니켈 기반 초합금 단조품: 중요한 회전 부품의 입자 크기 제어를 위한 열처리

터빈 디스크, 압축기 디스크, 샤프트 및 로터 단조품은 수천 시간 동안 고속 및 고온에서 회전합니다. 실패는 누출이 아닙니다. 그것은 재앙적인 사건이다. 이러한 부품의 경우 금속 입자의 크기는 외관상의 세부 사항이 아닙니다. 부품이 피로 균열, 크리프 및 느린 균열 성장에 어떻게 저항하는지 결정합니다. 이 가이드에서는 니켈 기반 초합금 단조품에서 열처리가 결정립 크기를 설정하는 방법, 주요 경로를 비교하는 방법, 구매자가 지정하고 검증해야 하는 사항을 설명합니다.

초합금 단조품의 결정립 크기는 두 가지 요인, 즉 결정립을 생성하는 열간 가공 이력과 강화 또는 고정 입자가 용해되는 온도에 대한 상대적인 열처리 온도에 의해 설정됩니다. 해당 온도 이하로 용액을 처리하면 입자가 미세하게 유지됩니다(인장 강도 및 피로 강도가 향상됨). 그 이상의 용액을 사용하면 입자가 거칠어지게 됩니다(더 나은 크리프 및 드웰 균열 성장 저항성). 이중 미세 구조 처리는 디스크의 각 부분에 필요한 입자 크기를 제공하려고 합니다.

중요한 회전 부품에서 입자 크기가 중요한 이유는 무엇입니까?

미세한 입자와 거친 입자가 다양한 실패 모드로부터 보호하기 때문입니다. 미세한 입자는 더 높은 인장 강도와 더 나은 저주기 피로 저항을 제공합니다. 거친 입자는 고온에서 더 나은 크리프 및 드웰 균열 성장 저항성을 제공합니다. 회전 부품의 모든 부분에서 단일 입자 크기가 가장 좋은 것은 없습니다.

곡물은 작은 결정입니다. 입자 사이의 경계는 고온에서 약한 지점으로, 금속이 이를 따라 천천히 변형(크리프)할 수 있습니다. 더 낮은 온도에서는 그 반대가 됩니다. 경계는 균열을 차단하므로 경계(입자가 더 미세함)가 많을수록 금속이 더 강하고 피로에 강하다는 것을 의미합니다. 디스크에는 두 가지 조건이 동시에 있습니다. 보어(중앙)는 더 차갑고 높은 응력 주기를 전달합니다. 림은 더 뜨거워지고 지속적인 부하를 받게 됩니다.

표 1. 출판된 가스 터빈 디스크 열처리 문헌에 설명된 디스크 합금의 입자 크기 상충관계.

니켈 기반 초합금 단조품의 결정립 크기를 제어하는 ​​것은 무엇입니까?

세 가지 레버가 이를 제어합니다. 단조 중에 금속이 변형되는 정도와 뜨거운 정도, 결정립 경계를 고정하는 입자, 그리고 솔버스에 상대적인 최종 용체화 처리 온도(해당 입자가 용해되는 온도)입니다.

단조하는 동안 변형은 재결정에 의해 새롭고 작은 입자를 생성합니다. 나중에 가열하는 동안 큰 입자는 경계 면적이 작아서 에너지가 낮기 때문에 이러한 입자가 성장하는 경향이 있습니다. 입자 경계에 있는 단단한 입자는 닻처럼 작용하여 이러한 성장을 멈춥니다. ~ 안에합금 718고정 단계는 델타(δ)입니다. 분말 금속 디스크 합금에서는 거친 1차 감마 소수(')입니다. 열처리 온도가 앵커가 용해되는 지점을 지나면 입자가 빠르게 성장할 수 있습니다. 이것이 솔버스 온도가 입자 크기 제어에서 가장 중요한 숫자인 이유입니다.

델타 위상은 ​​인코넬 718의 입자 크기를 어떻게 제어합니까?

델타 상은 대략 800도에서 1000도 사이의 입자 경계에 형성되는 니오븀이 풍부한 상입니다. 단조 및 용액 처리 중에 경계를 고정하므로 합금 718은 용액 온도가 약 1010-1020도인 델타 솔버스 아래로 유지되는 한 미세한 입자를 유지합니다.

