Scoprire il mistero della forgiatura delle superleghe: creare il materiale da supereroe dell'industria
La superlega, nota anche come lega resistente al calore o superlega, è un materiale metallico essenziale per i moderni motori aeronautici, motori a razzo, turbine a gas e apparecchiature chimiche. Può resistere a sollecitazioni complesse in condizioni di ossidazione e corrosione da gas di 600 ~ 1100 gradi e può funzionare in modo affidabile per lungo tempo.
Attualmente, tra le superleghe da deformazione, le più utilizzate sono le superleghe a base di ferro e le superleghe a base di nichel. Le leghe a base di ferro vengono utilizzate maggiormente come dischi di turbine, dischi di compressori, camere di combustione di anelli di cuscinetti e pale, e le loro caratteristiche di composizione sono principalmente ferro, contenente una grande quantità di nichel, cromo e altri elementi. In base alle sue caratteristiche di rinforzo, può essere suddiviso in tipo indurente per invecchiamento debole, tipo indurente per invecchiamento in soluzione solida, tipo indurente per invecchiamento in carburo e tipo indurente per invecchiamento composto intermetallico.
Le leghe a base di nichel sono maggiormente utilizzate nella produzione di pale di turbine, camere di combustione, dischi di turbine, dischi di compressori e pale di compressori, la cui composizione è caratterizzata da base di nichel, contenente ω (Cr) dal 10% al 20%, formando leghe a base di nichel matrice austenite. Inoltre, alcune leghe contengono anche dal 10% al 20% di ω (Co), formando una matrice austenite di nichel-cromo-cobalto. In base al tipo di rafforzamento, può essere suddiviso in tipo di rafforzamento con soluzione solida e tipo di rafforzamento con invecchiamento.
Le proprietà della superlega dipendono principalmente dalla composizione e dalla microstruttura della lega. Nella microstruttura sono particolarmente importanti il tipo, la struttura, la forma, la dimensione, la quantità e la distribuzione della fase precipitata. I precipitati comuni nelle leghe a base di ferro e nichel sono composti intermetallici, carburi e boruri. Tutti questi composti possono essere regolati e controllati mediante trattamento termico e la loro morfologia e distribuzione possono anche essere modificate mediante deformazione.
Il trattamento termico delle superleghe deformate consiste generalmente in un trattamento in soluzione solida, un trattamento intermedio (noto anche come trattamento in soluzione solida secondaria) e un trattamento di invecchiamento. Lo scopo del trattamento della soluzione è ottenere una soluzione solida sovrasatura uniforme e controllare la dimensione dei grani appropriata. Lo scopo del trattamento termico intermedio è quello di modificare lo stato del carburo e ottenere due diverse fasi con dimensioni diverse. Lo scopo del trattamento di invecchiamento è quello di far precipitare la fase rinforzata in modo completo e uniforme, per ottenere l'effetto di indurimento delle precipitazioni, la selezione di temperatura, tempo e frequenza, per ottenere il numero di fasi rinforzate, forma e distribuzione appropriate come criterio. Il nucleo del processo di deformazione a caldo delle superleghe deformate è la plasticità del processo e la deformazione critica dei cristalli grossolani.
1.Caratteristiche di deformazione delle superleghe
1) Bassa plasticità, superlega dovuta all'elevato grado di lega, ha una struttura eterogenea e una composizione di fase complessa, pertanto la plasticità del processo è bassa. Soprattutto alle alte temperature, quando sono contenuti elementi impuri come S, Pb, Sn, la forza legante tra i grani è spesso indebolita e la plasticità ridotta. Le superleghe generalmente utilizzano il contenuto totale degli elementi rinforzanti alluminio e titanio per determinare il livello di plasticità, quando il contenuto totale è maggiore o uguale al 6%, la plasticità sarà molto bassa. La duttilità del processo della superlega a base di nichel è inferiore a quella della superlega a base di ferro. La plasticità del processo delle superleghe è molto sensibile alla velocità di deformazione e allo stato di stress. Alcuni lingotti di leghe e billette intermedie devono essere formati mediante deformazione e ricalcatura a bassa velocità, laminazione e persino estrusione.
2) Grande resistenza alla deformazione, dovuta alla composizione complessa della superlega, alta temperatura di ricristallizzazione, bassa velocità, ha un'elevata resistenza alla deformazione e tendenza all'indurimento alla temperatura di deformazione, la resistenza alla deformazione è generalmente da 4 a 7 volte quella dell'acciaio strutturale ordinario.
