Avslöja mysteriet med superlegeringssmide: skapa industrins superhjältematerial
Superlegering, även känd som värmebeständig legering eller superlegering, är ett väsentligt metallmaterial för moderna flygmotorer, raketmotorer, gasturbiner och kemisk utrustning. Det kan motstå komplex stress under oxidation och gaskorrosionsförhållanden på 600 ~ 1100 grader och kan fungera tillförlitligt under lång tid.
För närvarande är de mest använda bland deformationssuperlegeringarna järnbaserade superlegeringar och nickelbaserade superlegeringar. Järnbaserade legeringar används mer som turbinskivor, kompressorskivor, lagerringförbränningskammare och blad, och deras sammansättningsegenskaper är huvudsakligen järn, som innehåller en stor mängd nickel, krom och andra element. Beroende på dess förstärkningsegenskaper kan den delas in i svag åldershärdningstyp, solid lösningshärdningstyp, karbidåldershärdningstyp och intermetallisk sammansatt åldringshärdningstyp.
Nickelbaserade legeringar används mer vid tillverkning av turbinblad, förbränningskammare, turbinskivor, kompressorskivor och kompressorblad, vars sammansättning kännetecknas av nickelbas, innehållande ω (Cr) på 10 % till 20 %, vilket bildar nickelbaserade austenitmatris. Dessutom innehåller vissa legeringar också 10% till 20% av ω (Co), vilket bildar en nickel-krom-kobolt austenitmatris. Beroende på dess förstärkningstyp kan den delas in i solid lösningsförstärkningstyp och åldringsförstärkningstyp.
Superlegeringens egenskaper beror huvudsakligen på legeringens sammansättning och mikrostruktur. Typ, struktur, form, storlek, kvantitet och fördelning av utfälld fas är särskilt viktiga i mikrostrukturen. Vanliga fällningar i järn- och nickelbaserade legeringar är intermetalliska föreningar, karbider och borider. Alla dessa föreningar kan regleras och kontrolleras genom värmebehandling, och deras morfologi och distribution kan också ändras genom deformation.
Värmebehandlingen av deformerade superlegeringar består i allmänhet av behandling av fast lösning, mellanbehandling (även känd som sekundär behandling av fast lösning) och åldringsbehandling. Syftet med lösningsbehandling är att erhålla enhetlig övermättad fast lösning och kontrollera lämplig kornstorlek. Syftet med mellanvärmebehandling är att ändra karbidens tillstånd och få två olika faser med olika storlekar. Syftet med åldringsbehandling är att göra den förstärkta fasen helt och jämnt utfällning, för att uppnå effekten av nederbördshärdning, val av temperatur, tid och frekvens, för att få antalet förstärkta faser, form och fördelning är lämplig som kriterium. Kärnan i den heta deformationsprocessen av deformerade superlegeringar är processplasticiteten och den kritiska deformationen av grova kristaller.
1. Egenskaper av superlegeringsdeformation
1) Låg plasticitet, superlegering på grund av den höga graden av legering, har en heterogen struktur och komplex fassammansättning, därför är processplasticiteten låg. Speciellt vid höga temperaturer, när föroreningselementen som S, Pb, Sn finns inneslutna, försvagas ofta bindningskraften mellan korn och plasticiteten minskar. Superlegeringar använder i allmänhet den totala halten av förstärkningselementen aluminium och titan för att bestämma graden av plasticitet, när den totala halten är större än eller lika med 6%, blir plasticiteten mycket låg. Processduktiliteten för nickelbaserad superlegering är lägre än den för järnbaserad superlegering. Processplasticiteten hos superlegeringar är mycket känslig för deformationshastighet och spänningstillstånd. Vissa legeringsgöt och mellanliggande ämnen måste formas genom låghastighetsdeformation och rubbning, valsning och till och med extrudering.
2) Stort deformationsbeständighet, på grund av den komplexa sammansättningen av superlegering, hög omkristallisationstemperatur, låg hastighet, har en hög deformationsbeständighet och härdningstendens vid deformationstemperatur, deformationsmotståndet är i allmänhet 4 till 7 gånger det för vanligt konstruktionsstål.
