المطروقات المصنوعة من السبائك الفائقة القائمة على النيكل: المعالجة الحرارية للتحكم في حجم الحبوب في الأجزاء الدوارة الحرجة

تدور أقراص التوربينات وأقراص الضاغط والأعمدة والمطروقات الدوارة بسرعة عالية ودرجة حرارة عالية لآلاف الساعات. الفشل ليس تسربا. إنه حدث كارثي. بالنسبة لهذه الأجزاء، فإن حجم حبيبات المعدن ليس من التفاصيل التجميلية. إنه يقرر كيفية مقاومة الجزء لشقوق التعب والزحف ونمو الشقوق البطيء. يشرح هذا الدليل كيف تحدد المعالجة الحرارية حجم الحبيبات في المطروقات المصنوعة من السبائك الفائقة القائمة على النيكل، وكيفية مقارنة الطرق الرئيسية، وما الذي يجب على المشترين تحديده والتحقق منه.

يتم تحديد حجم الحبيبات في تشكيل السبائك الفائقة من خلال شيئين يعملان معًا: تاريخ العمل الساخن الذي ينتج الحبوب، ودرجة حرارة المعالجة الحرارية بالنسبة لدرجة الحرارة التي تذوب عندها جزيئات التقوية أو التثبيت. الحل تحت درجة الحرارة هذه يحافظ على الحبوب جيدة (قوة شد وتعب أفضل)؛ الحل فوقه يسمح للحبوب بالنمو بشكل خشن (مقاومة أفضل لنمو الشقوق والزحف). تحاول معالجات البنية المجهرية المزدوجة إعطاء كل جزء من القرص حجم الحبوب الذي يحتاجه.

لماذا يهم حجم الحبوب في الأجزاء الدوارة الحرجة؟

لأن الحبوب الناعمة والخشنة تحمي من أوضاع الفشل المختلفة. تعطي الحبوب الدقيقة قوة شد أعلى ومقاومة أفضل للتعب في الدورة المنخفضة؛ تعطي الحبوب الخشنة مقاومة أفضل لنمو الشقوق والزحف عند درجات الحرارة المرتفعة. لا يوجد حجم حبة واحد هو الأفضل في كل مكان في الجزء الدوار.

الحبة عبارة عن بلورة صغيرة. الحدود بين الحبيبات هي نقاط ضعف عند درجة حرارة عالية، حيث يمكن للمعدن أن يتشوه (يزحف) ببطء على طولها. وفي درجات الحرارة المنخفضة يكون العكس هو الصحيح: فالحدود تسد الشقوق، وبالتالي فإن المزيد من الحدود (الحبيبات الدقيقة) تعني معدن أقوى وأكثر مقاومة للتعب. يحتوي القرص على كلا الشرطين في وقت واحد. التجويف (الوسط) أكثر برودة ويحمل دورات ضغط عالية. الحافة تصبح أكثر سخونة وتجلس تحت حمل مستمر.

الجدول 1. المفاضلة بين حجم الحبوب في سبائك القرص، كما هو موضح في الأدبيات المنشورة للمعالجة الحرارية لقرص توربينات الغاز.

ما الذي يتحكم في حجم الحبوب في تزوير السبائك الفائقة القائمة على النيكل؟

تتحكم فيه ثلاث روافع: مقدار ومدى سخونة المعدن الذي يتشوه أثناء التشكيل، وأي الجسيمات موجودة لتثبيت حدود الحبوب، ودرجة حرارة معالجة المحلول النهائي بالنسبة إلى المذيب (درجة الحرارة التي تذوب عندها تلك الجسيمات).

أثناء عملية التشكيل، يؤدي التشوه إلى تكوين حبيبات صغيرة جديدة عن طريق إعادة البلورة. أثناء التسخين اللاحق، تميل تلك الحبوب إلى النمو، لأن الحبوب الكبيرة لها مساحة حدودية أقل وبالتالي طاقة أقل. تعمل الجزيئات الصلبة الموجودة على حدود الحبوب كمثبتات وتوقف هذا النمو. فيسبيكة 718مرحلة التثبيت هي دلتا (δ)؛ وفي السبائك ذات الأقراص المعدنية المسحوقة، يكون خام جاما أوليًا خشنًا (′). بمجرد أن تتجاوز درجة حرارة المعالجة الحرارية النقطة التي تذوب فيها المراسي، يمكن أن تنمو الحبوب بسرعة. وهذا هو السبب في أن درجة حرارة المذاب هي الرقم الأكثر أهمية في التحكم في حجم الحبوب.