3) L'intervallo di temperature di forgiatura è ristretto, il punto di fusione della superlega è basso rispetto all'acciaio e la temperatura di riscaldamento è troppo elevata per causare surriscaldamento e combustione eccessiva. Se la temperatura di arresto della forgiatura è troppo bassa, la plasticità è bassa, la resistenza alla deformazione è elevata e la deformazione mista fredda e calda può facilmente far sì che la forgiatura produca cristalli grossolani irregolari. Pertanto, l'intervallo di temperature di forgiatura delle superleghe è molto ristretto, generalmente solo circa 200 gradi C. L'intervallo di temperature di forgiatura delle leghe resistenti al calore a base di nichel è più ristretto, la maggior parte di esse è compresa tra 100 e 150 gradi C e alcune sono addirittura inferiori a 100 gradi C.
4) La conduttività termica è scarsa e la conduttività termica della superlega a bassa temperatura è molto inferiore a quella dell'acciaio al carbonio, quindi è generalmente necessario rallentare il preriscaldamento nell'intervallo 700 ~ 800 gradi C, altrimenti causerà temperature elevate stress, in modo che il metallo riscaldante sia in uno stato fragile.
2. Plasticità del processo della superlega
1) A causa dell'aggiunta di un gran numero di elementi leganti, la resistenza al calore della superlega è migliorata, ma la plasticità del processo è notevolmente ridotta. L'elevata legatura provoca una grave segregazione e cristalli colonnari grossolani. Nell'anello debole del confine del grano del dendrite primario, è facile che si verifichino crepe lungo il confine del grano. A causa della segregazione dei dendriti, il contenuto di elementi di lega nella prima parte cristallizzata è basso e il contenuto di elementi di lega nella parte del bordo dendrite è elevato, quindi i carburi e i composti intermetallici sono concentrati nella parte del bordo dendritico, il che riduce la malleabilità della lega.
2) L'alto legame rende la plasticità della barra di superlega molto inferiore a quella dell'acciaio legato ordinario. Poiché un gran numero di elementi di lega sono arricchiti nella regione del bordo del grano, la resistenza al bordo del grano è inferiore alla resistenza all'interno del grano ad alta temperatura e molte delle particelle della fase rinforzata non sono tutte disciolte nella soluzione solida entro la temperatura di deformazione gamma, come carburo e boruro, ecc., in modo che oltre a , ci sono anche fasi rinforzate coinvolte nella deformazione, cioè la deformazione non viene eseguita in uno stato monofase. Pertanto, anche la plasticità del processo dell'asta di laminazione in superlega è relativamente bassa. Pertanto, nella formulazione delle procedure del processo di forgiatura di superleghe, è necessario misurare prima la plasticità del processo della lega.
3.Determinazione della temperatura di deformazione della superlega
1) Il principio di determinazione della temperatura di deformazione della superlega, a causa della complessità del grado di lega della superlega, la temperatura di fusione iniziale della lega diminuisce e la temperatura di dissoluzione della ricristallizzazione e della fase di rinforzo aumenta, con conseguente riduzione della temperatura di deformazione e più stretto. Pertanto, nel determinare la temperatura di deformazione, oltre a garantire la plasticità del processo e soddisfare la formatura, deve anche soddisfare l'esigenza di ottenere una buona organizzazione e proprietà. Per mantenere la rete di dislocazioni cellulari nella microstruttura dei pezzi fucinati in superleghe e ottenere grani fini e uniformi e buone proprietà, la temperatura di deformazione della forgiatura dovrebbe essere inferiore alla temperatura di crescita del grano e la temperatura finale di forgiatura dovrebbe essere vicina a (leggermente superiore) la temperatura di dissoluzione delle particelle della seconda fase nella soluzione solida e la temperatura di ricristallizzazione.
