Nickel Superalloys ve Quenching

Nickel süperalloys en gelişmiş mühendislik malzemeleri arasında, aşırı sıcaklıklara, koreal ortamlara ve yüksek mekanik yüklere dayanabilmeleri için mühendisler tarafından yapılır.Bu alaşımlar, jet motorlarının arka kemiği, gaz türbinleri, roket motorları ve nükleer reaktörler. dikkat çekici performansları doğuştan değildir; ısı tedavisi ile belirleyici bir rol oynar.

Quenching, yüksek bir sıcaklıktan bir alaşımın hızlı soğutması, sadece sertleştirici bir durumda yüksek sıcaklık aşamalarını ve çözümleyici atomları metastable durumda çözmek için kullanılır.In nikel superalloys, bu süreç, betonu dramatik bir şekilde değiştirebilir ve kusur yoğunluğu için.

Bu makale, sert ve diğer özellikleri arasındaki ticari devrelerin ve endüstriyel ısı tedavisi için pratik etkilerin nasıl etkilendiğinin bir yazarı sunar.Sonunda, okuyucuların istenen maddi özellikleri elde etmek için süreçleri nasıl tertemiz edeceğini kapsamlı bir anlayışa sahip olacaklar.

Nickel Superalloys'ın Metalurical Fundamentals of Nickel Superalloys

Bu alaşımların genellikle merkezi olmayan bir yatak (FCC) kumar ( ⁇ ) matrisi, kumarbazlar ve üstolojik olarak yakın (TCP) uçarak, rektöre ve termal tarihe bağlı olarak, temelsel mikroyapısal fazlardan oluşur.

Önde gelenler birincil güçlendirme mekanizmasıdır. Boyutları, hacim fraksiyonları ve dağıtım doğrudan kontrol gücü ve ürpertici direnişi sağlar. Çözüm ısı tedavisi sırasında, alaşım tüm ⁇ 'nin çözdüğü bir sıcaklığa ısıtılır, homojen bir çözüm yaratır. Daha sonra baskılar geri çekilmez, alaşımlama elemanlarını süper bir doygun bir durumda kilitleyebilir.

Diğer mikroyapısal, lüks yağış veya yetersizlik elementlerinin ayrılması için siteler olabilecek tahıl sınırları içerir. Hızlı soğutma ayrıca, büyük veya karmaşık parçalarda bozulma veya çatlaklara yol açan termal gradyanlar yaratabilir.

Metallerin Rolü

Bir nikel süperalloyun giderilmesi cevabı, kompozisyonuna ağır bağlıdır. Anahtar alaşımlama elemanları şunları içerir:

  • [FONT ve Titanyum [Dönetici:0)[[Dönetici: 1))) – Birincil ⁇ eskileri; daha yüksek içerik, önceden belirlenmiş güçlendirmenin hacmini artırır.
  • [FONT:0)Chromium[[DÜT:1) - oksidasyon ve korozyon direnci sağlar; ayrıca tırbünler oluşturur ve faz stabilitesini etkileyebilir.
  • [FONT:0]Cobalt[DÜT:1] – Solvus ısısını kaldırın ve sabit davranışı etkileyen hata enerjisini etkiler.
  • [FONT=0]Molybdenum, TST ve Rhenium[[Dönetici:0] – Katı-çözüm ⁇ matrisi güçlendiriyor; ayrıca yavaş difüzyon ve yağış kinetiği etkiliyor.
  • [FONT=0)Carbon ve Boron[Dönetici: 1)) - Sudaklar ve boidesler tahıl sınırlarında, tahıl büyümesini engelleyebilir ve dükleri geliştirebilir.

Her elementin farklı bir diffusivity ve çözünürlükte olması, yani çekme oranının istenmeyen faz oluşumunu önlemek için uygun olması gerekir (örneğin, sigma veya mu gibi TCP aşamaları) ve yüksek rerakter içeriği ile kaplamalar, soğutma sırasındaki yağıştan kaçınmak için daha hızlı soğutma gerektirir.

Quenching Süreci: Mechanisms and parameters

Quenching, soğutma oranıyla tanımlanır, ki bu da bulanıklığa bağlı olarak, yarı geometriye ve ilk ısıya transfer edilir.In nikel superalloys, tipik çözüm ısı tedavisi aralığı 980-1200°C (1800-2200°F), bir yandan da alaşıma kadar.

