Het mysterie van het smeden van superlegeringen blootleggen: het superheldenmateriaal van de industrie creëren
Superlegering, ook wel hittebestendige legering of superlegering genoemd, is een essentieel metaalmateriaal voor moderne luchtvaartmotoren, raketmotoren, gasturbines en chemische apparatuur. Het is bestand tegen complexe spanningen onder oxidatie- en gascorrosieomstandigheden van 600 ~ 1100 graden en kan lange tijd betrouwbaar werken.
Momenteel worden onder de vervormingssuperlegeringen de meest gebruikte superlegeringen op ijzerbasis en op nikkel gebaseerde superlegeringen. Legeringen op ijzerbasis worden meer gebruikt als turbineschijven, compressorschijven, verbrandingskamers en bladen van lagerringen, en hun samenstellingskenmerken zijn voornamelijk ijzer, dat een grote hoeveelheid nikkel, chroom en andere elementen bevat. Volgens zijn versterkende eigenschappen kan het worden onderverdeeld in een zwak verhardingstype, een verhardingstype met een vaste oplossing, een hardingstype met carbide-veroudering en een intermetaalverbindingsverhardingstype.
Legeringen op nikkelbasis worden vaker gebruikt bij de vervaardiging van turbinebladen, verbrandingskamers, turbineschijven, compressorschijven en compressorbladen, waarvan de samenstelling wordt gekenmerkt door een nikkelbasis, die ω (Cr) van 10% tot 20% bevat, waardoor op nikkel gebaseerde legeringen worden gevormd. austeniet matrix. Bovendien bevatten sommige legeringen ook 10% tot 20% ω (Co), waardoor een nikkel-chroom-kobalt-austenietmatrix ontstaat. Afhankelijk van het versterkende type kan het worden onderverdeeld in het versterkende type van een solide oplossing en het versterkende type van veroudering.
De eigenschappen van superlegeringen hangen voornamelijk af van de samenstelling en microstructuur van de legering. Het type, de structuur, de vorm, de grootte, de hoeveelheid en de verdeling van de neergeslagen fase zijn bijzonder belangrijk in de microstructuur. Veel voorkomende neerslagen in legeringen op ijzer- en nikkelbasis zijn intermetallische verbindingen, carbiden en boriden. Al deze verbindingen kunnen worden gereguleerd en gecontroleerd door middel van warmtebehandeling, en hun morfologie en distributie kunnen ook worden veranderd door vervorming.
De warmtebehandeling van vervormde superlegeringen bestaat doorgaans uit een behandeling met een vaste oplossing, een tussenbehandeling (ook bekend als een secundaire behandeling met een vaste oplossing) en een verouderingsbehandeling. Het doel van oplossingsbehandeling is het verkrijgen van een uniforme oververzadigde vaste oplossing en het regelen van de juiste korrelgrootte. Het doel van een tussentijdse warmtebehandeling is om de toestand van het carbide te veranderen en twee verschillende fasen met verschillende afmetingen te verkrijgen. Het doel van de verouderingsbehandeling is om de versterkte fase volledig en gelijkmatig te laten neerslaan, om het effect van neerslagverharding te bereiken, de selectie van temperatuur, tijd en frequentie, om het aantal versterkte fasen te krijgen, vorm en distributie zijn geschikt als criterium. De kern van het hete vervormingsproces van vervormde superlegeringen is de procesplasticiteit en kritische vervorming van grove kristallen.