كيف تتحكم مرحلة دلتا في حجم الحبوب في Inconel 718؟

مرحلة دلتا هي مرحلة غنية بالنيوبيوم تتشكل على حدود الحبوب بين 800 و 1000 درجة تقريبًا. إنها تثبت الحدود أثناء المعالجة ومعالجة المحلول، لذلك تظل السبائك 718 دقيقة الحبيبات طالما ظلت درجة حرارة المحلول أقل من محلول الدلتا، حوالي 1010-1020 درجة.

يستغل المزورون هذا عن قصد. في "معالجة الدلتا"، يتم الاحتفاظ بالمادة لترسيب مرحلة الدلتا قبل وأثناء التشكيل، بحيث تظل الحبوب صغيرة عند تسخين الجزء لاحقًا. تُظهر البيانات المنشورة مدى حساسية حجم الحبوب لدرجة الحرارة ومحتوى الدلتا. في إحدى الدراسات التي أجريت على حبيبات 718 فائقة النعومة، ترك محلول عند درجة حرارة 1800 درجة فهرنهايت (حوالي 980 درجة) لمدة 5 ساعات حوالي 2.6% دلتا وأعطى حجم الحبوب ASTM 9، بينما ترك محلول 1850 درجة فهرنهايت (حوالي 1010 درجة) لمدة ساعة حوالي 4.6% دلتا وأعطى ASTM 10. وفي دراسة قرصية منفصلة كاملة الحجم، أنتج المحلول القياسي عند 954 درجة زيًا موحدًا هيكل ASTM 11-12 في المواد المعالجة بالدلتا.

الجدول 2. تأثير درجة حرارة المحلول ومرحلة الدلتا على حجم حبيبات السبائك 718. المصادر: إجراءات TMS Superalloys (1992، 2001) وأدبيات براءات الاختراع الخاصة بالمعالجة الحرارية للسبائك 718. أرقام ASTM هي أرقام حجم الحبوب ASTM E112؛ أعلى يعني أدق.

الوجبات الجاهزة هي مقايضة. تساعد مرحلة دلتا على الحفاظ على حجم الحبوب، ولكن عند حدود الحبوب يمكن أن تؤثر أيضًا على الليونة وسلوك التآكل الناتج عن الإجهاد، لذلك تقوم بعض التطبيقات بإذابتها عمدًا. تشير براءة اختراع منشورة حول مقاومة التآكل الناتج عن الإجهاد إلى أن التلدين فوق مذيب الدلتا يزيل الدلتا الحدودية ولكن الحبوب الخشنة من ASTM 8 إلى ASTM 3. ولهذا السبب يتم اختيار درجة حرارة المحلول للتطبيق، وليس نسخها من جدول عام.

ما هو الفرق بين المعالجة الحرارية Subsolvus وSupersolvus؟

تتم المعالجة بمحلول Subsolvus أسفل محلول جاما الرئيسي، ويترك جزيئات أولية خشنة تثبت الحبوب، وتعطي حبيبات دقيقة. تتم معالجة المذيب الفائق فوق المذيب، ويذيب تلك الجزيئات، ويجعل الحبوب تخشن. الأول يفضل القوة والتعب. والثاني يفضل مقاومة نمو الزحف والتشقق.

ينطبق هذا الاختيار بشكل أساسي على السبائك ذات الأقراص المعدنية المساحيق عالية السبائك والمعززة بأشعة غاما مثل René 88DT، والتي تم الإبلاغ عن محلول جاما الرئيسي الخاص بها عند حوالي 1110-1116 درجة (2030-2040 درجة فهرنهايت). تشير الأعمال المنشورة حول هذه السبائك إلى أن معالجات المذيب الفائق تحتفظ بحوالي 10-20% من الجزيئات الأولية الخشنة التي تحد من نمو الحبوب، في حين تفقد معالجات المذيب الفائق هذا القيد وتسمح للحبوب بالنمو.

