Descobrint el misteri de la forja de superaliatges: crear el material superheroi de la indústria
El superaliatge, també conegut com a aliatge resistent a la calor o superaliatge, és un material metàl·lic essencial per als moderns motors d'aviació, motors de coets, turbines de gas i equips químics. Pot suportar estrès complex en condicions d'oxidació i corrosió de gas de 600 ~ 1100 graus i pot funcionar de manera fiable durant molt de temps.
Actualment, entre els superaliatges de deformació, els més utilitzats són els superaliatges a base de ferro i els superaliatges a base de níquel. Els aliatges a base de ferro s'utilitzen més com a discs de turbina, discs compressors, cambres de combustió i pales d'anells de rodament, i les seves característiques de composició són principalment ferro, que conté una gran quantitat de níquel, crom i altres elements. Segons les seves característiques d'enfortiment, es pot dividir en tipus d'enduriment feble, tipus d'enduriment de solució sòlida, tipus d'enduriment de carbur i tipus d'enduriment de compost intermetàl·lic.
Els aliatges a base de níquel s'utilitzen més en la fabricació de pales de turbina, cambres de combustió, discos de turbina, discs de compressor i pales de compressor, la composició dels quals es caracteritza per la base de níquel, que conté ω (Cr) del 10% al 20%, formant a base de níquel. matriu d'austenita. A més, alguns aliatges també contenen entre un 10% i un 20% de ω (Co), formant una matriu d'austenita de níquel-crom-cobalt. Segons el seu tipus d'enfortiment, es pot dividir en tipus d'enfortiment de solució sòlida i tipus d'enfortiment de l'envelliment.
Les propietats del superaliatge depenen principalment de la composició i la microestructura de l'aliatge. El tipus, estructura, forma, mida, quantitat i distribució de la fase precipitada són especialment importants en la microestructura. Els precipitats habituals en els aliatges a base de ferro i níquel són compostos intermetàl·lics, carburs i borurs. Tots aquests compostos es poden regular i controlar mitjançant tractament tèrmic, i la seva morfologia i distribució també es poden modificar per deformació.
El tractament tèrmic dels superaliatges deformats consisteix generalment en tractament amb solució sòlida, tractament intermedi (també conegut com a tractament amb solució sòlida secundària) i tractament d'envelliment. El propòsit del tractament de la solució és obtenir una solució sòlida sobresaturada uniforme i controlar la mida de gra adequada. El propòsit del tractament tèrmic intermedi és canviar l'estat del carbur i obtenir dues fases diferents amb diferents mides. El propòsit del tractament d'envelliment és fer que la fase reforçada precipiti completament i uniformement, per aconseguir l'efecte de l'enduriment de la precipitació, la selecció de temperatura, temps i freqüència, per obtenir el nombre de fases reforçades, forma i distribució adequats com a criteri. El nucli del procés de deformació en calent dels superaliatges deformats és la plasticitat del procés i la deformació crítica dels cristalls gruixuts.
1.Característiques de la deformació del superaliatge
1) Baixa plasticitat, superaliatge a causa de l'alt grau d'aliatge, té una estructura heterogènia i una composició de fase complexa, per tant, la plasticitat del procés és baixa. Especialment a altes temperatures, quan els elements d'impuresa com S, Pb, Sn estan continguts, la força d'unió entre els grans sovint es debilita i la plasticitat es redueix. Els superaliatges generalment utilitzen el contingut total d'elements de reforç d'alumini i titani per determinar el nivell de plasticitat, quan el contingut total és superior o igual al 6%, la plasticitat serà molt baixa. La ductilitat del procés del superaliatge a base de níquel és inferior a la del superaliatge a base de ferro. La plasticitat del procés dels superaliatges és molt sensible a la velocitat de deformació i l'estat de tensió. Alguns lingots d'aliatge i palangres intermedis s'han de formar per deformació a baixa velocitat i revolt, laminació i fins i tot extrusió.
2) Gran resistència a la deformació, a causa de la complexa composició del superaliatge, alta temperatura de recristal·lització, velocitat lenta, té una alta resistència a la deformació i tendència a l'enduriment a la temperatura de deformació, la resistència a la deformació és generalment de 4 a 7 vegades la de l'acer estructural ordinari.