3) Smidestemperaturområdet är smalt, smältpunkten för superlegering är låg jämfört med stål, och uppvärmningstemperaturen är för hög för att orsaka överhettning och överbränning. Om smidningsstopptemperaturen är för låg, plasticiteten är låg, deformationsmotståndet är stort och den kalla och varma blandade deformationen är lätt att få smidet att producera ojämna grova kristaller. Därför är temperaturintervallet för superlegeringssmide mycket snävt, vanligtvis bara cirka 200 grader C. Smidestemperaturområdet för nickelbaserade värmebeständiga legeringar är smalare, de flesta av dem är 100 ~ 150 grader C, och vissa är till och med mindre än 100 grader C.
4) Värmeledningsförmågan är dålig, och värmeledningsförmågan för superlegering vid låg temperatur är mycket lägre än för kolstål, så det är i allmänhet nödvändigt att sakta ner förvärmningen i intervallet 700 ~ 800 grader C, annars kommer det att orsaka hög temperatur spänning, så att värmemetallen är i ett sprött tillstånd.
2. Process plasticitet av superlegering
1) På grund av tillsatsen av ett stort antal legeringselement förbättras värmebeständigheten hos superlegering, men processplasticiteten minskar kraftigt. Hög legering resulterar i kraftig segregation och grova kolumnformiga kristaller. Vid den svaga länken av primär dendritkorngräns är det lätt att uppstå sprickor längs korngränsen. På grund av dendritsegregering är halten av legeringselement i den första kristalliserade delen låg, och halten av legeringselement i dendritkantdelen är hög, så karbiderna och intermetalliska föreningar koncentreras i dendritkantdelen, vilket minskar formbarheten av legeringen.
2) Hög legering gör att superlegeringsstångens plasticitet är mycket lägre än för vanligt legerat stål. Eftersom ett stort antal legeringselement anrikas i korngränsområdet, är korngränsstyrkan lägre än korngränsstyrkan vid hög temperatur, och många av de förstärkta faspartiklarna löses inte alla i den fasta lösningen inom deformationstemperaturen intervall, såsom karbid och borid, etc., så att det förutom , även är förstärkta faser involverade i deformation, det vill säga deformationen utförs inte i en enfas tillstånd. Därför är processplasticiteten för rullstång av superlegering också relativt låg. Därför måste legeringens processplasticitet mätas först vid formuleringen av superlegeringssmideprocesser.
3.Bestämning av deformationstemperatur av superlegering
1) Principen för att bestämma deformationstemperaturen för superlegeringen, på grund av komplexiteten i legeringsgraden av superlegeringen, minskar den initiala smälttemperaturen för legeringen och upplösningstemperaturen för omkristallisation och förstärkningsfasen ökar, vilket resulterar i att deformationstemperaturen blir smalare och smalare. Vid bestämning av deformationstemperaturen måste den därför, förutom att säkerställa processens plasticitet och möta formningen, även uppfylla behovet av att få god organisation och egenskaper. För att hålla det cellulära dislokationsnätverket i mikrostrukturen av superlegeringssmide och erhålla fina och enhetliga korn och goda egenskaper, bör smidesdeformationstemperaturen vara lägre än korntillväxttemperaturen och den slutliga smidestemperaturen bör vara nära (något högre) temperaturen för den andra fasens partikelupplösning i den fasta lösningen och omkristallisationstemperaturen.