الجدول 3. معالجة محلول Subsolvus مقابل محلول supersolvus لسبائك القرص المعززة بأشعة غاما. المصادر: إجراءات TMS Superalloys، ودراسات قرص NASA، وأدبيات براءات الاختراع لشركة GE.

كانت معالجة Supersolvus أمرًا أساسيًا في تطوير René 88DT، حيث كان من المتوقع أن يفيد حجم الحبوب الخشنة التي تم تطويرها بواسطة معالجة محلول supersolvus في الزحف، وكان البرنامج يهدف إلى تقليل كبير في معدل نمو شقوق التعب مقارنة مع René 95. يمكن أن تنتج معالجة Supersolvus لهذه الفئة من السبائك أحجام حبيبات خشنة تقترب من ASTM 6 لتحسين المقاومة لنمو صدع التعب المسكن.

ما هي المعالجة الحرارية القياسية لمطروقات Inconel 718؟

يصلب المحلول عند حوالي 925-1010 درجة يليه تبريد سريع، ثم عمر من خطوتين: 718 درجة لمدة 8 ساعات، يبرد الفرن إلى حوالي 620 درجة، ويحتفظ بفترة شيخوخة إجمالية تبلغ 18 ساعة، ثم يبرد بالهواء. إن إبقاء خطوة المحلول أسفل محلول الدلتا يحافظ على الحبوب الدقيقة.

الجدول 4. دورة الحل والعمر النموذجية للسبائك 718. المصادر: أوراق بيانات الموردين التي تشير إلى ممارسة AMS 5662/5663. اتبع دائمًا المواصفات الحاكمة وأمر الشراء.

لا تغير خطوات التعتيق حجم الحبوب كثيرًا، لأن 718 درجة و620 درجة أقل بكثير من درجات حرارة المحلول. ما يفعلونه هو تعجيل مراحل التعزيز ( ″ و ′). وبالتالي يتم تحديد حجم الحبوب عن طريق طريق الحدادة وخطوة الحل؛ الشيخوخة ثم تحدد القوة.

ما هي المعالجة الحرارية ذات البنية المجهرية المزدوجة، ولماذا يتم استخدامها للأقراص؟

تمنح المعالجة الحرارية ذات البنية المجهرية المزدوجة القرص تجويفًا ناعمًا وعالي القوة وحافة خشنة مقاومة للزحف عن طريق تسخين المنطقتين إلى درجات حرارة مختلفة بالنسبة للمذيب. ويهدف إلى إزالة التسوية ذات الحجم الواحد الذي يناسب الجميع.

تعطي المعالجة الحرارية الموحدة حجمًا موحدًا للحبيبات في جميع أنحاء القرص، سواء كانت ناعمة أو خشنة، مما يؤدي إلى حل وسط. في المعالجة المزدوجة، يتم إحضار الحافة فوق محلول جاما الرئيسي لجعله خشنًا، بينما يتم الاحتفاظ بالتجويف أسفل المذيب. بحثت الأبحاث التي أجريت على سبيكة القرص المتقدمة LSHR في خيارات subsolvus وsupersolvus والعديد من خيارات البنية المزدوجة، المصممة لتوفير تجويف عالي القوة وحبيبات دقيقة وحافة خشنة مقاومة للزحف.

هذه الطريقة لها تحديها الخاص: المنطقة الانتقالية بين المناطق الناعمة والخشنة. قام باحثو ناسا بدراسة أوضاع فشل الكلال في المنطقة الانتقالية ذات الحجم الحبيبي لقرص ذو بنية مجهرية مزدوجة، وتشير براءات اختراع المعالجة الحرارية إلى خطر إضافي للعملية، وهو أن درجة حرارة التجويف أقل بكثير من المذيب يمكن أن تزيد من عمر جاما الأولي وتلغي الفائدة. تتطلب المعالجة ذات البنية المجهرية المزدوجة تحكمًا حراريًا دقيقًا واختبارًا شاملاً.