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2) Le specifiche di riscaldamento della superlega, il riscaldamento della superlega è suddiviso in due fasi di preriscaldamento e riscaldamento. Per ridurre il tempo di mantenimento della superlega alla temperatura di riscaldamento della forgiatura, evitare un eccessivo ingrossamento del grano e un impoverimento degli elementi leganti; Allo stesso tempo, al fine di ridurre lo stress termico causato dalla scarsa conduttività termica e dall'elevato coefficiente di dilatazione termica della superlega, il pezzo grezzo dovrebbe essere preriscaldato prima della forgiatura. La temperatura di preriscaldamento è 750 ~ 800 gradi e il tempo di mantenimento è calcolato come 0,6 ~ 0,8 min/mm. La temperatura di riscaldamento è generalmente di 1100 ~ 1180 gradi C e il tempo di mantenimento è di 0,4 ~ 0,8 min/mm. L'apparecchiatura di riscaldamento può utilizzare un forno a resistenza, dotato di un termometro e di un dispositivo di controllo della temperatura con regolazione automatica per un controllo accurato. Quando viene selezionato il forno a fiamma, il contenuto di zolfo nel carburante deve essere rigorosamente controllato: il contenuto di zolfo nel diesel o nell'olio pesante deve essere inferiore allo 0,5%; Il contenuto di zolfo del gas deve essere inferiore a 0,7 g/m3. L'eccessivo contenuto di zolfo nel carburante formerà un eutettico Ni-Ni3S3 con basso punto di fusione (≈650 gradi) quando penetra nella superficie della billetta, rendendo la lega fragile a caldo. È necessario adottare misure di riscaldamento minori o nulle per evitare l'esaurimento di cromo, alluminio, titanio e altri elementi sulla superficie del pezzo grezzo e ridurre la resistenza alla fatica e la resistenza alle alte temperature della lega. Il riscaldamento a induzione locale può essere utilizzato nella preforgiatura del pezzo grezzo. Prima del riscaldamento, il pezzo grezzo deve essere pulito per rimuovere lo sporco ed evitare difetti superficiali dovuti alla corrosione. Quando si forgia con più fuochi, la temperatura di riscaldamento della forgiatura dovrebbe essere ridotta con l'estensione dell'intervallo di tempo tra i due fuochi per evitare la crescita del grano che si è verificata nella ricristallizzazione statica, allo stesso tempo, anche la temperatura di riscaldamento dovrebbe essere inferiore con la più vicina al prodotto finito di forgiatura, minore è la deformazione.
4.Determinazione del grado di deformazione della superlega
1) Il principio di determinazione del grado di deformazione delle superleghe
A causa dell'elevato grado di lega, l'intervallo di temperatura di deformazione della superlega è ristretto e non vi è molto margine di regolazione. Inoltre, la superlega non presenta alcuna transizione di isomerizzazione e la dimensione del grano della lega è controllata principalmente dalla deformazione della forgiatura. Pertanto, dopo aver determinato la temperatura di deformazione, la scelta del grado di deformazione è molto importante. Ad una certa temperatura di forgiatura, la deformazione di ciascun ordine di riscaldamento dovrebbe essere maggiore del grado di deformazione critica e minore del corrispondente grado di deformazione della seconda regione di crescita del grano. Con la premessa di soddisfare i requisiti di plasticità del processo e disposizione del processo (pre-forgiatura), ogni deformazione dovrebbe essere profonda e uniforme e cercare di evitare deformazioni irregolari, altrimenti produrrà cristalli grossolani fasciati e cristalli grossolani locali. I cristalli grossolani delle superleghe hanno una certa testardaggine genetica ed è difficile cambiare i cristalli grossolani prodotti da una singola deformazione non uniforme quando il grado di deformazione non è sufficientemente grande nella deformazione immediata. Per ottenere microstruttura e proprietà soddisfacenti, temperatura di riscaldamento più bassa, grado di deformazione maggiore, fase di precipitazione dovrebbe essere utilizzata per controllare la microstruttura, migliorare la dimensione del grano e lo stato al contorno del grano durante la deformazione finale della forgiatura.
Oltre alla dimensione dei grani, anche lo stato al contorno dei grani è un importante fattore microstrutturale. Dal punto di vista del rafforzamento e dell'irrigidimento del bordo grano, il controllo dell'organizzazione del bordo grano ha le seguenti leggi:
(1) La mancanza di fase di precipitazione al confine del grano può facilmente diventare un canale di fessurazione.
(2) La fase grossolana e il carburo sono distribuiti uniformemente sui bordi del grano, il che rafforzerà e indurirà i bordi del grano della lega.
(3) Sono presenti parti di rilassamento della tensione nella zona impoverita del confine del grano, che possono ridurre la resistenza al taglio ed espandere l'area di concentrazione della deformazione. Pertanto, quando la resistenza al confine del grano è troppo elevata, la zona impoverita svolge un ruolo benefico.
(4) La formazione di fasi continue di carburo a film sottile sul bordo del grano rende la lega sensibile all'intaglio.
(5) La formazione di carburi cellulari sui bordi dei grani ha un effetto negativo sulla resistenza e sulla tenacità dei bordi dei grani della lega.
