Odhalení záhady kování ze superslitin: vytvoření superhrdinského materiálu průmyslu
Superslitina, známá také jako žáruvzdorná slitina nebo superslitina, je základním kovovým materiálem pro moderní letecké motory, raketové motory, plynové turbíny a chemická zařízení. Může odolat komplexnímu namáhání v podmínkách oxidace a plynové koroze 600 ~ 1100 stupňů a může spolehlivě fungovat po dlouhou dobu.
V současnosti jsou mezi deformačními superslitinami nejpoužívanější superslitiny na bázi železa a superslitiny na bázi niklu. Slitiny na bázi železa se používají spíše jako kotouče turbín, kotouče kompresorů, spalovací komory a lopatky ložiskových kroužků a jejich složením je především železo, obsahující velké množství niklu, chrómu a dalších prvků. Podle jeho zpevňovacích charakteristik jej lze rozdělit na typ kalení slabým stárnutím, typ kalení v tuhém roztoku, typ kalení z tvrdokovu a typ kalení intermetalickou sloučeninou.
Slitiny na bázi niklu se více používají při výrobě lopatek turbín, spalovacích komor, kotoučů turbín, kotoučů kompresorů a lopatek kompresorů, jejichž složení je charakterizováno niklovým základem, obsahujícím ω (Cr) od 10 % do 20 %, tvořícím na bázi niklu austenitovou matricí. Kromě toho některé slitiny také obsahují 10 % až 20 % ω (Co), tvořící nikl-chrom-kobalt austenitovou matrici. Podle typu zpevňování jej lze rozdělit na typ zpevňování tuhým roztokem a typ zpevňování stárnutím.
Vlastnosti superslitiny závisí především na složení a mikrostruktuře slitiny. V mikrostruktuře jsou zvláště důležité typ, struktura, tvar, velikost, množství a distribuce vysrážené fáze. Běžné precipitáty ve slitinách na bázi železa a niklu jsou intermetalické sloučeniny, karbidy a boridy. Všechny tyto sloučeniny lze regulovat a řídit tepelným zpracováním a jejich morfologii a distribuci lze také měnit deformací.
Tepelné zpracování deformovaných superslitin obecně sestává ze zpracování v tuhém roztoku, mezizpracování (také známého jako sekundární zpracování v tuhém roztoku) a ze zpracování stárnutím. Účelem úpravy roztoku je získat jednotný přesycený pevný roztok a kontrolovat vhodnou velikost zrna. Účelem mezitepelného zpracování je změnit skupenství karbidu a získat dvě různé fáze s různými velikostmi. Účelem ošetření stárnutím je, aby se zpevněná fáze úplně a rovnoměrně vysrážela, aby se dosáhlo efektu precipitačního tvrdnutí, jako kritérium je vhodné zvolit teplotu, čas a frekvenci, získat počet zpevněné fáze, tvar a rozložení. Jádrem procesu deformace deformovaných superslitin za tepla je plasticita procesu a kritická deformace hrubých krystalů.
1.Charakteristiky deformace superslitiny
1) Nízká plasticita, superslitina díky vysokému stupni legování, má heterogenní strukturu a složité fázové složení, proto je procesní plasticita nízká. Zejména při vysokých teplotách, kdy jsou obsaženy příměsi jako S, Pb, Sn, dochází často k oslabení vazebné síly mezi zrny a snížení plasticity. Superslitiny obecně používají celkový obsah zpevňujících prvků hliníku a titanu ke stanovení úrovně plasticity, pokud je celkový obsah větší nebo roven 6 %, bude plasticita velmi nízká. Procesní tažnost superslitiny na bázi niklu je nižší než tažnost superslitiny na bázi železa. Procesní plasticita superslitin je velmi citlivá na rychlost deformace a stav napětí. Některé slitinové ingoty a polotovary je třeba tvarovat nízkorychlostní deformací a pěchováním, válcováním a dokonce vytlačováním.
2) Velká odolnost proti deformaci v důsledku složitého složení superslitiny, vysoká teplota rekrystalizace, pomalá rychlost, má vysokou odolnost proti deformaci a tendenci vytvrzovat při teplotě deformace, odolnost proti deformaci je obecně 4 až 7krát větší než u běžné konstrukční oceli.