1. Kenmerken van vervorming van superlegeringen
1) Lage plasticiteit, superlegering vanwege de hoge legeringsgraad, heeft een heterogene structuur en complexe fasesamenstelling, daarom is de procesplasticiteit laag. Vooral bij hoge temperaturen, wanneer de onzuiverheidselementen zoals S, Pb en Sn aanwezig zijn, wordt de bindingskracht tussen de korrels vaak verzwakt en wordt de plasticiteit verminderd. Superlegeringen gebruiken over het algemeen het totale gehalte aan versterkende elementen aluminium en titanium om het plasticiteitsniveau te bepalen. Wanneer het totale gehalte groter is dan of gelijk is aan 6%, zal de plasticiteit zeer laag zijn. De procesductiliteit van een superlegering op nikkelbasis is lager dan die van een superlegering op ijzerbasis. De procesplasticiteit van superlegeringen is zeer gevoelig voor de vervormingssnelheid en de spanningstoestand. Sommige legeringsblokken en tussenliggende knuppels moeten worden gevormd door vervorming en stuiken bij lage snelheid, walsen en zelfs extrusie.
2) Grote vervormingsweerstand, vanwege de complexe samenstelling van superlegering, hoge herkristallisatietemperatuur, lage snelheid, heeft een hoge vervormingsweerstand en verhardingsneiging bij vervormingstemperatuur, de vervormingsweerstand is over het algemeen 4 tot 7 maal die van gewoon constructiestaal.
3) Het smeedtemperatuurbereik is smal, het smeltpunt van superlegering is laag in vergelijking met staal en de verwarmingstemperatuur is te hoog om oververhitting en oververbranding te veroorzaken. Als de smeedstoptemperatuur te laag is, is de plasticiteit laag, is de vervormingsweerstand groot en is het door de koude en hete gemengde vervorming gemakkelijk om ervoor te zorgen dat het smeden ongelijkmatige grove kristallen produceert. Daarom is het temperatuurbereik van het smeden van superlegeringen erg smal, over het algemeen slechts ongeveer 200 graden C. Het smeedtemperatuurbereik van hittebestendige legeringen op nikkelbasis is smaller, de meeste zijn 100 ~ 150 graden C, en sommige zijn zelfs minder dan 100 graden C.
4) De thermische geleidbaarheid is slecht en de thermische geleidbaarheid van superlegering bij lage temperaturen is veel lager dan die van koolstofstaal, dus het is over het algemeen noodzakelijk om het voorverwarmen te vertragen in het bereik van 700 ~ 800 graden C, anders zal dit een hoge temperatuur veroorzaken spanning, zodat het verhittingsmetaal bros wordt.
2.Procesplasticiteit van superlegering
1) Door de toevoeging van een groot aantal legeringselementen wordt de hittebestendigheid van superlegering verbeterd, maar wordt de procesplasticiteit aanzienlijk verminderd. Hoge legering resulteert in ernstige segregatie en grove kolomvormige kristallen. Bij de zwakke schakel van de primaire dendrietkorrelgrens ontstaan gemakkelijk scheuren langs de korrelgrens. Als gevolg van de dendrietsegregatie is het gehalte aan legeringselementen in het eerste gekristalliseerde deel laag en het gehalte aan legeringselementen in het dendrietranddeel hoog, zodat de carbiden en intermetallische verbindingen geconcentreerd zijn in het dendrietranddeel, wat de kneedbaarheid vermindert. van de legering.
2) Hoge legering maakt de plasticiteit van de superlegeringsstaaf veel lager dan die van gewoon gelegeerd staal. Omdat een groot aantal legeringselementen verrijkt is in het korrelgrensgebied, is de korrelgrenssterkte lager dan de intra-korrelsterkte bij hoge temperatuur, en veel van de versterkte fasedeeltjes worden niet allemaal opgelost in de vaste oplossing binnen de vervormingstemperatuur. bereik, zoals carbide en boride, enz., zodat er naast , ook versterkte fasen betrokken zijn bij de vervorming, dat wil zeggen dat de vervorming niet wordt uitgevoerd in een eenfasige toestand. Daarom is de procesplasticiteit van superlegeringswalsstaven ook relatief laag. Daarom moet bij het formuleren van procesprocedures voor het smeden van superlegeringen eerst de procesplasticiteit van de legering worden gemeten.