Giderken birincil mekanizmalar şunlardır:

  1. [FONT:0]Düzücü-kontrollü faz dönüşümleri [Dönüşüm:0) Sıcaklıkta hızlı düşüş, atomların denge aşamalarını oluşturmak için yeterince hareket etmesini engeller. Bu, ⁇ matrixte yüksek bir çözünürlük tutar, süper bir doygun sağlam bir çözüm yaratır.
  2. [FONT:0) Eşit olmayan yapıların oluşumu [Dönetici:0) Bazı nikel süper saflarında, özellikle de daha düşük yığın hatası enerji ile, gideren martensitik benzeri dönüşümleri veya yoğun dislokasyon ağları yaratabilir. Ancak, çoğu nikel süperalloys austenitik kalır; birincil etki önceden öngörülemeyen evrim üzerindedir.
  3. [FONT:0) Termal streslerinGenerasyonu.[DÜDÜT:1] Yüzey ve temel arasındaki Diferansiyel soğutma yüzeyde sert ve içte sıkıştırıcı streslere neden olur. Bunlar yararlı olabilir (yüze sıkıştırıcı stres yorgunluk ömrünü artırır) veya zararlı (eğer güçlerini aşsalar da, çatlakları gidermek için yol açarlar).

Quenching Media and Soğutma Fiyatları

Ortamdaki tarife seçimi, soğutma oranını kontrol etmek için en doğrudan yollardan biridir. Common media şunları içerir:

  • [FONT:0)Water[DÜT:1) - En hızlı soğutmayı sağlar (birkaç yüz °C /s'e kadar). En yüksek sert ve en iyi mikroyapıyı üretir, ancak aynı zamanda en büyük bozulma ve çatlaklar riski genellikle daha basit geometriler için kullanılır veya maksimum güç gerekli olduğunda.
  • [FONT:0]Oil[[DÜT:1) - Daha fazla üniformalı ısı transferi ve daha düşük termal şok ile standartlaştırılmış ısı geçişi için standarttır.
  • [FONT=0)Polymer purants[Dönder: 1) Farklı konsantrasyon ve sıcaklık ile Ayarlanabilir soğutma oranları. Sık sık su olabileceği büyük parçalar için kullanılır.
  • [FONT:0)Forced hava veya inert gaz) – Yavaş en soğuk soğutma oranları (1-20 °C/s) Düşük sertliği olan alaşımlar için kullanılır veya en az ikamet eden stres gerekli olduğunda. Gaz gideri, vakumlamalar için yaygındır.
  • [FONT:0]Molten tuz banyoları [DÜT:1] – Yüksek ısı kapasitesi ve üniformalı soğutma; bozulmayı azaltmak için isoterm gider veya söylentiler için kullanılır.

Her orta, karakteristik bir soğutma eğrisi üretir. kritik yön, ⁇ yağışının en hızlı olduğu sıcaklık aralığı aracılığıyla soğutma oranıdır (tipik 800-1000°C). Soğutma çok yavaşsa, coarse ⁇ form verebilir, yaş için potansiyeli azaltırsa, aşırı stres veya çatlaklar meydana gelebilir.

Mikroyapısal Değişiklikler Quenching

nikel süperalloylarının kuyrukları birkaç mikroyapısal modifikasyonu tetikliyor, bunların hepsi hemen görünür değil. Aşağıdaki değişiklikler en önemli:

Boyut ve Refinement

Hızlı soğutma, soğutma sırasında tahıl büyümesi sınırlayabilir, ancak tahıl büyüklüğü öncelikle önceki çözüm tedavisi tarafından belirlenir ve tahıl sınır pinning partikülleri (örneğin, LT, oksitler veya birincil ⁇ ). Quenching, ancak, sonraki yaşlanmada ikincil aşamaların iyi dağıtımını sağlar, çünkü süper doygun matris daha nükleasyon siteleri sağlar.

Bazı dükleri nikel süperalloys, çok hızlı bir gider yeniden kristalleşmeyi bastırabilir ve önceden deformasyon karışırsa bir mikroyapı bırakabilir. Bu, iyi ve koarse tahıllar karışımına neden olabilir, mekanik anisotropy etkileyebilir.

Süpersaturasyon ve Vacancy Concentration

Hızlı soğutmanın en doğrudan etkisi, yaşlanma sırasında normal olarak daha düşük sıcaklıklarda yer almadıkları pozisyonlardaki atomları tuzağa düşürmektir.Bu süpersaturasyon, yaşlanma sırasında sonraki yağışlar için sürüş kuvvetidir. Ek olarak, "daha iyi dağıtım" yavaş soğutma ile elde edilen yüksek bir miktar dağıtımını gider.