3) Teplotní rozsah kování je úzký, bod tání superslitiny je ve srovnání s ocelí nízký a teplota ohřevu je příliš vysoká, aby způsobila přehřátí a přepálení. Pokud je teplota zastavení kování příliš nízká, plasticita je nízká, odolnost proti deformaci je velká a smíšená deformace za studena a za tepla snadno způsobí, že kování vytvoří nerovnoměrné hrubé krystaly. Proto je teplotní rozsah kování superslitin velmi úzký, obecně jen asi 200 stupňů C. Rozsah teplot kování žáruvzdorných slitin na bázi niklu je užší, většina z nich je 100 ~ 150 stupňů C a některé jsou dokonce menší než 100 stupňů C.
4) Tepelná vodivost je špatná a tepelná vodivost superslitiny při nízké teplotě je mnohem nižší než u uhlíkové oceli, takže je obecně nutné zpomalit předehřívání v rozmezí 700 ~ 800 stupňů C, jinak to způsobí vysokou teplotu napětí, takže topný kov je v křehkém stavu.
2.Procesní plasticita superslitiny
1) Díky přidání velkého množství legujících prvků se zlepšuje tepelná odolnost superslitiny, ale plasticita procesu je výrazně snížena. Vysoká legování má za následek silnou segregaci a hrubé sloupcové krystaly. Na slabém článku hranice primárního dendritového zrna se podél hranice zrn snadno vyskytnou trhliny. V důsledku segregace dendritů je obsah legujících prvků v první krystalizované části nízký a obsah legujících prvků v okrajové části dendritu je vysoký, takže karbidy a intermetalické sloučeniny se koncentrují v okrajové části dendritu, což snižuje kujnost slitiny.
2) Vysoká legování činí plasticitu tyče ze superslitiny mnohem nižší než u běžné legované oceli. Vzhledem k tomu, že v oblasti hranic zrn je obohaceno velké množství legujících prvků, pevnost na hranicích zrn je nižší než pevnost uvnitř zrn při vysoké teplotě a mnoho částic zesílené fáze se nerozpustí v tuhém roztoku při teplotě deformace. rozsahu, jako je karbid a borid atd., takže kromě , jsou zde také zesílené fáze podílející se na deformaci, to znamená, že deformace není prováděna v jednofázovém stavu. Proto je procesní plasticita válcovací tyče ze superslitiny také relativně nízká. Proto při formulaci postupů procesu kování superslitiny musí být nejprve změřena procesní plasticita slitiny.
3.Stanovení deformační teploty superslitiny
1) Princip stanovení teploty deformace superslitiny, v důsledku složitosti stupně legování superslitiny se počáteční teplota tavení slitiny snižuje a teplota rozpouštění fáze rekrystalizace a zpevňování se zvyšuje, což má za následek zužování teploty deformace a užší. Při určování deformační teploty tedy kromě zajištění plasticity procesu a splnění tváření musí splňovat také potřebu získat dobrou organizaci a vlastnosti. Aby se udržela buněčná dislokační síť v mikrostruktuře výkovků ze superslitiny a získala jemná a stejnoměrná zrna a dobré vlastnosti, měla by být teplota deformace kování nižší než teplota růstu zrna a konečná teplota kování by měla být blízká (o něco vyšší) teplota rozpouštění částic druhé fáze v tuhém roztoku a teplota rekrystalizace.
