کشف رمز و راز آهنگری سوپرآلیاژ: ایجاد ماده ابرقهرمانی صنعت

کشف رمز و راز آهنگری سوپرآلیاژ: ایجاد ماده ابرقهرمانی صنعت

سوپرآلیاژ که به عنوان آلیاژ مقاوم در برابر حرارت یا آلیاژ فوق العاده نیز شناخته می شود، یک ماده فلزی ضروری برای موتورهای هوانوردی مدرن، موتورهای موشک، توربین های گاز و تجهیزات شیمیایی است. این می تواند استرس پیچیده را تحت شرایط اکسیداسیون و خوردگی گاز 600 ~ 1100 درجه تحمل کند و می تواند برای مدت طولانی به طور قابل اعتماد کار کند.

در حال حاضر، در بین سوپرآلیاژهای تغییر شکل، پرکاربردترین سوپرآلیاژهای مبتنی بر آهن و سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل هستند. آلیاژهای پایه آهن بیشتر به عنوان دیسک های توربین، دیسک های کمپرسور، محفظه های احتراق حلقه یاتاقان و تیغه ها استفاده می شوند و ویژگی های ترکیبی آنها عمدتاً آهن است که حاوی مقدار زیادی نیکل، کروم و سایر عناصر است. با توجه به ویژگی های استحکام آن، می توان آن را به نوع سخت شدن سن ضعیف، نوع سخت شدن محلول جامد، نوع سخت شدن سن کاربید و نوع سخت شدن سن ترکیب بین فلزی تقسیم کرد.

آلیاژهای مبتنی بر نیکل بیشتر در ساخت پره‌های توربین، محفظه‌های احتراق، دیسک‌های توربین، دیسک‌های کمپرسور و تیغه‌های کمپرسور استفاده می‌شوند که ترکیب آن‌ها با پایه نیکل مشخص می‌شود که حاوی ω (Cr) بین 10 تا 20 درصد است و بر پایه نیکل تشکیل می‌دهد. ماتریس آستنیت علاوه بر این، برخی از آلیاژها حاوی 10 تا 20 درصد ω (Co) هستند که یک ماتریس آستنیت نیکل-کروم-کبالت را تشکیل می دهند. با توجه به نوع تقویت کننده آن، می توان آن را به نوع تقویت کننده محلول جامد و نوع تقویت کننده پیری تقسیم کرد.

خواص سوپرآلیاژ عمدتاً به ترکیب و ریزساختار آلیاژ بستگی دارد. نوع، ساختار، شکل، اندازه، کمیت و توزیع فاز رسوبی به ویژه در ریزساختار مهم است. رسوبات رایج در آلیاژهای مبتنی بر آهن و نیکل ترکیبات بین فلزی، کاربیدها و بوریدها هستند. همه این ترکیبات را می توان با عملیات حرارتی تنظیم و کنترل کرد و همچنین مورفولوژی و توزیع آنها را می توان با تغییر شکل تغییر داد.

عملیات حرارتی سوپرآلیاژهای تغییر شکل یافته به طور کلی شامل عملیات محلول جامد، عملیات میانی (همچنین به عنوان عملیات محلول جامد ثانویه نیز شناخته می شود) و عملیات پیری است. هدف از تصفیه محلول بدست آوردن محلول جامد فوق اشباع یکنواخت و کنترل اندازه دانه مناسب است. هدف از عملیات حرارتی متوسط ​​تغییر حالت کاربید و به دست آوردن دو فاز مختلف با اندازه های مختلف است. هدف از تیمار پیری این است که فاز تقویت شده به طور کامل و یکنواخت رسوب کند، برای دستیابی به اثر سخت شدن بارش، انتخاب دما، زمان و فرکانس، به دست آوردن تعداد فاز تقویت شده، شکل و توزیع مناسب به عنوان معیار است. هسته فرآیند تغییر شکل داغ سوپرآلیاژهای تغییر شکل یافته، انعطاف پذیری فرآیند و تغییر شکل بحرانی کریستال های درشت است.