3) El rang de temperatures de forja és estret, el punt de fusió del superaliatge és baix en comparació amb l'acer i la temperatura d'escalfament és massa alta per provocar un sobreescalfament i una sobrecombustió. Si la temperatura de parada de la forja és massa baixa, la plasticitat és baixa, la resistència a la deformació és gran i la deformació barrejada en fred i en calent és fàcil de fer que la forja produeixi cristalls gruixuts desiguals. Per tant, el rang de temperatures de la forja de superaliatge és molt estret, generalment només uns 200 graus C. El rang de temperatura de forja dels aliatges resistents a la calor a base de níquel és més estret, la majoria d'ells són de 100 a 150 graus C, i alguns fins i tot són inferiors a 100 graus C.
4) La conductivitat tèrmica és baixa i la conductivitat tèrmica del superaliatge a baixa temperatura és molt inferior a la de l'acer al carboni, per la qual cosa generalment és necessari frenar el preescalfament en el rang de 700 ~ 800 graus C, en cas contrari, provocarà una gran temperatura. tensió, de manera que el metall de calefacció es trobi en un estat trencadís.
2. Plasticitat del procés de superaliatge
1) A causa de l'addició d'un gran nombre d'elements d'aliatge, es millora la resistència a la calor del superaliatge, però la plasticitat del procés es redueix molt. L'alt aliatge dóna lloc a una segregació severa i cristalls columnars gruixuts. A l'enllaç feble del límit del gra de la dendrita primària, és fàcil que es produeixin esquerdes al llarg del límit del gra. A causa de la segregació de la dendrita, el contingut d'elements d'aliatge a la primera part cristal·litzada és baix i el contingut d'elements d'aliatge a la part de la vora de la dendrita és alt, de manera que els carburs i els compostos intermetàl·lics es concentren a la part de la vora de la dendrita, la qual cosa redueix la mal·leabilitat. de l'aliatge.
2) L'alt aliatge fa que la plasticitat de la barra de superaliatge sigui molt més baixa que la de l'acer aliat normal. Com que un gran nombre d'elements d'aliatge s'enriqueixen a la regió del límit del gra, la força del límit del gra és inferior a la força intragras a alta temperatura, i moltes de les partícules de fase reforçada no es dissolen totes a la solució sòlida dins de la temperatura de deformació. rang, com ara el carbur i el borur, etc., de manera que a més de , també hi ha fases reforçades implicades en la deformació, és a dir, la deformació no es realitza en un estat monofàsic. Per tant, la plasticitat del procés de la vareta de superaliatge també és relativament baixa. Per tant, en la formulació de procediments de procés de forja de superaliatge, primer s'ha de mesurar la plasticitat del procés de l'aliatge.
3.Determinació de la temperatura de deformació del superaliatge
1) El principi de determinar la temperatura de deformació del superaliatge, a causa de la complexitat del grau d'aliatge del superaliatge, la temperatura de fusió inicial de l'aliatge disminueix i la temperatura de dissolució de la fase de recristal·lització i enfortiment augmenta, la qual cosa fa que la temperatura de deformació sigui més estreta. i més estret. Per tant, a l'hora de determinar la temperatura de deformació, a més de garantir la plasticitat del procés i complir amb el conformat, també ha de satisfer la necessitat d'obtenir una bona organització i propietats. Per mantenir la xarxa de dislocació cel·lular a la microestructura dels forjats de superaliatge i obtenir grans fins i uniformes i bones propietats, la temperatura de deformació de la forja ha de ser inferior a la temperatura de creixement del gra i la temperatura final de forja ha d'estar propera a (lleugerament superior) la temperatura de dissolució de la partícula de segona fase en la solució sòlida i la temperatura de recristal·lització.