Odhalení záhady kování ze superslitin: vytvoření superhrdinského materiálu průmyslu
2) Specifikace ohřevu superslitiny, ohřev superslitiny je rozdělen do dvou stupňů předehřívání a ohřevu. Aby se zkrátila doba výdrže superslitiny při teplotě ohřevu kování, vyhněte se nadměrnému hrubnutí zrna a ochuzování legujících prvků; Současně, aby se snížilo tepelné namáhání způsobené špatnou tepelnou vodivostí a vysokým koeficientem tepelné roztažnosti superslitiny, měl by být polotovar před kováním předehřát. Teplota předehřívání je 750 ~ 800 stupňů a doba výdrže se vypočítá jako 0,6 ~ 0,8 min/mm. Teplota ohřevu je obecně 1100 ~ 1180 stupňů C a doba výdrže je 0,4 ~ 0,8 min/mm. Topné zařízení může používat odporovou pec, vybavenou teploměrem a zařízením pro automatickou regulaci teploty pro přesnou regulaci. Při výběru plamenné pece by měl být obsah síry v palivu přísně kontrolován: obsah síry v naftě nebo těžkém oleji by měl být nižší než 0,5 %; Obsah síry v plynu by měl být nižší než 0,7 g/m3. Nadměrný obsah síry v palivu vytvoří eutektikum Ni-Ni3S3 s nízkým bodem tání (≈650 stupňů), když pronikne do povrchu ingotu, čímž se slitina za horka stane křehkou. Je nutné provádět méně a žádná opatření k oxidačnímu ohřevu, aby se zabránilo vyčerpání chrómu, hliníku, titanu a dalších prvků na povrchu polotovaru a snížila se únavová pevnost a pevnost slitiny při vysokých teplotách. Při předkování polotovaru lze využít lokální indukční ohřev. Před zahřátím by měl být polotovar očištěn, aby se odstranily nečistoty a zabránilo se povrchovým defektům způsobeným korozí. Při kování s více požáry by se teplota ohřevu kování měla snižovat s prodloužením časového intervalu mezi dvěma požáry, aby se zabránilo růstu zrna, ke kterému došlo ke statické rekrystalizaci, současně by teplota opětovného ohřevu měla být také nižší s blížící se na hotový výkovek, tím menší je deformace.
4.Stanovení stupně deformace superslitiny
1) Princip stanovení stupně deformace superslitin
Vzhledem k vysokému stupni legování je rozsah deformačních teplot superslitiny úzký a není zde velká rezerva pro nastavení. Kromě toho superslitina nemá žádný izomerizační přechod a velikost zrna slitiny je řízena hlavně deformací kování. Proto je po stanovení deformační teploty velmi důležitá volba stupně deformace. Při určité teplotě kování by měla být deformace každého řádu ohřevu větší než kritický stupeň deformace a menší než odpovídající stupeň deformace druhé oblasti růstu zrna. Za předpokladu splnění požadavků na plasticitu procesu a uspořádání procesu (předkování) by každá deformace měla být hluboká a stejnoměrná a snažit se vyhnout nerovnoměrné deformaci, jinak bude produkovat páskované hrubé krystaly a místní hrubé krystaly. Hrubé krystaly superslitin mají určitou genetickou tvrdohlavost a je obtížné změnit hrubé krystaly vytvořené jednou nestejnoměrnou deformací, když stupeň deformace není dostatečně velký v bezprostřední deformaci. Aby se dosáhlo uspokojivé mikrostruktury a vlastností, měla by být použita nižší teplota ohřevu, větší stupeň deformace, precipitační fáze k řízení mikrostruktury, zlepšení velikosti zrna a hraničního stavu zrna během konečné deformace kování.
Kromě velikosti zrna je důležitým mikrostrukturním faktorem také hraniční stav zrna. Z hlediska zpevnění a zpevnění hranic zrn má kontrola organizace hranic zrn následující zákony:
(1) Nedostatek precipitační fáze na hranici zrn se snadno stane kanálem trhliny.
(2) Hrubá fáze a karbid jsou rovnoměrně rozmístěny na hranicích zrn, což posílí a zpevní hranice zrn slitiny.
(3) V zóně ochuzené o hranici zrn jsou části pro relaxaci napětí, které mohou snížit smykový odpor a rozšířit oblast koncentrace deformace. Proto, když je pevnost hranice zrn příliš vysoká, ochuzená zóna hraje prospěšnou roli.
(4) Tvorba souvislých fází karbidu tenkého filmu na hranici zrn činí slitinu citlivou na vrub.
(5) Tvorba buněčných karbidů na hranicích zrn má nepříznivý vliv na pevnost a houževnatost hranic slitinových zrn.
Proto, kromě rozumného systému tepelného zpracování, v procesu kování, prostřednictvím rozumného rozložení deformace, zejména ke zvýšení stupně konečné deformace kování posledního ohně, ke zlepšení hraničního stavu zrna, přizpůsobení pevnosti zrna a hranice zrna , získat dobré organizační vlastnosti, je nepochybně velmi důležité.