1.ویژگی های تغییر شکل سوپرآلیاژ

1) پلاستیسیته کم، سوپرآلیاژ به دلیل درجه بالای آلیاژ، دارای ساختار ناهمگن و ترکیب فاز پیچیده است، بنابراین، پلاستیسیته فرآیند کم است. به خصوص در دماهای بالا، هنگامی که عناصر ناخالصی مانند S، Pb، Sn محتوی می شوند، نیروی اتصال بین دانه ها اغلب ضعیف شده و انعطاف پذیری کاهش می یابد. سوپرآلیاژها به طور کلی از محتوای کل عناصر تقویت کننده آلومینیوم و تیتانیوم برای تعیین سطح پلاستیسیته استفاده می کنند، زمانی که محتوای کل بیشتر یا مساوی 6٪ باشد، پلاستیسیته بسیار کم خواهد بود. شکل پذیری فرآیند سوپرآلیاژ مبتنی بر نیکل کمتر از سوپرآلیاژ مبتنی بر آهن است. انعطاف پذیری فرآیند سوپرآلیاژها به سرعت تغییر شکل و حالت تنش بسیار حساس است. برخی از شمش های آلیاژی و بیلت های میانی باید با تغییر شکل و برهم زدن سرعت کم، غلتش و حتی اکستروژن تشکیل شوند.

2) مقاومت تغییر شکل بزرگ، به دلیل ترکیب پیچیده سوپرآلیاژ، دمای تبلور مجدد بالا، سرعت کم، مقاومت در برابر تغییر شکل بالا و تمایل به سخت شدن در دمای تغییر شکل، مقاومت تغییر شکل به طور کلی 4 تا 7 برابر فولاد ساختاری معمولی است.

3) محدوده دمای آهنگری باریک است، نقطه ذوب سوپرآلیاژ در مقایسه با فولاد کم است و دمای گرمایش برای ایجاد گرمای بیش از حد و سوزاندن بیش از حد بالا است. اگر دمای توقف آهنگری خیلی کم باشد، پلاستیسیته کم باشد، مقاومت تغییر شکل زیاد باشد، و تغییر شکل مخلوط سرد و گرم به راحتی باعث می شود که آهنگری بلورهای درشت ناهموار تولید کند. بنابراین، محدوده دمای آهنگری سوپرآلیاژ بسیار باریک است، معمولاً فقط حدود 200 درجه سانتیگراد. محدوده دمای آهنگری آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت مبتنی بر نیکل باریکتر است، اکثر آنها 100 تا 150 درجه سانتیگراد هستند و برخی حتی کمتر از 100 درجه سانتیگراد

4) رسانایی حرارتی ضعیف است و هدایت حرارتی سوپرآلیاژ در دمای پایین بسیار کمتر از فولاد کربنی است، بنابراین به طور کلی لازم است پیش گرمایش در محدوده 700 تا 800 درجه سانتیگراد کاهش یابد، در غیر این صورت باعث ایجاد دمای عالی می شود. تنش، به طوری که فلز حرارت دهنده در حالت شکننده باشد.

2. فرآیند پلاستیسیته سوپر آلیاژ

1) به دلیل افزودن تعداد زیادی از عناصر آلیاژی، مقاومت حرارتی سوپرآلیاژ بهبود می یابد، اما انعطاف پذیری فرآیند به شدت کاهش می یابد. آلیاژ بالا منجر به جداسازی شدید و بلورهای ستونی درشت می شود. در پیوند ضعیف مرز دانه دندریت اولیه، ترک ها در امتداد مرز دانه به راحتی ایجاد می شوند. به دلیل تفکیک دندریت، محتوای عناصر آلیاژی در اولین قسمت کریستالی شده کم است و محتوای عناصر آلیاژی در قسمت لبه دندریت زیاد است، بنابراین کاربیدها و ترکیبات بین فلزی در قسمت لبه دندریت متمرکز می شوند که باعث کاهش چکش خواری می شود. از آلیاژ.

2) آلیاژ بالا باعث می شود که انعطاف پذیری میله سوپرآلیاژی بسیار کمتر از فولاد آلیاژی معمولی باشد. از آنجایی که تعداد زیادی از عناصر آلیاژی در ناحیه مرزی دانه غنی شده اند، استحکام مرزی دانه در دمای بالا کمتر از استحکام درون دانه است و بسیاری از ذرات فاز تقویت شده همه در محلول جامد در دمای تغییر شکل حل نمی شوند. محدوده ای مانند کاربید و بورید و غیره، به طوری که علاوه بر فازهای تقویت شده نیز در تغییر شکل دخیل هستند، یعنی تغییر شکل در آن انجام نمی شود. حالت تک فاز بنابراین، انعطاف پذیری فرآیند میله نورد سوپرآلیاژ نیز نسبتاً کم است. بنابراین، در فرمولاسیون فرآیندهای آهنگری سوپرآلیاژ، ابتدا باید انعطاف پذیری فرآیند آلیاژ اندازه گیری شود.