3. Bepaling van de vervormingstemperatuur van superlegering
1) Het principe van het bepalen van de vervormingstemperatuur van superlegering, vanwege de complexiteit van de legeringsgraad van superlegering, neemt de initiële smelttemperatuur van de legering af en neemt de oplostemperatuur van herkristallisatie- en versterkingsfase toe, waardoor de vervormingstemperatuur smaller wordt en smaller. Daarom moet bij het bepalen van de vervormingstemperatuur, naast het waarborgen van de plasticiteit van het proces en het voldoen aan de vervorming, deze ook voldoen aan de noodzaak om een goede organisatie en eigenschappen te verkrijgen. Om het cellulaire dislocatienetwerk in de microstructuur van smeedstukken van superlegeringen te behouden en fijne en uniforme korrels en goede eigenschappen te verkrijgen, moet de smeedvervormingstemperatuur lager zijn dan de korrelgroeitemperatuur en moet de uiteindelijke smeedtemperatuur dichtbij (iets hoger) liggen. de temperatuur van het oplossen van de deeltjes in de tweede fase in de vaste oplossing en de herkristallisatietemperatuur.
Het mysterie van het smeden van superlegeringen blootleggen: het superheldenmateriaal van de industrie creëren
2) De verwarmingsspecificatie van superlegering, superlegeringverwarming is verdeeld in twee fasen voorverwarmen en verwarmen. Om de houdtijd van de superlegering bij de verwarmingstemperatuur van het smeden te verkorten, moet u overmatige vergroving van de korrels en uitputting van de legeringselementen vermijden; Om tegelijkertijd de thermische spanning te verminderen die wordt veroorzaakt door de slechte thermische geleidbaarheid en de hoge thermische uitzettingscoëfficiënt van de superlegering, moet de plano worden voorverwarmd vóór het smeden. De voorverwarmingstemperatuur is 750 ~ 800 graden en de bewaartijd wordt berekend als 0.6 ~ 0.8min/mm. De verwarmingstemperatuur is over het algemeen 1100 ~ 1180 graden C en de houdtijd is 0,4 ~ 0,8 min/mm. De verwarmingsapparatuur kan een weerstandsoven gebruiken, uitgerust met een thermometer en een automatisch temperatuurregelapparaat voor nauwkeurige controle. Wanneer de vlamoven wordt geselecteerd, moet het zwavelgehalte in de brandstof strikt worden gecontroleerd: het zwavelgehalte in diesel of zware olie moet minder dan 0,5% zijn; Het zwavelgehalte van het gas moet lager zijn dan 0,7 g/m3. Het overmatige zwavelgehalte in de brandstof vormt Ni-Ni3S3-eutectisch materiaal met een laag smeltpunt (≈650 graden) wanneer het in het oppervlak van de knuppel doordringt, waardoor de legering heet en bros wordt. Het is noodzakelijk om minder en geen oxidatieverwarmingsmaatregelen te nemen om de uitputting van chroom, aluminium, titanium en andere elementen op het oppervlak van de plano te voorkomen en de vermoeiingssterkte en de duurzame sterkte bij hoge temperaturen van de legering te verminderen. Lokale inductieverwarming kan worden gebruikt bij het voorsmeden van onbewerkt materiaal. Vóór het verwarmen moet de plano worden gereinigd om vuil te verwijderen en oppervlaktedefecten als gevolg van corrosie te voorkomen. Bij het smeden met meerdere vuren moet de smeedverwarmingstemperatuur worden verlaagd met de verlenging van de intervaltijd tussen de twee vuren om de korrelgroei te voorkomen die heeft plaatsgevonden door statische herkristallisatie. Tegelijkertijd moet de opwarmtemperatuur ook lager zijn naarmate de temperatuur dichter bij elkaar ligt. tot het voltooide smeedproduct, hoe kleiner de vervorming.