ما هي العيوب التي يمكن أن يسببها ضعف التحكم في حجم الحبوب؟

تتمثل العيوب الرئيسية في الحبوب الخشنة غير الطبيعية (نمو الحبوب الحرج)، وهياكل الحبوب المختلطة أو ذات النطاقات، والحبوب المتضخمة بسبب درجة حرارة المحلول المفرطة، والإجهاد المتبقي أو التشققات الاروائية، وكلها يمكن أن تقلل من عمر الكلال أو تجعل النتائج غير متوقعة.

الجدول 5. العيوب الشائعة المتعلقة بحجم الحبوب في مطروقات السبائك الفائقة وكيفية الوقاية منها.

كيف يجب على المشترين تحديد حجم الحبوب والتحقق منه؟

حدد السبيكة والمواصفات الحاكمة، ونطاق حجم الحبوب المطلوب ASTM E112 (وأي حد أقصى مسموح به من الحبوب الخشنة)، ومواقع الاختبار، ومسار المعالجة الحرارية، ثم اطلب الشهادات وعلم المعادن التي تثبت ذلك.

يتم تحديد حجم الحبوب على مقياس ASTM E112، حيث الرقم الأكبر يعني حبة أدق. يعطي الجدول أدناه متوسطًا تقريبيًا لأقطار الحبوب للأعداد الشائعة في المطروقات المصنوعة من السبائك الفائقة.

الجدول 6. تحويلات حجم الحبوب التقريبية ASTM E112.

الجدول 7. قائمة مراجعة المشتري للمطروقات من السبائك الفائقة ذات الحجم الحرج للحبوب.

الأسئلة المتداولة

يؤدي تشكيل التشوه إلى إنشاء الحبيبات، وجزيئات التثبيت (مرحلة دلتا في السبائك 718، أولية جاما الخشنة في سبائك القرص) تعيقها، وتقرر درجة حرارة المحلول بالنسبة للمذيب ما إذا كانت تلك الجسيمات ستبقى أو تذوب.

ما هو حل دلتا الانكونيل 718؟

حوالي 1010-1020 درجة. تتراوح القيم المنشورة قليلاً لأن المحلول يعتمد على الوقت والتشكل ومحتوى النيوبيوم المحلي؛ تشير إحدى الدراسات إلى قيمة توازن محسوبة بالقرب من 1033 درجة وقيمة واضحة بالقرب من 1020 درجة.

ما هو subsolvus مقابل المعالجة الحرارية supersolvus؟

Subsolvus هو محلول معالجة تحت محلول جاما الرئيسي ويعطي حبيبات دقيقة وخصائص شد وتعب أفضل. Supersolvus أعلى من Solvus ويعطي حبيبات خشنة ومقاومة أفضل لنمو الزحف والتشقق.

لماذا لا تجعل كل حبة خشنة لمقاومة الزحف؟

تعمل الحبوب الخشنة على تقليل قوة الشد والتعب ذات الدورة المنخفضة، وهو ما يهم عند تجويف القرص الأكثر برودة والضغط العالي. ولهذا السبب توجد علاجات ذات بنية مجهرية مزدوجة.

ما هي المعالجة الحرارية القياسية لـ Inconel 718؟

يصلب المحلول عند درجة حرارة 925-1010 درجة تقريبًا مع التبريد السريع، ثم ينضج عند 718 درجة لمدة 8 ساعات، ويبرد الفرن إلى حوالي 620 درجة، ويحتفظ به لمدة 18 ساعة إجمالاً، ويبرد بالهواء.

ما هو نمو الحبوب الحرجة؟

حبيبات خشنة بشكل غير طبيعي تتشكل في مناطق الإجهاد الحرج بعد المعالجة الحرارية الفائقة لسبائك مسحوق المعادن مثل René 88DT. إنها مخاطر معروفة للتزوير والمعالجة الحرارية والتي تم تصميم ضوابط المعالجة لمنعها.