3. تعیین دمای تغییر شکل سوپرآلیاژ

1) اصل تعیین دمای تغییر شکل سوپرآلیاژ، به دلیل پیچیدگی درجه آلیاژی سوپرآلیاژ، دمای ذوب اولیه آلیاژ کاهش می یابد و دمای انحلال فاز تبلور مجدد و تقویت افزایش می یابد و در نتیجه دمای تغییر شکل باریک تر می شود. و باریک تر بنابراین، هنگام تعیین دمای تغییر شکل، علاوه بر اطمینان از انعطاف پذیری فرآیند و پاسخگویی به شکل دهی، باید نیاز به سازماندهی و خواص خوب را نیز برآورده کند. به منظور حفظ شبکه نابجایی سلولی در ریزساختار آهنگری های سوپرآلیاژی و به دست آوردن دانه های ریز و یکنواخت و خواص خوب، دمای تغییر شکل آهنگری باید کمتر از دمای رشد دانه باشد و دمای آهنگری نهایی باید نزدیک به (کمی بالاتر) باشد. دمای انحلال ذرات فاز دوم در محلول جامد و دمای تبلور مجدد.

کشف رمز و راز آهنگری سوپرآلیاژ: ایجاد ماده ابرقهرمانی صنعت

2) مشخصات گرمایش سوپرآلیاژ، گرمایش سوپرآلیاژ به دو مرحله پیش گرمایش و گرمایش تقسیم می شود. به منظور کوتاه کردن زمان نگهداری سوپرآلیاژ در دمای گرمایش آهنگری، از درشت شدن بیش از حد دانه و تخلیه عنصر آلیاژی خودداری کنید. در عین حال، به منظور کاهش تنش حرارتی ناشی از هدایت حرارتی ضعیف و ضریب انبساط حرارتی بالای سوپرآلیاژ، قبل از آهنگری، بلنک باید از قبل گرم شود. دمای پیش‌گرم 750 ~ 800 درجه است و زمان نگهداری به صورت 0.6 ~ 0.8 دقیقه در میلی‌متر محاسبه می‌شود. دمای گرمایش معمولاً 110 0 تا 1180 درجه سانتیگراد است و زمان نگهداری 0.4 ~ 0.8 دقیقه در میلی‌متر است. تجهیزات گرمایشی می توانند از یک کوره مقاومتی مجهز به دماسنج و یک دستگاه کنترل دمای تنظیم خودکار برای کنترل دقیق استفاده کنند. هنگامی که کوره شعله انتخاب می شود، محتوای گوگرد در سوخت باید به شدت کنترل شود: محتوای گوگرد در گازوئیل یا نفت سنگین باید کمتر از 0.5٪ باشد. میزان گوگرد گاز باید کمتر از 0.7 گرم بر متر مکعب باشد. محتوای بیش از حد گوگرد در سوخت، هنگامی که به سطح بیلت نفوذ می کند، یوتکتیک Ni-Ni3S3 را با نقطه ذوب پایین (650 درجه) تشکیل می دهد و آلیاژ را شکننده می کند. برای جلوگیری از تخلیه کروم، آلومینیوم، تیتانیوم و سایر عناصر بر روی سطح بلانک و کاهش استحکام خستگی و مقاومت در دمای بالا آلیاژ، لازم است اقدامات گرمایشی کمتر و بدون اکسیداسیون انجام شود. گرمایش القایی محلی را می توان در پیش فورج بلانک استفاده کرد. قبل از گرم کردن، قسمت خالی باید تمیز شود تا کثیفی از بین برود و از عیوب سطحی ناشی از خوردگی جلوگیری شود. هنگام آهنگری با آتش های متعدد، دمای حرارت دادن آهنگری باید با افزایش فاصله زمانی بین دو آتش کاهش یابد تا از رشد دانه ای که تبلور مجدد استاتیکی رخ داده است جلوگیری شود، در عین حال، دمای گرم کردن مجدد نیز باید با نزدیکتر شدن کمتر باشد. به محصول آهنگری تمام شده، تغییر شکل کوچکتر است.