위조자는 이를 고의로 악용합니다. "델타 처리"에서는 단조 전과 단조 중에 재료가 델타 상을 석출하도록 유지되므로 나중에 부품을 가열할 때 입자가 작게 유지됩니다. 게시된 데이터는 입자 크기가 온도 및 델타 함량에 얼마나 민감한지를 보여줍니다. 초미립자 718 빌렛에 대한 한 연구에서 5시간 동안 1800°F(약 980°)의 용액은 약 2.6% 델타를 남기고 ASTM 9 입자 크기를 제공한 반면, 1시간 동안 1850°F(약 1010°)에서는 약 4.6%의 델타를 남겨두고 ASTM 10을 제공했습니다. 별도의 전체 규모 디스크 연구에서 954°의 표준 용액은 균일한 ASTM을 생성했습니다. 델타 가공 재료의 11-12 구조.

표 2. 합금 718 입자 크기에 대한 용액 온도 및 델타 상의 영향 출처: TMS 초합금 절차(1992, 2001) 및 합금 718 열처리에 관한 특허 문헌. ASTM 번호는 ASTM E112 입자 크기 번호입니다. 높을수록 미세함을 의미합니다.

테이크아웃은 절충안입니다. 델타 상은 입자 크기를 유지하는 데 도움이 되지만 입자 경계에서는 연성 및 응력 부식 거동에도 영향을 미칠 수 있으므로 일부 응용에서는 의도적으로 이를 용해시킵니다. 응력 부식 저항성에 관해 공개된 특허에서는 델타 솔버스 위의 어닐링이 경계 델타를 제거했지만 ASTM 8에서 ASTM 3까지의 결정립을 조대화했다고 보고합니다. 이것이 일반적인 표에서 복사되지 않고 해당 응용 분야에 대해 용액 온도가 선택되는 이유입니다.

Subsolvus와 Supersolvus 열처리의 차이점은 무엇입니까?

서브솔버스 용액 처리는 감마 프라임 솔버스 아래에서 수행되며, 입자를 고정하는 거친 1차 ' 입자를 남기고 미세한 입자를 제공합니다. Supersolvus 처리는 solvus 위에서 수행되며 해당 입자를 용해하고 입자를 거칠게 만듭니다. 첫 번째는 힘과 피로를 선호합니다. 두 번째는 크리프 및 균열 성장 저항을 선호합니다.

이 선택은 주로 감마 프라임 솔버스가 약 1110~1116도(2030~2040도 F)로 보고된 René 88DT와 같은 고합금 감마 프라임 강화 분말 금속 디스크 합금에 적용됩니다. 이러한 합금에 대해 발표된 연구에서는 하위용해 처리가 결정립 성장을 제한하는 거친 1차 입자를 대략 10~20% 유지하는 반면, 초용해처리는 이러한 제약을 잃고 결정립이 성장하도록 허용한다고 지적합니다.

표 3. 감마 프라임 강화 디스크 합금에 대한 서브솔버스 대 슈퍼솔버스 용액 처리. 출처: TMS 초합금 절차, NASA 디스크 연구, GE 특허 문헌.

Supersolvus 처리는 René 88DT 개발의 중심이었습니다. Supersolvus 용액 처리로 개발된 더 거친 입자 크기는 크리프에 도움이 될 것으로 예상되었으며 이 프로그램은 René 95에 비해 피로 균열 성장 속도를 크게 줄이는 것을 목표로 했습니다. 이 합금 종류의 Supersolvus 처리는 체류 피로 균열 성장에 대한 저항력을 향상시키기 위해 ASTM 6에 근접한 거친 입자 크기를 생성할 수 있습니다.

Inconel 718 단조품의 표준 열처리는 무엇입니까?

약 925~1010도에서 용체 어닐링한 후 급속 냉각한 다음 2단계 시효를 거칩니다. 718도에서 8시간, 용광로에서 약 620도까지 냉각하고 총 노화 시간 18시간을 유지한 다음 공기 냉각합니다. 솔루션 단계를 델타 솔버스 아래로 유지하면 미세한 입자가 보존됩니다.

표 4. 일반적인 Alloy 718 용해 및 재효주기. 출처: AMS 5662/5663 관행을 참조하는 공급업체 데이터 시트. 항상 관련 사양과 구매 주문을 따르십시오.

718도와 620도는 용액 온도보다 훨씬 낮기 때문에 노화 단계에서는 입자 크기가 크게 변하지 않습니다. 그들이 하는 일은 강화 단계(″및 ′)를 촉진하는 것입니다. 따라서 결정립 크기는 단조 경로와 용액 단계에 의해 고정됩니다. 노화는 힘을 설정합니다.

이중 미세조직 열처리란 무엇이며, 디스크에 사용되는 이유는 무엇입니까?

이중 미세 구조 열처리는 솔버스에 비해 두 영역을 서로 다른 온도로 가열하여 디스크에 미세한 입자의 고강도 보어와 거친 입자의 크리프 방지 림을 제공합니다. 모든 경우에 적용되는 타협을 제거하는 것을 목표로 합니다.