Pertanto, oltre a un ragionevole sistema di trattamento termico, nel processo di forgiatura, attraverso una ragionevole distribuzione della deformazione, in particolare per aumentare il grado di deformazione finale della forgiatura dell'ultimo fuoco, per migliorare lo stato al contorno del grano, la corrispondenza della resistenza del grano e del grano , per ottenere buone proprietà organizzative, è senza dubbio molto importante.
2)Generalmente le superleghe deformate sono più sensibili alla deformazione critica, e il grado di deformazione critica di solito varia entro un ampio intervallo ({{0}},5% ~ 20%), il valore specifico varia con la lega e il grado di deformazione critica del la stessa lega è diversa a diverse temperature di riscaldamento. Ad esempio, il grado di deformazione critica totale della lega GH4049 è 0,1% ~ 7%. Il grado di deformazione critica totale della lega GH4220 è dello 0,6%-4,7% a 1150 gradi e dello 0,1%-3% a 1180 gradi, ma il grado di deformazione critica a diverse temperature di forgiatura, il grado di deformazione a il grano massimo e il diametro massimo di deformazione critica non sono gli stessi. Il diametro del cristallo grossolano con deformazione critica è di diversi ordini di grandezza maggiore di quello del grano normale, con il più grande pari a 10 mm e il più piccolo pari a 1 mm.
5.Influenza dei parametri del processo di forgiatura sulla microstruttura e sulle proprietà della superlega
La scelta corretta dei parametri del processo di forgiatura e del successivo trattamento termico influisce direttamente sulle proprietà meccaniche dei pezzi fucinati. I risultati dei test di varie leghe sono elencati di seguito come riferimento nella selezione dei parametri di trattamento del riscaldamento.
1) Effetto della temperatura di riscaldamento sulla microstruttura e sulle proprietà della lega GH2036
La temperatura di riscaldamento consentita del disco della turbina in lega GH2036 prima della forgiatura è di 1190 gradi. Se la lega viene riscaldata a 1220 gradi per 2 ore, i campioni di trazione e impatto cambiano da frattura transgranulare a frattura intergranulare, ovvero la lega si surriscalda. Se la lega viene riscaldata per 2 ore a 1250 gradi e 1280 gradi, il bordo del grano della lega produce una fusione iniziale locale, ovvero la lega viene bruciata eccessivamente. La frattura intergranulare si verifica sia nei provini da trazione che da impatto e le proprietà complessive della lega diminuiscono. Influenza del riscaldamento ad alta temperatura sulle proprietà della lega GH2036, le proprietà di impatto, trazione e durata della lega si deteriorano con l'aumento della temperatura di riscaldamento.
2) Effetto della temperatura di deformazione finale sulle proprietà della lega GH4169
Quando il grado di deformazione finale è del 25%, la sensibilità all'intaglio può essere eliminata controllando la temperatura di deformazione finale a 900 ~ 955 gradi, e l'aumento della temperatura di deformazione finale renderà irregolare la grana della lega e ne ridurrà la plasticità, risultando nella sensibilità del notch. 3) Influenza della dimensione del grano sulle prestazioni
3)Effetto della dimensione del grano sulle proprietà
La grana più grossa può aumentare la resistenza alla durabilità e la resistenza allo scorrimento viscoso, mentre la grana più fine può aumentare la resistenza allo snervamento e alla fatica. La dimensione uniforme del grano è vantaggiosa per le proprietà della lega. La durata della frattura dei cristalli grossolani è inferiore a quella dei cristalli fini. L'effetto complessivo della dimensione del grano sulle proprietà della lega GH4169 mostra che il carico di snervamento e la resistenza alla fatica della lega GH4169 sono ovviamente migliorati dall'affinamento del grano, ma la resistenza alla fatica a temperature superiori a 600 gradi diminuisce. L'influenza sulla resistenza permanente della lega dipende dalla forma della frattura (frattura transgranulare o intergranulare), cioè dalla temperatura della lega.
4) Influenza dei parametri del processo termico sulla ricristallizzazione dinamica
Quando il grado di deformazione è maggiore del 30%, quando la lega GH4169 viene forgiata sul martello o sulla pressa idraulica, la temperatura iniziale della ricristallizzazione dinamica è all'incirca compresa tra 930 ~ 960 gradi e durante la forgiatura isotermica è all'incirca 930 ~ 940 gradi.
La ricristallizzazione dinamica della lega GH4169 è facilitata aumentando la temperatura di forgiatura, aumentando il grado di deformazione, adottando una velocità di deformazione più alta o più bassa e applicando deformazioni multiple.
