Descoperirea misterului forjării superaliajului: crearea materialului supererou al industriei
Superaliajul, cunoscut și ca aliaj rezistent la căldură sau superaliaj, este un material metalic esențial pentru motoarele moderne de aviație, motoarele de rachetă, turbinele cu gaz și echipamentele chimice. Poate rezista la stres complex în condiții de oxidare și coroziune gazoasă de 600 ~ 1100 de grade și poate funcționa fiabil pentru o lungă perioadă de timp.
În prezent, dintre superaliajele de deformare, cele mai utilizate sunt superaliajele pe bază de fier și superaliajele pe bază de nichel. Aliajele pe bază de fier sunt folosite mai mult ca discuri de turbină, discuri de compresor, camere de ardere și palete cu inele de rulment, iar caracteristicile lor de compoziție sunt în principal fier, conținând o cantitate mare de nichel, crom și alte elemente. În funcție de caracteristicile sale de întărire, poate fi împărțit în tip de întărire în vârstă slabă, tip de întărire în soluție solidă, tip de întărire în vârstă de carbură și tip de întărire în vârstă de compus intermetalic.
Aliajele pe bază de nichel sunt mai utilizate la fabricarea palelor de turbină, camerelor de ardere, discurilor de turbină, discurilor compresoarelor și paletelor compresorului, a căror compoziție se caracterizează prin bază de nichel, care conține ω (Cr) de 10% până la 20%, formând pe bază de nichel. matrice de austenita. În plus, unele aliaje conțin și 10% până la 20% ω (Co), formând o matrice de austenită de nichel-crom-cobalt. În funcție de tipul său de întărire, poate fi împărțit în tip de întărire a soluției solide și tip de întărire a îmbătrânirii.
Proprietățile superaliajului depind în principal de compoziția și microstructura aliajului. Tipul, structura, forma, dimensiunea, cantitatea și distribuția fazei precipitate sunt deosebit de importante în microstructură. Precipitatele obișnuite în aliajele pe bază de fier și nichel sunt compușii intermetalici, carburile și borurile. Toți acești compuși pot fi reglați și controlați prin tratament termic, iar morfologia și distribuția lor pot fi modificate și prin deformare.
Tratamentul termic al superaliajelor deformate constă, în general, în tratarea cu soluție solidă, tratamentul intermediar (cunoscut și sub denumirea de tratare secundară cu soluție solidă) și tratamentul îmbătrânirii. Scopul tratamentului cu soluție este de a obține o soluție solidă suprasaturată uniformă și de a controla dimensiunea corespunzătoare a granulelor. Scopul tratamentului termic intermediar este schimbarea stării carburii și obținerea a două „faze” diferite cu dimensiuni diferite. Scopul tratamentului de îmbătrânire este de a face faza întărită să precipite complet și uniform, pentru a obține efectul de întărire prin precipitare, selectarea temperaturii, timpului și frecvenței, pentru a obține numărul de faze consolidate, forma și distribuția este adecvată ca criteriu. Miezul procesului de deformare la cald a superaliajelor deformate este plasticitatea procesului și deformarea critică a cristalelor grosiere.
1.Caracteristicile deformarii superaliajului
1) Plasticitate scăzută, superaliaj datorită gradului ridicat de aliere, are o structură eterogenă și o compoziție de fază complexă, prin urmare, plasticitatea procesului este scăzută. În special la temperaturi ridicate, când elementele de impurități precum S, Pb, Sn sunt conținute, forța de legare între boabe este adesea slăbită și plasticitatea este redusă. Superaliajele utilizează în general conținutul total de elemente de întărire aluminiu și titan pentru a determina nivelul de plasticitate, atunci când conținutul total este mai mare sau egal cu 6%, plasticitatea va fi foarte scăzută. Ductilitatea procesului a superaliajului pe bază de nichel este mai mică decât a superaliajului pe bază de fier. Plasticitatea procesului a superaliajelor este foarte sensibilă la rata de deformare și starea de solicitare. Unele lingouri de aliaj și țagle intermediare trebuie să fie formate prin deformare cu viteză redusă și răsturnare, laminare și chiar extrudare.
2) Rezistență mare la deformare, datorită compoziției complexe a superaliajului, temperatură ridicată de recristalizare, viteză mică, are o rezistență mare la deformare și tendință de întărire la temperatura de deformare, rezistența la deformare este în general de 4 până la 7 ori mai mare decât a oțelului structural obișnuit.