4. تعیین درجه تغییر شکل سوپرآلیاژ

1) اصل تعیین درجه تغییر شکل سوپرآلیاژها

به دلیل درجه بالای آلیاژ، محدوده دمای تغییر شکل سوپرآلیاژ باریک است و حاشیه تنظیم زیادی وجود ندارد. علاوه بر این، سوپرآلیاژ هیچ گذار ایزومریزاسیون ندارد و اندازه دانه آلیاژ عمدتاً توسط تغییر شکل آهنگری کنترل می شود. بنابراین پس از تعیین دمای تغییر شکل، انتخاب درجه تغییر شکل بسیار مهم است. در دمای آهنگری معین، تغییر شکل هر مرتبه گرمایش باید بیشتر از درجه تغییر شکل بحرانی و کوچکتر از درجه تغییر شکل متناظر ناحیه رشد دانه دوم باشد. با فرض برآوردن الزامات پلاستیسیته فرآیند و آرایش فرآیند (پیش آهنگری)، هر تغییر شکل باید عمیق و یکنواخت باشد و سعی شود از تغییر شکل ناهموار جلوگیری شود، در غیر این صورت بلورهای درشت نواری و بلورهای درشت موضعی تولید می کند. بلورهای درشت سوپرآلیاژها سرسختی ژنتیکی خاصی دارند و تغییر شکل بلورهای درشت تولید شده توسط یک تغییر شکل غیر یکنواخت زمانی که درجه تغییر شکل در تغییر شکل فوری به اندازه کافی بزرگ نباشد دشوار است. برای به دست آوردن ریزساختار و خواص رضایت بخش، دمای حرارت کمتر، درجه تغییر شکل بیشتر، فاز بارش باید برای کنترل ریزساختار، بهبود اندازه دانه و حالت مرزی دانه در طول تغییر شکل نهایی آهنگری استفاده شود.

علاوه بر اندازه دانه، حالت مرزی دانه نیز یک عامل ریزساختاری مهم است. از نظر تحکیم و سفت‌کردن مرز دانه‌ها، کنترل سازمان‌دهی مرز دانه‌ها دارای قوانین زیر است:

(1) عدم وجود فاز بارش در مرز دانه به راحتی به کانال ترک تبدیل می شود.

(2) فاز درشت و کاربید به طور یکنواخت بر روی مرزهای دانه توزیع می شوند که باعث تقویت و سفت شدن مرزهای دانه آلیاژ می شود.

(3) بخش‌های آرام‌سازی تنش در ناحیه تخلیه‌شده مرز دانه وجود دارد که می‌تواند مقاومت برشی را کاهش داده و ناحیه غلظت کرنش را گسترش دهد. بنابراین، زمانی که استحکام مرزی دانه خیلی زیاد باشد، ناحیه تخلیه شده نقش مفیدی ایفا می کند.

(4) تشکیل فازهای کاربید لایه نازک پیوسته بر روی مرز دانه، بریدگی آلیاژ را حساس می کند.

(5) تشکیل کاربیدهای سلولی بر روی مرزهای دانه تأثیر نامطلوبی بر استحکام و سخت شدن مرزهای دانه های آلیاژی دارد.

بنابراین، علاوه بر یک سیستم عملیات حرارتی معقول، در فرآیند آهنگری، از طریق توزیع معقول تغییر شکل، به ویژه برای افزایش درجه تغییر شکل آهنگری نهایی آخرین آتش، برای بهبود وضعیت مرزی دانه، تطبیق مقاومت مرزی دانه و دانه. ، برای به دست آوردن خواص سازمانی خوب، بدون شک بسیار مهم است.

2)سوپرآلیاژهای تغییر شکل یافته معمولاً به تغییر شکل بحرانی حساس تر هستندو درجه تغییر شکل بحرانی معمولاً در محدوده وسیعی متفاوت است ({{0}}.5% ~ 20%)، مقدار خاص با آلیاژ و درجه تغییر شکل بحرانی تغییر شکل می‌دهد. همان آلیاژ در دماهای مختلف گرمایش متفاوت است. برای مثال، درجه تغییر شکل بحرانی کل آلیاژ GH4{13}}49 0.1٪ ~ 7٪ است. درجه تغییر شکل بحرانی کل آلیاژ GH4220 0.6%-4.7% در 1150 درجه و 0.1%-3% در 1180 درجه است، اما درجه تغییر شکل بحرانی در دماهای مختلف آهنگری، درجه تغییر شکل در حداکثر دانه و حداکثر قطر تغییر شکل بحرانی یکسان نیستند. قطر کریستال درشت تغییر شکل بحرانی چندین مرتبه بزرگتر از قطر دانه معمولی است که بزرگترین آن 10 میلی متر و کوچکترین آن 1 میلی متر است.