Avslöja mysteriet med superlegeringssmide: skapa industrins superhjältematerial
2) Uppvärmningsspecifikationen för superlegering, superlegeringsuppvärmning är uppdelad i förvärmning och uppvärmning i två steg. För att förkorta hålltiden för superlegering vid smidesvärmetemperatur, undvik överdriven kornförgrovning och utarmning av legeringselement; Samtidigt, för att minska den termiska spänningen som orsakas av den dåliga värmeledningsförmågan och höga värmeutvidgningskoefficienten hos superlegeringen, bör ämnet förvärmas före smide. Förvärmningstemperaturen är 750 ~ 800 grader, och hålltiden beräknas som 0.6 ~ 0.8min/mm. Uppvärmningstemperaturen är vanligtvis 1100 ~ 1180 grader C, och hålltiden är 0,4 ~ 0,8 min/mm. Värmeutrustningen kan använda en motståndsugn, utrustad med en termometer och en automatisk justering av temperaturkontrollanordningen för noggrann kontroll. När flamugnen väljs bör svavelhalten i bränslet kontrolleras strikt: svavelhalten i diesel eller tung olja bör vara mindre än 0,5%; Gasens svavelhalt bör vara mindre än 0,7 g/m3. Den överdrivna svavelhalten i bränslet kommer att bilda Ni-Ni3S3 eutektikum med låg smältpunkt (≈650 grader) när det tränger in i ämnets yta, vilket gör legeringen het spröd. Det är nödvändigt att vidta mindre och inga oxidationsuppvärmningsåtgärder för att undvika utarmning av krom, aluminium, titan och andra element på ytan av ämnet och minska utmattningshållfastheten och högtemperaturhållfastheten hos legeringen. Lokal induktionsvärme kan användas vid försmidning av ämne. Före uppvärmning bör ämnet rengöras för att avlägsna smuts och undvika ytdefekter på grund av korrosion. Vid smide med flera bränder bör smidesuppvärmningstemperaturen sänkas med förlängning av intervalltiden mellan de två bränderna för att undvika den korntillväxt som har inträffat statisk omkristallisering, samtidigt bör återuppvärmningstemperaturen också vara lägre ju närmare till den färdiga smidesprodukten, desto mindre deformation.
4.Bestämning av deformationsgrad av superlegering
1) Principen för att bestämma graden av deformation av superlegeringar
På grund av den höga legeringsgraden är deformationstemperaturområdet för superlegeringen smalt och det finns inte mycket justeringsmarginal. Dessutom har superlegeringen ingen isomeriseringsövergång, och kornstorleken hos legeringen styrs huvudsakligen av smidesdeformationen. Därför, efter att deformationstemperaturen har bestämts, är valet av deformationsgrad mycket viktigt. Vid en viss smidestemperatur bör deformationen av varje uppvärmningsordning vara större än den kritiska deformationsgraden och mindre än motsvarande deformationsgrad för det andra korntillväxtområdet. Under förutsättningen att uppfylla kraven på processplasticitet och processarrangemang (försmidning) bör varje deformation vara djup och enhetlig och försöka undvika ojämn deformation, annars kommer den att producera bandade grova kristaller och lokala grova kristaller. De grova kristallerna av superlegeringar har en viss genetisk envishet, och det är svårt att förändra de grova kristallerna som produceras av en enda ojämn deformation när deformationsgraden inte är tillräckligt stor i den omedelbara deformationen. För att erhålla tillfredsställande mikrostruktur och egenskaper bör lägre uppvärmningstemperatur, större deformationsgrad, utfällningsfas användas för att kontrollera mikrostruktur, förbättra kornstorlek och korngränstillstånd under slutlig smidesdeformation.
Förutom kornstorlek är korngränstillstånd också en viktig mikrostrukturfaktor. Ur synvinkel förstärkning och skärpning av korngränser har kontrollen av korngränsorganisation följande lagar:
(1) Bristen på nederbördsfas vid korngränsen är lätt att bli en sprickkanal.
(2) Den grova fasen och karbiden är jämnt fördelade på korngränserna, vilket kommer att stärka och sega legeringskorngränserna.
(3) Det finns spänningsavslappnande delar i den utarmade zonen för korngränsen, vilket kan minska skjuvmotståndet och utöka området för töjningskoncentration. Därför, när korngränsstyrkan är för hög, spelar den utarmade zonen en fördelaktig roll.
(4) Bildandet av kontinuerliga tunnfilmskarbidfaser på korngränsen gör legeringen hackkänslig.
(5) Bildandet av cellulära karbider på korngränserna har en negativ effekt på hållfastheten och härdningen av legeringskorngränserna.
Därför, förutom ett rimligt värmebehandlingssystem, i smidesprocessen, genom en rimlig fördelning av deformation, särskilt för att öka graden av slutlig smidesdeformation av den sista branden, för att förbättra korngränstillståndet, korn- och korngränsstyrkamatchning , för att få goda organisatoriska egenskaper, är utan tvekan mycket viktigt.