4. Bepaling van de vervormingsgraad van superlegering
1) Het principe van het bepalen van de mate van vervorming van superlegeringen
Vanwege de hoge mate van legering is het vervormingstemperatuurbereik van superlegering smal en is er niet veel aanpassingsmarge. Bovendien heeft de superlegering geen isomerisatie-overgang en wordt de korrelgrootte van de legering voornamelijk bepaald door de smeedvervorming. Daarom is, nadat de vervormingstemperatuur is bepaald, de keuze van de vervormingsgraad erg belangrijk. Bij een bepaalde smeedtemperatuur moet de vervorming van elke verwarmingsvolgorde groter zijn dan de kritische vervormingsgraad en kleiner dan de overeenkomstige vervormingsgraad van het tweede korrelgroeigebied. Onder het uitgangspunt van het voldoen aan de vereisten van procesplasticiteit en procesopstelling (voorsmeeden), moet elke vervorming diep en uniform zijn en proberen ongelijkmatige vervorming te voorkomen, anders zal het gestreepte grove kristallen en lokale grove kristallen produceren. De grove kristallen van superlegeringen hebben een zekere genetische koppigheid, en het is moeilijk om de grove kristallen te veranderen die worden geproduceerd door een enkele niet-uniforme vervorming wanneer de vervormingsgraad niet groot genoeg is bij de onmiddellijke vervorming. Om een bevredigende microstructuur en eigenschappen te verkrijgen, moet een lagere verwarmingstemperatuur, een grotere vervormingsgraad en de precipitatiefase worden gebruikt om de microstructuur te controleren, de korrelgrootte en de korrelgrenstoestand te verbeteren tijdens de uiteindelijke smeedvervorming.
Naast de korrelgrootte is ook de korrelgrenstoestand een belangrijke microstructuurfactor. Vanuit het oogpunt van versterking en versterking van de graangrens kent de controle over de organisatie van de graangrens de volgende wetten:
(1) Het ontbreken van een neerslagfase aan de korrelgrens kan gemakkelijk een scheurkanaal worden.
(2) De grove fase en het carbide worden gelijkmatig verdeeld over de korrelgrenzen, wat de korrelgrenzen van de legering zal versterken en harder maken.
(3) Er zijn delen van spanningsrelaxatie in de zone met verarmde korrelgrens, die de schuifweerstand kunnen verminderen en het gebied van spanningsconcentratie kunnen vergroten. Wanneer de korrelgrenssterkte te hoog is, speelt de uitgeputte zone daarom een gunstige rol.
(4) De vorming van continue dunne filmcarbidefasen op de korrelgrens maakt de kerfgevoelige legering.
(5) De vorming van cellulaire carbiden op de korrelgrenzen heeft een negatief effect op de sterkte en taaiheid van de korrelgrenzen van de legering.
Daarom, naast een redelijk warmtebehandelingssysteem, tijdens het smeedproces, door een redelijke verdeling van de vervorming, vooral om de mate van uiteindelijke smeedvervorming van de laatste brand te vergroten, om de korrelgrenstoestand, korrel- en korrelgrenssterkte-matching te verbeteren , om goede organisatorische eigenschappen te verkrijgen, is ongetwijfeld erg belangrijk.
2)Over het algemeen zijn vervormde superlegeringen gevoeliger voor kritische vervorming, en de kritische vervormingsgraad varieert gewoonlijk binnen een breed bereik ({{0}}.5% ~ 20%), de specifieke waarde varieert afhankelijk van de legering en de kritische vervormingsgraad van de dezelfde legering is anders bij verschillende verwarmingstemperaturen. De totale kritische vervormingsgraad van de GH4049-legering is bijvoorbeeld 0,1% ~ 7%. De totale kritische vervormingsgraad van de GH4220-legering is 0,6%-4,7% bij 1150 graden en 0,1%-3% bij 1180 graden, maar de kritische vervormingsgraad bij verschillende smeedtemperaturen, de vervormingsgraad bij de maximale korrel en de maximale kritische vervormingsdiameter zijn niet hetzelfde. De diameter van het grove kristal met kritische vervorming is verschillende ordes van grootte groter dan die van de normale korrel, waarbij de grootste 10 mm is en de kleinste 1 mm.