Descobrint el misteri de la forja de superaliatges: crear el material superheroi de la indústria
2) L'especificació de calefacció de superaliatge, la calefacció de superaliatge es divideix en preescalfament i escalfament en dues etapes. Per tal d'escurçar el temps de retenció del superaliatge a la temperatura d'escalfament de forja, eviteu l'esgotament excessiu del gra i l'esgotament de l'element d'aliatge; Al mateix temps, per tal de reduir l'estrès tèrmic causat per la mala conductivitat tèrmica i l'alt coeficient d'expansió tèrmica del superaliatge, el blanc s'ha de preescalfar abans de forjar. La temperatura de preescalfament és de 750 ~ 800 graus i el temps de retenció es calcula com a 0,6 ~ 0,8min/mm. La temperatura d'escalfament és generalment d'1100 ~ 1180 graus C, i el temps de retenció és de 0,4 ~ 0,8 min/mm. L'equip de calefacció pot utilitzar un forn de resistència, equipat amb un termòmetre i un dispositiu de control de temperatura d'ajust automàtic per a un control precís. Quan es selecciona el forn de flama, s'ha de controlar estrictament el contingut de sofre del combustible: el contingut de sofre en el gasoil o l'oli pesat ha de ser inferior al 0,5%; El contingut de sofre del gas ha de ser inferior a 0,7 g/m3. El contingut excessiu de sofre del combustible formarà un eutèctic Ni-Ni3S3 amb un punt de fusió baix (≈650 graus) quan penetri a la superfície de la palangana, fent que l'aliatge fràgil en calent. Cal prendre menys i no prendre mesures d'escalfament per oxidació per evitar l'esgotament de crom, alumini, titani i altres elements a la superfície del blanc, i reduir la resistència a la fatiga i la resistència a alta temperatura de l'aliatge. La calefacció per inducció local es pot utilitzar en la preforja de bruts. Abans d'escalfar, s'ha de netejar el blanc per eliminar la brutícia i evitar defectes superficials a causa de la corrosió. Quan es forja amb diversos focs, la temperatura d'escalfament de la forja s'ha de reduir amb l'ampliació del temps d'interval entre els dos focs per evitar el creixement del gra que s'ha produït en la recristal·lització estàtica, al mateix temps, la temperatura de reescalfament també ha de ser més baixa amb el més proper. al producte de forja acabat, menor és la deformació.
4.Determinació del grau de deformació del superaliatge
1) El principi de determinar el grau de deformació dels superaliatges
A causa de l'alt grau d'aliatge, el rang de temperatura de deformació del superaliatge és estret i no hi ha gaire marge d'ajust. A més, el superaliatge no té transició d'isomerització i la mida del gra de l'aliatge es controla principalment per la deformació de la forja. Per tant, després de determinar la temperatura de deformació, l'elecció del grau de deformació és molt important. A una determinada temperatura de forja, la deformació de cada ordre d'escalfament hauria de ser més gran que el grau de deformació crític i menor que el grau de deformació corresponent de la segona regió de creixement del gra. Sota la premissa de complir els requisits de plasticitat del procés i disposició del procés (preforja), cada deformació ha de ser profunda i uniforme, i intentar evitar una deformació desigual, en cas contrari produirà cristalls gruixuts amb bandes i cristalls gruixuts locals. Els cristalls gruixuts dels superaliatges tenen una certa tossuderia genètica i és difícil canviar els cristalls gruixuts produïts per una sola deformació no uniforme quan el grau de deformació no és prou gran en la deformació immediata. Per obtenir una microestructura i propietats satisfactòries, una temperatura d'escalfament més baixa, un grau de deformació més gran, s'ha d'utilitzar la fase de precipitació per controlar la microestructura, millorar la mida del gra i l'estat del límit del gra durant la deformació final de la forja.
A més de la mida del gra, l'estat del límit del gra també és un factor important de la microestructura. Des del punt de vista de l'enfortiment i l'enduriment del límit del gra, el control de l'organització del límit del gra té les lleis següents:
(1) La falta de fase de precipitació al límit del gra és fàcil de convertir-se en un canal d'esquerda.
(2) La fase gruixuda i el carbur es distribueixen uniformement als límits del gra, cosa que reforçarà i endurirà els límits del gra d'aliatge.
(3) Hi ha parts de relaxació de l'estrès a la zona esgotada del límit del gra, que poden reduir la resistència al cisallament i ampliar l'àrea de concentració de tensió. Per tant, quan la força del límit del gra és massa alta, la zona esgotada juga un paper beneficiós.
(4) La formació de fases contínues de carbur de pel·lícula fina al límit del gra fa que l'osca d'aliatge sigui sensible.
(5) La formació de carburs cel·lulars als límits del gra té un efecte advers sobre la resistència i l'enduriment dels límits del gra d'aliatge.
Per tant, a més d'un sistema de tractament tèrmic raonable, en el procés de forja, mitjançant una distribució raonable de la deformació, especialment per augmentar el grau de deformació final de la forja de l'últim foc, per millorar l'estat del límit del gra, la concordança de la força del límit del gra i el gra. , per obtenir bones propietats organitzatives, és sens dubte molt important.