균일한 열처리는 디스크 전체에 미세하거나 거친 균일한 입자 크기를 제공하므로 절충이 필요합니다. 이중 처리에서는 가장자리를 감마 프라임 솔버스 위로 가져가서 거칠게 만들고 보어는 솔버스 아래에 유지합니다. 고급 디스크 합금 LSHR에 대한 연구에서는 미세한 입자의 고강도 보어와 거친 입자의 크리프 방지 림을 제공하도록 설계된 서브솔버스 및 슈퍼솔버스 옵션과 여러 이중 구조 옵션을 조사했습니다.

이 방법에는 미세한 영역과 거친 영역 사이의 전이 영역이라는 고유한 과제가 있습니다. NASA 연구자들은 이중 미세구조 디스크의 입자 크기 전이 영역에서 피로 파괴 모드를 연구했으며, 열처리 특허에서는 추가 공정 위험을 지적했습니다. 즉, 보어 온도가 솔버스보다 너무 낮으면 감마 프라임이 과도하게 노화되어 이점이 상쇄될 수 있다는 것입니다. 이중 미세 구조 처리에는 정밀한 열 제어와 철저한 테스트가 필요합니다.

잘못된 입자 크기 제어로 인해 어떤 결함이 발생할 수 있습니까?

주요 결함은 비정상적인 조대한 결정립(임계 결정립 성장), 혼합 또는 줄무늬 결정립 구조, 과도한 용액 온도로 인해 자란 결정립, 잔류 응력 또는 담금질 균열 등으로, 모두 피로 수명을 단축하거나 결과를 예측할 수 없게 만들 수 있습니다.

표 5. 초합금 단조품의 일반적인 입자 크기 관련 결함과 이를 방지하는 방법

구매자는 입자 크기를 어떻게 지정하고 확인해야 합니까?

합금 및 관리 사양, 필수 ASTM E112 입자 크기 범위(및 최대 허용 굵은 입자), 테스트 위치 및 열처리 경로를 지정한 다음 이를 증명하는 인증서 및 금속 조직학이 필요합니다.

입자 크기는 ASTM E112 척도에 따라 보고되며 숫자가 클수록 입자가 미세하다는 의미입니다. 아래 표는 초합금 ​​단조품에서 흔히 볼 수 있는 숫자에 대한 대략적인 평균 입자 직경을 나타냅니다.

표 6. 대략적인 ASTM E112 입자 크기 변환.

표 7. 입자 크기가 중요한 초합금 단조품에 대한 구매자 체크리스트.

자주 묻는 질문

단조 변형은 입자를 생성하고 고정 입자(합금 718의 델타 상, 디스크 합금의 거친 1차 감마 프라임)를 억제하며 솔버스에 상대적인 용액 온도에 따라 해당 입자가 유지되는지 또는 용해되는지가 결정됩니다.

인코넬 718의 델타 솔버스는 무엇입니까?

약 1010~1020도. 풀이는 시간, 형태 및 국소 니오브 함량에 따라 달라지기 때문에 게시된 값의 범위는 약간 다릅니다. 한 연구에서는 1033도 근처의 계산된 평형 값과 1020도 근처의 겉보기 값을 보고합니다.

Subsolvus와 Supersolvus 열처리란 무엇입니까?

Subsolvus는 감마 프라임 솔버스 아래의 용액 처리이며 미세한 입자와 더 나은 인장 및 피로 특성을 제공합니다. Supersolvus는 Solbus 위에 있으며 거친 입자와 더 나은 크리프 및 균열 성장 저항성을 제공합니다.

크리프 저항을 위해 모든 입자를 거칠게 만드는 것은 어떨까요?

거친 입자는 인장 강도와 저주기 피로 강도를 낮추는데, 이는 더 차갑고 응력이 높은 디스크 보어에서 중요합니다. 이것이 바로 이중 미세구조 처리가 존재하는 이유입니다.

Inconel 718의 표준 열처리는 무엇입니까?

급속 냉각으로 약 925~1010도에서 용체 어닐링한 다음 718도에서 8시간 동안 숙성하고 노를 약 620도까지 냉각한 후 총 18시간 동안 유지하고 공기 냉각합니다.

중요한 곡물 성장이란 무엇입니까?

René 88DT와 같은 분말 금속 합금의 초해석 열처리 후 임계 변형 영역에 형성되는 비정상적으로 거친 입자입니다. 가공 제어를 통해 방지하도록 설계된 것은 알려진 단조 및 열처리 위험입니다.