5. Invloed van smeedprocesparameters op de microstructuur en eigenschappen van superlegering
De juiste keuze van het smeden en de daaropvolgende parameters van het warmtebehandelingsproces hebben rechtstreeks invloed op de mechanische eigenschappen van smeedstukken. De testresultaten van verschillende legeringen worden hieronder vermeld ter referentie bij de selectie van verwarmingsverwerkingsparameters.
1) Effect van verwarmingstemperatuur op microstructuur en eigenschappen van GH2036-legering
De toegestane verwarmingstemperatuur van de turbineschijf van de GH2036-legering vóór het smeden van de matrijs is 1190 graden. Als de legering gedurende 2 uur op 1220 graden wordt verwarmd, veranderen de trek- en impactmonsters van transgranulaire breuk naar intergranulaire breuk, dat wil zeggen dat de legering oververhit raakt. Als de legering gedurende 2 uur wordt verwarmd op 1250 graden en 1280 graden, veroorzaakt de korrelgrens van de legering lokaal aanvankelijk smelten, dat wil zeggen dat de legering oververbrand wordt. Intergranulaire breuk treedt op bij zowel trek- als schokmonsters, en de algehele eigenschappen van de legering nemen af. Invloed van verwarming bij hoge temperaturen op de eigenschappen van de GH2036-legering; de impact-, trek- en duurzame eigenschappen van de legering verslechteren naarmate de verwarmingstemperatuur stijgt.
2) Effect van de uiteindelijke vervormingstemperatuur op de eigenschappen van de GH4169-legering
Wanneer de uiteindelijke vervormingsgraad 25% is, kan de kerfgevoeligheid worden geëlimineerd door de uiteindelijke vervormingstemperatuur op 900 ~ 955 graden te regelen, en de verhoging van de uiteindelijke vervormingstemperatuur zal ervoor zorgen dat de korrel van de legering ongelijk wordt en de plasticiteit ervan vermindert, wat resulteert in kerfgevoeligheid. 3) Invloed van korrelgrootte op prestatie
3)Effect van korrelgrootte op eigenschappen
De grovere korrel kan de blijvende sterkte en kruipsterkte vergroten, terwijl de fijnere korrel de vloeigrens en vermoeiingssterkte kan vergroten. Een uniforme korrelgrootte is gunstig voor de eigenschappen van de legering. De breukduur van grove kristallen is korter dan die van fijne kristallen. Het uitgebreide effect van de korrelgrootte op de eigenschappen van de GH4169-legering laat zien dat de vloeigrens en de vermoeiingssterkte van de GH4169-legering duidelijk worden verbeterd door korrelverfijning, maar dat de vermoeiingssterkte bij temperaturen boven 600 graden afneemt. De invloed op de permanente sterkte van de legering hangt af van de breukvorm (transgranulaire of intergranulaire breuk), dat wil zeggen dat de temperatuur van de legering gerelateerd is.
4) Invloed van thermische procesparameters op dynamische herkristallisatie
Wanneer de vervormingsgraad groter is dan 30%, wanneer de GH4169-legering op de hamer of hydraulische pers wordt gesmeed, ligt de starttemperatuur van de dynamische herkristallisatie ruwweg tussen 930 ~ 960 graden, en bij isotherm smeden is deze ongeveer 930 ~ 940 graden.
De dynamische herkristallisatie van de GH4169-legering wordt vergemakkelijkt door het verhogen van de smeedtemperatuur, het verhogen van de vervormingsgraad, het aannemen van een hogere of lagere reksnelheid en het toepassen van meervoudige vervorming.