Çözüm sıcaklığındaki boşluk 10 kadar yüksek olabilir)-3) Atom kesir, ancak oda sıcaklığında denge, bu vazoların bazılarını korur, ancak orta sıcaklıklarda bile mobil olabilir. Bazı kurtarma maliyetleri yeterince hızlı değilse bile.

Detrimental Fazların Suppression

Karmaşık nikel süperalloyları, yavaş soğutma, sigma ( ⁇ ), mu (μ) ve Laves gibi TCP aşamalarının oluşumuna izin verebilir ve bu aşamalar özellikle modern üçüncü ve dördüncü nesil tek kristaller, böylece henium, ruthenium ve TDK'nin içindeki sıcaklığın düşmesine izin verir.

Dislokasyon Yoğunluğu ve Alt Yapı

Vakum stresleri, özellikle de yakın tahıl sınırları ve koarse-grained bölgelerden uzaklaşarak, yaşlanma sırasında nükleitate yapısını iyileştirmeye yardımcı olabilir. ancak aşırı dislokasyon yoğunluğu yüksek sıcaklıklarda dislokasyon hareketi için kolay yollar sağlayarak zayıflayabilir.

Sertlik Yanıtı ve Etkileyici Faktörler

Sertlik, özellikle ısı tedavisi etkinliğini değerlendirmek için uygun bir malzeme gücüdür. nikel süperalloys'te, sertlik, ⁇ önsözlerinin büyüklüğü ve dağılımı ile ve matrixin sağlam bir şekilde güçlendirilmesiyle ilgilidir. Quenching etkiler birkaç şekilde sertleştirir:

As-Quenched Hardness

Hemen giderdikten sonra, nikel süperalloys sağlam bir güçlüğü nedeniyle orta bir sertlik sergiliyor ve muhtemelen bazı yetersizlik sertleşiyor. Ancak, sertlik henüz önceden öngörülmemiş değil çünkü ⁇ henüz önceden belirlenmiş bir sertlikte.

  • [FONT:0)Cooling oranı:[[Dönetici: [Dönüşük:0] Daha hızlı soğutma tuzakları daha yüksek çözünürlükte, daha yüksek ilk sağlam güçlendirme sağlar. Su-kncheds örneği genellikle bu hava soğutmadan biraz daha yüksek sert gösterir.
  • [FONT:0]Alloy kompozisyon: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜ: 0) Yüksek Refrakter elementlerin (Mo, W, Re) katı-çözümlü durumdaki güçlendirmeyi artırmaktadır.
  • [FONT=0)Grate boyutu:[Dönetici:[Dönetici:0) Güzel-grained alaşımlar Salonu takip eder ve koldan daha yüksek sertliğe sahiptir, tahıl sınırı yumuşamadıkça.

Tipik olarak, ortak nikel süperalloys için sert sertlik değerleri (örneğin, Inconel 718, Waspaloy) 30 ila 45 HRC (Rockwell C) aralığında, ancak daha fazla ⁇ eskileri ile alaşımlar için daha yüksek olabilir.

Yaş Quenching After

Kazmanın gerçek faydası, süper doygun matrisin önsözlerin iyi bir dağılımı oluşturmak için süper doygun matrislerin olduğu fark edilir. yaşlanma cevabı, gider oranına son derece hassastır:

  • [Uygunluk veya petrol): [DüzgÜ: 0,2) En yüksek seviyedeki yüksek çözünürlük ve yetersizlik konsantrasyonu, yaşlanma sırasında, bu yüksek derecede yüksek bir yoğunlukla yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek derecede yüksek bir yoğunluk sağlar (10-50 nm), bu, 50 HRC'yi aşıyor.
  • [FONT:0]Slow gider (hava veya gaz): ) Bazı ⁇ yağışlar soğutma sırasında meydana gelir, özellikle orta sıcaklıklarda. Bu koarsens, ikincil yağış için mevcut olan sol miktarını azaltır.
  • [FONT:0]Son soğutmadan önce orta bir sıcaklıkta (örneğin, iki yönlü) ısıtılabilir.

Örneğin, Inconel 718'da, 980°C'den bir su gideri, 720°C/621°C'de yaşlanmayı takip etti (iki adımlı yaş) genellikle 44-48 HRC'nin sertliğini sağlarken, hava serinsi 38-42 HRC'ye kadar yüksek güç gerektiren uygulamalar için önemlidir.

Quench Farklı Alaşımların Hassasiyeti

Tüm nikel süperalloyları, yüksek ⁇ hacimleri olan yüksek yüzeylere eşit şekilde cevap vermez (örneğin, René 88, N18) daha fazla gider - daha hassastır, çünkü soğutmada küçük bir gecikmeler bile koarse ⁇ 'ye sebep olabilir.