3) Intervalul de temperatură de forjare este îngust, punctul de topire al superaliajului este scăzut în comparație cu oțelul, iar temperatura de încălzire este prea ridicată pentru a provoca supraîncălzirea și arderea excesivă. Dacă temperatura de oprire a forjarii este prea scăzută, plasticitatea este scăzută, rezistența la deformare este mare, iar deformarea amestecată la rece și la cald este ușor să provoace ca forjarea să producă cristale grosiere inegale. Prin urmare, intervalul de temperatură al forjării superaliajului este foarte îngust, în general doar aproximativ 200 de grade C. Intervalul de temperatură de forjare al aliajelor rezistente la căldură pe bază de nichel este mai îngust, majoritatea dintre ele sunt de 100 ~ 150 de grade C, iar unele sunt chiar mai mici decât 100 grade C.
4) Conductivitatea termică este slabă, iar conductibilitatea termică a superaliajului la temperatură scăzută este mult mai mică decât cea a oțelului carbon, deci este, în general, necesară încetinirea preîncălzirii în intervalul de 700 ~ 800 grade C, altfel va provoca o temperatură mare stres, astfel încât metalul de încălzire să fie într-o stare fragilă.
2. Plasticitatea procesului de superaliaj
1) Datorită adăugării unui număr mare de elemente de aliere, rezistența la căldură a superaliajului este îmbunătățită, dar plasticitatea procesului este mult redusă. Alierea ridicată are ca rezultat o segregare severă și cristale columnare grosiere. La veriga slabă a graniței dendritei primare, fisurile pot apărea ușor de-a lungul graniței. Datorită segregării dendritei, conținutul de elemente de aliere din prima parte cristalizată este scăzut, iar conținutul de elemente de aliere din partea de margine a dendritei este mare, astfel încât carburile și compușii intermetalici sunt concentrați în partea de margine a dendritei, ceea ce reduce maleabilitatea a aliajului.
2) Alierea ridicată face ca plasticitatea barei de superaliaj să fie mult mai mică decât cea a oțelului aliat obișnuit. Deoarece un număr mare de elemente de aliere sunt îmbogățite în regiunea limită a granulelor, rezistența graniței este mai mică decât rezistența intra-granule la temperatură ridicată, iar multe dintre particulele de fază întărită nu sunt toate dizolvate în soluția solidă la temperatura de deformare. gama, cum ar fi carbura și borura etc., astfel încât, în plus față de , există și faze consolidate implicate în deformare, adică deformarea nu se realizează într-o stare monofazată. Prin urmare, plasticitatea procesului a tijei de rulare din superaliaj este, de asemenea, relativ scăzută. Prin urmare, în formularea procedurilor de proces de forjare a superaliajului, mai întâi trebuie măsurată plasticitatea procesului a aliajului.
3.Determinarea temperaturii de deformare a superaliajului
1) Principiul determinării temperaturii de deformare a superaliajului, datorită complexității gradului de aliere a superaliajului, temperatura inițială de topire a aliajului scade, iar temperatura de dizolvare a fazei de recristalizare și întărire crește, ceea ce duce la îngustarea temperaturii de deformare. și mai îngustă. Prin urmare, la determinarea temperaturii de deformare, pe lângă asigurarea plasticității procesului și îndeplinirea formării, aceasta trebuie să răspundă și nevoii de a obține o bună organizare și proprietăți. Pentru a menține rețeaua de dislocare celulară în microstructura pieselor forjate de superaliaje și pentru a obține granule fine și uniforme și proprietăți bune, temperatura de deformare a forjarii ar trebui să fie mai mică decât temperatura de creștere a cerealelor, iar temperatura finală de forjare ar trebui să fie aproape de (puțin mai mare) temperatura de dizolvare a particulelor din a doua fază în soluția solidă și temperatura de recristalizare.