2)Obecně deformované superslitiny jsou citlivější na kritickou deformacia kritický stupeň deformace se obvykle pohybuje v širokém rozmezí ({{0}},5 % ~ 20 %), konkrétní hodnota se liší podle slitiny a kritického stupně deformace stejná slitina se liší při různých teplotách ohřevu. Například celkový stupeň kritické deformace slitiny GH4049 je 0,1 % ~ 7 %. Celkový kritický stupeň deformace slitiny GH4220 je 0,6 %-4,7 % při 1150 stupních a 0,1 %-3 % při 1180 stupních, ale kritický stupeň deformace při různých teplotách kování, stupeň deformace při maximální zrno a maximální kritický průměr deformace nejsou stejné. Průměr hrubého krystalu s kritickou deformací je o několik řádů větší než průměr normálního zrna, přičemž největší je 10 mm a nejmenší 1 mm.
5.Vliv parametrů procesu kování na mikrostrukturu a vlastnosti superslitiny
Správná volba parametrů výkovku a následného tepelného zpracování přímo ovlivňuje mechanické vlastnosti výkovků. Výsledky zkoušek různých slitin jsou uvedeny níže pro referenci při výběru parametrů tepelného zpracování.
1) Vliv teploty ohřevu na mikrostrukturu a vlastnosti slitiny GH2036
Přípustná teplota ohřevu turbínového disku ze slitiny GH2036 před zápustkovým kováním je 1190 stupňů. Pokud je slitina zahřívána na 1220 stupňů po dobu 2 hodin, vzorky v tahu a nárazu se změní z transgranulárního lomu na intergranulární lom, to znamená, že se slitina přehřeje. Pokud se slitina zahřívá po dobu 2 hodin při 1250 stupních a 1280 stupních, hranice zrn slitiny způsobí místní počáteční tavení, to znamená, že slitina se přepálí. U tahových i rázových vzorků dochází k mezikrystalovému lomu a celkové vlastnosti slitiny se snižují. Vliv vysokoteplotního ohřevu na vlastnosti slitiny GH2036, rázové, tahové a trvanlivé vlastnosti slitiny se s rostoucí teplotou ohřevu zhoršují.
2) Vliv konečné teploty deformace na vlastnosti slitiny GH4169
Když je konečný stupeň deformace 25 %, lze vrubovou citlivost eliminovat řízením konečné deformační teploty na 900 ~ 955 stupňů a zvýšení konečné deformační teploty způsobí, že zrno slitiny bude nerovnoměrné a sníží se její plasticita, což má za následek ve vrubové citlivosti. 3) Vliv velikosti zrna na výkon
3)Vliv velikosti zrna na vlastnosti
Hrubší zrno může zvýšit trvalou pevnost a pevnost při tečení, zatímco jemnější zrno může zvýšit mez kluzu a únavovou pevnost. Jednotná velikost zrna je prospěšná pro vlastnosti slitiny. Lomová životnost hrubých krystalů je kratší než u jemných krystalů. Komplexní vliv velikosti zrna na vlastnosti slitiny GH4169 ukazuje, že mez kluzu a únavová mez slitiny GH4169 jsou samozřejmě zlepšeny zjemněním zrna, ale únavová pevnost při teplotách nad 600 stupňů je snížena. Vliv na trvalou pevnost slitiny závisí na formě lomu (transgranulární nebo intergranulární lom), tedy na teplotě slitiny.
4) Vliv parametrů tepelného procesu na dynamickou rekrystalizaci
Když je stupeň deformace větší než 30 %, když je slitina GH4169 kována na kladivu nebo hydraulickém lisu, je počáteční teplota dynamické rekrystalizace zhruba mezi 930 ~ 960 stupni a při izotermickém kování je to zhruba 930 ~ 940 stupňů.
Dynamická rekrystalizace slitiny GH4169 je usnadněna zvýšením teploty kování, zvýšením stupně deformace, přijetím vyšší nebo nižší rychlosti deformace a aplikací vícenásobné deformace.