2)Generellt deformerade superlegeringar är mer känsliga för kritisk deformation, och den kritiska deformationsgraden varierar vanligtvis inom ett brett intervall ({{0}},5 % ~ 20%), det specifika värdet varierar med legeringen och den kritiska deformationsgraden för samma legering är olika vid olika uppvärmningstemperaturer. Till exempel är den totala kritiska deformationsgraden för legering GH4049 0,1 % ~ 7 %. Den totala kritiska deformationsgraden för GH4220-legeringen är 0,6%-4,7% vid 1150 grader och 0,1%-3% vid 1180 grader, men den kritiska deformationsgraden vid olika smidestemperaturer, deformationsgraden vid maximal kornighet och maximal kritisk deformationsdiameter är inte samma. Diametern på den kritiska deformationsgrova kristallen är flera storleksordningar större än den för normalkornen, där den största är 10 mm och den minsta är 1 mm.
5. Inverkan av smidesprocessparametrar på mikrostruktur och egenskaper hos superlegering
Rätt val av smide och efterföljande värmebehandlingsprocessparametrar påverkar direkt smides mekaniska egenskaper. Testresultaten för olika legeringar listas nedan för referens vid valet av värmebehandlingsparametrar.
1) Effekt av uppvärmningstemperatur på mikrostruktur och egenskaper hos GH2036-legering
Den tillåtna uppvärmningstemperaturen för GH2036 legeringsturbinskiva före formsmidning är 1190 grader. Om legeringen värms upp till 1220 grader i 2 timmar ändras drag- och slagproven från transgranulär spricka till intergranulär spricka, det vill säga legeringen överhettas. Om legeringen värms upp i 2 timmar vid 1250 grader och 1280 grader, producerar korngränsen för legeringen lokal initial smältning, det vill säga att legeringen överbränns. Intergranulär fraktur förekommer i både drag- och slagprover, och legeringens övergripande egenskaper minskar. Inverkan av högtemperaturuppvärmning på egenskaperna hos GH2036-legeringen, legeringens slag, draghållfasthet och hållbarhetsegenskaper försämras med ökningen av uppvärmningstemperaturen.
2) Effekt av slutlig deformationstemperatur på egenskaperna hos GH4169-legering
När den slutliga deformationsgraden är 25%, kan hackkänsligheten elimineras genom att kontrollera den slutliga deformationstemperaturen till 900 ~ 955 grader, och ökningen av den slutliga deformationstemperaturen kommer att göra att kornen i legeringen blir ojämn och minska dess plasticitet, vilket resulterar i i hackkänslighet. 3) Kornstorlekens inverkan på prestanda
3) Kornstorlekens effekt på egenskaperna
De grövre ådringarna kan öka den varaktiga hållfastheten och kryphållfastheten, medan de finare kornet kan öka sträckgränsen och utmattningsgränsen. Enhetlig kornstorlek är fördelaktigt för legeringens egenskaper. Spricklivslängden för grova kristaller är kortare än för fina kristaller. Den omfattande effekten av kornstorlek på egenskaperna hos GH4169-legering visar att sträckgränsen och utmattningsgränsen för GH4169-legeringen uppenbarligen förbättras av kornförfining, men utmattningshållfastheten vid temperaturer över 600 grader minskar. Inverkan på legeringens permanenta styrka beror på brottformen (transgranulär eller intergranulär fraktur), det vill säga legeringens temperatur är relaterad.
4) Inverkan av termiska processparametrar på dynamisk omkristallisation
När deformationsgraden är större än 30%, när GH4169-legering smidd på hammaren eller hydraulpressen, är den dynamiska omkristallisationens starttemperatur ungefär mellan 930 ~ 960 grader, och vid isotermisk smidning är den ungefär 930 ~ 940 grader.
Den dynamiska omkristalliseringen av GH4169-legeringen underlättas genom att öka smidestemperaturen, öka deformationsgraden, anta högre eller lägre töjningshastighet och tillämpa multipel deformation.