Descoperirea misterului forjării superaliajului: crearea materialului supererou al industriei
2) Specificația de încălzire a superaliajului, încălzirea superaliajului este împărțită în preîncălzire și încălzire în două etape. Pentru a scurta timpul de menținere al superaliajului la temperatura de încălzire de forjare, evitați grosoarea excesivă a cerealelor și epuizarea elementului de aliere; În același timp, pentru a reduce stresul termic cauzat de conductivitatea termică slabă și de coeficientul ridicat de dilatare termică a superaliajului, semifabricatul trebuie preîncălzit înainte de forjare. Temperatura de preîncălzire este de 750 ~ 800 grade, iar timpul de menținere este calculat ca 0,6 ~ 0,8min/mm. Temperatura de încălzire este în general 1100 ~ 1180 grade C, iar timpul de menținere este de 0,4 ~ 0,8 min/mm. Echipamentul de încălzire poate folosi un cuptor cu rezistență, echipat cu un termometru și un dispozitiv de reglare automată a temperaturii pentru un control precis. Când este selectat cuptorul cu flacără, conținutul de sulf din combustibil trebuie controlat strict: conținutul de sulf din motorină sau ulei greu trebuie să fie mai mic de 0,5%; Conținutul de sulf al gazului trebuie să fie mai mic de 0,7 g/m3. Conținutul excesiv de sulf din combustibil va forma Ni-Ni3S3 eutectic cu punct de topire scăzut (≈650 grade) atunci când pătrunde în suprafața țaglei, făcând aliajul friabil la cald. Este necesar să se ia mai puține și nicio măsură de încălzire prin oxidare pentru a evita epuizarea cromului, aluminiului, titanului și a altor elemente de pe suprafața semifabricatului și pentru a reduce rezistența la oboseală și rezistența la temperaturi ridicate a aliajului. Încălzirea locală prin inducție poate fi utilizată la preforjarea semifabricatului. Înainte de încălzire, semifabricatul trebuie curățat pentru a îndepărta murdăria și pentru a evita defectele de suprafață datorate coroziunii. La forjarea cu mai multe incendii, temperatura de încălzire a forjarii ar trebui să fie redusă odată cu extinderea intervalului de timp dintre cele două incendii pentru a evita creșterea boabelor care a avut loc recristalizarea statică, în același timp, temperatura de reîncălzire ar trebui să fie, de asemenea, mai mică cu cea mai apropiată. la produsul finit de forjare, cu atât deformarea este mai mică.
4.Determinarea gradului de deformare al superaliajului
1) Principiul determinării gradului de deformare a superaliajelor
Datorită gradului ridicat de aliere, intervalul de temperatură de deformare al superaliajului este îngust și nu există o marjă de ajustare prea mare. În plus, superaliajul nu are tranziție de izomerizare, iar dimensiunea granulelor aliajului este controlată în principal de deformarea forjarii. Prin urmare, după ce temperatura de deformare este determinată, alegerea gradului de deformare este foarte importantă. La o anumită temperatură de forjare, deformarea fiecărui ordin de încălzire ar trebui să fie mai mare decât gradul critic de deformare și mai mică decât gradul de deformare corespunzător al celei de-a doua regiuni de creștere a granulelor. Sub premisa îndeplinirii cerințelor de plasticitate a procesului și aranjare a procesului (pre-forjare), fiecare deformare ar trebui să fie profundă și uniformă și să încerce să evite deformarea neuniformă, altfel va produce cristale grosiere cu benzi și cristale grosiere locale. Cristalele grosiere ale superaliajelor au o anumită încăpățânare genetică și este dificil să se schimbe cristalele grosiere produse de o singură deformare neuniformă atunci când gradul de deformare nu este suficient de mare în deformarea imediată. Pentru a obține o microstructură și proprietăți satisfăcătoare, o temperatură de încălzire mai scăzută, un grad de deformare mai mare, faza de precipitare ar trebui utilizată pentru a controla microstructura, pentru a îmbunătăți dimensiunea granulelor și starea limită a granulelor în timpul deformării finale a forjarii.
Pe lângă dimensiunea granulelor, starea limită a granulelor este, de asemenea, un factor important de microstructură. Din punctul de vedere al întăririi și întăririi granițelor de cereale, controlul organizării limitelor de cereale are următoarele legi:
(1) Lipsa fazei de precipitare la limita granulelor este ușor să devină un canal de fisuri.
(2) Faza grosieră și carbura sunt distribuite uniform pe limitele de cereale, ceea ce va întări și întări limitele de cereale ale aliajului.
(3) Există părți de relaxare a tensiunii în zona epuizată a graniței, care pot reduce rezistența la forfecare și pot extinde zona de concentrare a deformarii. Prin urmare, atunci când rezistența graniței este prea mare, zona epuizată joacă un rol benefic.
(4) Formarea fazelor continue de carbură de film subțire la limita granulelor face ca crestătura aliajului să fie sensibilă.
(5) Formarea de carburi celulare pe limitele granulelor are un efect negativ asupra rezistenței și întăririi limitelor de cereale ale aliajului.
