיפול בתמיסה מתחת לסולוס גמא פריים ונותן גרגירים עדינים ותכונות מתיחה ועייפות טובות יותר. Supersolvus נמצא מעל ה-solvus ונותן גרגירים גסים ועמידות טובה יותר לזחילה ולצמיחת סדקים.

למה לא להפוך כל גרגר גס לעמידות בזחילה?

גרגרים גסים מורידים את המתיחה וחוזק העייפות במחזור נמוך, שחשובים בקדח הקריר יותר, הלחוץ ביותר של דיסק. לכן קיימים טיפולים בעלי מיקרו-מבנה כפול.

מהו טיפול החום הסטנדרטי עבור Inconel 718?

חישול התמיסה בסביבות 925-1010 מעלות עם קירור מהיר, ולאחר מכן יישון ב-718 מעלות למשך 8 שעות, תנור קירור לכ-620 מעלות, החזיק עד 18 שעות בסך הכל, וקירור אוויר.

מהי גידול דגנים קריטי?

גרגרים גסים בצורה חריגה הנוצרים באזורים של עקה קריטית לאחר טיפול בחום סופר-סולווס של סגסוגות אבקת מתכת כגון René 88DT. זהו סיכון ידוע של חישול וטיפול בחום שבקרות העיבוד נועדו למנוע.