2)Els superaliatges deformats generalment són més sensibles a la deformació crítica, i el grau de deformació crític sol variar dins d'un ampli rang ({{0}},5% ~ 20%), el valor específic varia amb l'aliatge i el grau de deformació crític del el mateix aliatge és diferent a diferents temperatures de calefacció. Per exemple, el grau de deformació crítica total de l'aliatge GH4049 és del 0,1% ~ 7%. El grau de deformació crítica total de l'aliatge GH4220 és del 0,6%-4,7% a 1150 graus i 0,1%-3% a 1180 graus, però el grau de deformació crític a diferents temperatures de forja, el grau de deformació a la El gra màxim i el diàmetre màxim de deformació crític no són el mateix. El diàmetre del cristall gruixut de deformació crítica és diversos ordres de magnitud més gran que el del gra normal, sent el més gran de 10 mm i el més petit d'1 mm.
5.Influència dels paràmetres del procés de forja en la microestructura i propietats del superaliatge
L'elecció adequada de la forja i els paràmetres del procés de tractament tèrmic posterior afecta directament les propietats mecàniques de les forjades. Els resultats de les proves de diversos aliatges s'enumeren a continuació com a referència en la selecció dels paràmetres de processament de calefacció.
1) Efecte de la temperatura d'escalfament sobre la microestructura i les propietats de l'aliatge GH2036
La temperatura de calefacció permesa del disc de la turbina d'aliatge GH2036 abans de la forja de matriu és de 1190 graus. Si l'aliatge s'escalfa a 1220 graus durant 2 h, les mostres de tracció i impacte canvien de fractura transgranular a fractura intergranular, és a dir, l'aliatge es sobreescalfa. Si l'aliatge s'escalfa durant 2 h a 1250 graus i 1280 graus, el límit del gra de l'aliatge produeix una fusió inicial local, és a dir, l'aliatge es crema en excés. La fractura intergranular es produeix tant en mostres de tracció com d'impacte, i les propietats generals de l'aliatge disminueixen. La influència de l'escalfament a alta temperatura sobre les propietats de l'aliatge GH2036, les propietats d'impacte, de tracció i duradores de l'aliatge es deterioren amb l'augment de la temperatura de calefacció.
2) Efecte de la temperatura de deformació final sobre les propietats de l'aliatge GH4169
Quan el grau de deformació final és del 25%, la sensibilitat de l'osca es pot eliminar controlant la temperatura de deformació final a 900 ~ 955 graus, i l'augment de la temperatura de deformació final farà que el gra de l'aliatge es torni desigual i reduirà la seva plasticitat, resultant en sensibilitat de l'osca. 3) Influència de la mida del gra en el rendiment
3) Efecte de la mida del gra sobre les propietats
El gra més gruixut pot augmentar la resistència duradora i la resistència a la fluïdesa, mentre que el gra més fi pot augmentar la força de rendiment i la resistència a la fatiga. La mida uniforme del gra és beneficiosa per a les propietats de l'aliatge. La vida de fractura dels cristalls gruixuts és més curta que la dels cristalls fins. L'efecte complet de la mida del gra sobre les propietats de l'aliatge GH4169 mostra que la resistència a la fluència i la resistència a la fatiga de l'aliatge GH4169 es milloren òbviament amb el refinament del gra, però la resistència a la fatiga a temperatures superiors a 600 graus es redueix. La influència sobre la resistència permanent de l'aliatge depèn de la forma de fractura (fractura transgranular o intergranular), és a dir, la temperatura de l'aliatge està relacionada.
4) Influència dels paràmetres del procés tèrmic en la recristal·lització dinàmica
Quan el grau de deformació és superior al 30%, quan l'aliatge GH4169 es forja al martell o a la premsa hidràulica, la temperatura d'inici de la recristal·lització dinàmica és aproximadament entre 930 ~ 960 graus, i quan la forja isotèrmica és d'aproximadament 930 ~ 940 graus.
La recristal·lització dinàmica de l'aliatge GH4169 es facilita augmentant la temperatura de forja, augmentant el grau de deformació, adoptant una velocitat de tensió més alta o més baixa i aplicant deformacions múltiples.