Prin urmare, în plus față de un sistem rezonabil de tratament termic, în procesul de forjare, printr-o distribuție rezonabilă a deformării, în special pentru a crește gradul de deformare finală a forjarii ultimului foc, pentru a îmbunătăți starea graniței, potrivirea rezistenței granulelor și a graniței. , pentru a obține proprietăți organizatorice bune, este, fără îndoială, foarte important.
2)Superaliajele deformate în general sunt mai sensibile la deformarea critică, iar gradul critic de deformare variază de obicei într-un interval larg ({{0}},5% ~ 20%), valoarea specifică variază în funcție de aliaj și gradul de deformare critică a același aliaj este diferit la diferite temperaturi de încălzire. De exemplu, gradul critic total de deformare al aliajului GH4049 este de 0,1% ~ 7%. Gradul total de deformare critică al aliajului GH4220 este de 0,6%-4,7% la 1150 de grade și 0,1%-3% la 1180 de grade, dar gradul de deformare critică la diferite temperaturi de forjare, gradul de deformare la granulația maximă și diametrul maxim de deformare critică nu sunt aceleași. Diametrul cristalului grosier de deformare critică este cu câteva ordine de mărime mai mare decât cel al granulului normal, cel mai mare fiind de 10 mm și cel mai mic fiind de 1 mm.
5.Influența parametrilor procesului de forjare asupra microstructurii și proprietăților superaliajului
Alegerea corectă a forjarii și a parametrilor procesului de tratare termică ulterioară afectează direct proprietățile mecanice ale pieselor forjate. Rezultatele testelor diferitelor aliaje sunt enumerate mai jos pentru referință în selectarea parametrilor de procesare a încălzirii.
1) Efectul temperaturii de încălzire asupra microstructurii și proprietăților aliajului GH2036
Temperatura admisibilă de încălzire a discului turbinei din aliaj GH2036 înainte de forjarea matriței este de 1190 de grade. Dacă aliajul este încălzit la 1220 de grade timp de 2 ore, probele de tracțiune și de impact se schimbă de la fractură transgranulară la fractură intergranulară, adică aliajul se supraîncălzi. Dacă aliajul este încălzit timp de 2 ore la 1250 de grade și 1280 de grade, granulația aliajului produce topirea inițială locală, adică aliajul este supraars. Fractura intergranulară are loc atât la probele de tracțiune, cât și la cele de impact, iar proprietățile generale ale aliajului scad. Influența încălzirii la temperaturi ridicate asupra proprietăților aliajului GH2036, proprietățile de impact, de tracțiune și durabile ale aliajului se deteriorează odată cu creșterea temperaturii de încălzire.
2) Efectul temperaturii finale de deformare asupra proprietăților aliajului GH4169
Când gradul final de deformare este de 25%, sensibilitatea crestăturii poate fi eliminată prin controlul temperaturii finale de deformare la 900 ~ 955 de grade, iar creșterea temperaturii finale de deformare va face ca granulația aliajului să devină neuniformă și să-i reducă plasticitatea, rezultând în sensibilitatea crestăturii. 3) Influența mărimii granulelor asupra performanței
3) Efectul mărimii granulelor asupra proprietăților
Granulele mai grosiere pot crește rezistența de durată și rezistența la fluaj, în timp ce boabele mai fine pot crește puterea de curgere și rezistența la oboseală. Dimensiunea uniformă a granulelor este benefică pentru proprietățile aliajului. Viața de rupere a cristalelor grosiere este mai scurtă decât cea a cristalelor fine. Efectul cuprinzător al mărimii granulelor asupra proprietăților aliajului GH4169 arată că rezistența la curgere și rezistența la oboseală a aliajului GH4169 sunt în mod evident îmbunătățite prin rafinarea cerealelor, dar rezistența la oboseală la temperaturi peste 600 de grade este scăzută. Influența asupra rezistenței permanente a aliajului depinde de forma de fractură (ruptură transgranulară sau intergranulară), adică temperatura aliajului este legată.
4) Influența parametrilor procesului termic asupra recristalizării dinamice
Când gradul de deformare este mai mare de 30%, când aliajul GH4169 este forjat pe ciocan sau presa hidraulică, temperatura de pornire a recristalizării dinamice este de aproximativ 930 ~ 960 de grade, iar la forjare izotermă, este de aproximativ 930 ~ 940 de grade.
Recristalizarea dinamică a aliajului GH4169 este facilitată prin creșterea temperaturii de forjare, creșterea gradului de deformare, adoptarea unei rate de deformare mai mare sau mai mică și aplicarea deformării multiple.