5. تأثیر پارامترهای فرآیند آهنگری بر ریزساختار و خواص سوپرآلیاژ

انتخاب مناسب پارامترهای فرآیند آهنگری و متعاقباً عملیات حرارتی مستقیماً بر خواص مکانیکی آهنگری تأثیر می گذارد. نتایج آزمایش آلیاژهای مختلف برای مرجع در انتخاب پارامترهای پردازش گرمایش در زیر ذکر شده است.

1) تاثیر دمای حرارت بر ریزساختار و خواص آلیاژ GH2036

دمای مجاز گرمایش دیسک توربین آلیاژی GH2036 قبل از آهنگری قالب 1190 درجه است. اگر آلیاژ به مدت 2 ساعت در دمای 1220 درجه حرارت داده شود، نمونه های کششی و ضربه ای از شکستگی ترانس دانه ای به شکستگی بین دانه ای تغییر می کنند، یعنی آلیاژ بیش از حد گرم می شود. اگر آلیاژ به مدت 2 ساعت در دمای 1250 درجه و 1280 درجه حرارت داده شود، مرز دانه آلیاژ ذوب اولیه محلی ایجاد می کند، یعنی آلیاژ بیش از حد می سوزد. شکست بین دانه ای در هر دو نمونه کششی و ضربه ای رخ می دهد و خواص کلی آلیاژ کاهش می یابد. تاثیر گرمایش با دمای بالا بر خواص آلیاژ GH2036، خواص ضربه‌ای، کششی و بادوام آلیاژ با افزایش دمای گرمایش بدتر می‌شود.

2) تأثیر دمای تغییر شکل نهایی بر خواص آلیاژ GH4169

هنگامی که درجه تغییر شکل نهایی 25٪ است، حساسیت بریدگی را می توان با کنترل دمای تغییر شکل نهایی در 900 تا 955 درجه حذف کرد و افزایش دمای تغییر شکل نهایی باعث ناهموار شدن دانه های آلیاژ و کاهش انعطاف پذیری آن می شود. در حساسیت بریدگی 3) تأثیر اندازه دانه بر عملکرد

3) تأثیر اندازه دانه بر خواص

دانه درشت تر می تواند استحکام پایدار و قدرت خزش را افزایش دهد، در حالی که دانه ریزتر می تواند استحکام تسلیم و استحکام خستگی را افزایش دهد. اندازه دانه یکنواخت برای خواص آلیاژ مفید است. عمر شکست کریستال های درشت کوتاه تر از کریستال های ریز است. اثر جامع اندازه دانه بر خواص آلیاژ GH4169 نشان می دهد که استحکام تسلیم و استحکام خستگی آلیاژ GH4169 به وضوح با پالایش دانه بهبود می یابد، اما استحکام خستگی در دماهای بالاتر از 600 درجه کاهش می یابد. تأثیر بر استحکام دائمی آلیاژ به شکل شکست (شکستگی ترانس دانه ای یا بین دانه ای) بستگی دارد، یعنی دمای آلیاژ مرتبط است.

4) تأثیر پارامترهای فرآیند حرارتی بر تبلور مجدد دینامیکی

هنگامی که درجه تغییر شکل بیشتر از 30٪ باشد، هنگامی که آلیاژ GH4169 روی چکش یا پرس هیدرولیک آهنگری می شود، دمای شروع تبلور مجدد دینامیکی تقریباً بین 930 تا 960 درجه است و هنگام آهنگری همدما تقریباً 930 تا 940 درجه است.

تبلور مجدد دینامیکی آلیاژ GH4169 با افزایش دمای آهنگری، افزایش درجه تغییر شکل، اتخاذ نرخ کرنش بالاتر یا پایین تر و اعمال تغییر شکل چندگانه تسهیل می شود.