Ayrıca önemli olan kritik soğutma oranıdır - soğutma sırasında herhangi bir aşama dönüşümünden kaçınmak için gerekli olan minimum oran.Bu oran yaygın olarak değişir: Inconel 718 için yaklaşık 10°C /s, gelişmiş tek kristal alaşımlar için 100°C /s'i aşabilir.

Diğer Özelliklerle Zorluk

Yavaşlama sertliği en üst düzeye çıkarabilirken, saf sert bir şekilde sert bir şekilde sertleştirici bir yaklaşım nadiren yüksek sıcaklık bileşenleri için en uygun olanıdır.Sürdürülebilirlik, sertlik, ürpertici direnç ve termal istikrar kabul edilmelidir. aşağıdaki ticaret-offlar yaygındır:

Kanallama ve Zorluk

Sertlik arttıkça, hız ve kırılma sertliği genellikle azalır. Çok hızlı bir su gideri, yüksek dislokasyon kaynakları ve oturma noktalarının yoğunluğu nedeniyle azaltılabilir ve kuvvet etkileyebilir.In components that must against Çevrim yükleme or impact (e.g., Türbin diskleri), biraz daha yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş

Post-quench mizaç veya aşırılama bazı hızları geri alabilir, ancak en uygun denge, alaşıma özgü ve genellikle titiz testlerle belirlenir.

Residual Stresses ve Boyutlu Stability

Hızlı giderim, sert ısı gradyanları ortaya koyar. Büyük bölümlerde, yüzey sözleşmeleri daha hızlı, gerginlik içinde yüzeyden ve sıkıştırıcıdaki temelden ayrılır.Eğer çekme stresi soğutma sırasında herhangi bir noktada verim gücünü aşıyorsa, plastik deformasyon meydana gelir, ince bölümlerle karmaşık geometriler, delikler veya keskin köşeler özellikle savunmasızdır.

Bu sorunları azaltmak için, ısı tedavicileri yavaş medyayı kullanabilir, gider ısıyı artırabilir veya sıcak formasyon veya stres-relief ekaling sonrası ekleme gibi teknikler kullanabilir. kritik havacılık bölgelerinde, gidering genellikle boyutlu değişiklikler yapan özel fikstürlerde yapılır.

Creep Direniş ve Yüksek Çağ Performansı

Oda sıcaklığındaki sertlik, yüksek sıcaklıklarda kuvvetin tükenmesine doğrudan tercüme edilmez. Creep direniş, servis sıcaklıklarında ⁇ ön ödemelerin stabilitesine bağlıdır (650-1100°C). Hızlı bir giderden çok iyi bir ⁇ dağıtım hızla yüksek sıcaklıklara yol açabilir, bir düşüşe yol açar. Conversely, biraz daha istikrarlı bir şekilde yardımcı olur, daha istikrarlı bir ön performans artırabilir.

Ayrıca, ortaya çıkan dislokasyon ağı, yoğunluğu ve dağıtımına bağlı olarak ürperatif deformasyonu engelleyebilir veya teşvik edebilir. Bazı gelişmiş süpertümoylar, bir hiyerarşik precipitate yapısı üreten bir "knch ve yaş" döngüsü ile tasarlanmıştır (primary, ikincil, tertiary ⁇ ) her iki güç ve ürpertici direnci optimize etmek için.

Nickel Superalloys için Endüstriyel Quenching Uygulamaları

Üretimde, gider döngüsü belirli malzeme özellikleri (örneğin, AMS, ASTM) karşılamak için dikkatle kontrol edilir:

  1. [FONT:0) Solution tedavisi[[[Dönetici: 1))[[Döneticileri) ⁇ solcular üzerindeki ısıtılır.
  2. [FONT:0)Soaking[[Dönetici: 1) Tamamlanan homojenleşmenin (zaman bölüm büyüklüğüne bağlıdır; tipik olarak 1-4 saat).
  3. [FONT:0)Transfer[[DÜDÜT:1) - Fırından gelen kısmını ısıdan uzak durmanın mümkün olduğu kadar çabuk hareket ettirin. Transfer süresi kritik; bazı alaşımlar için, izin verilen gecikme sadece birkaç saniyedir.
  4. [FONT:0)Quenching[[DÜDÜT:1) – Immersion veya gaz akışı kontrol edilen agitation ile kontrol edilebilir.
  5. [FONT=0]Inspection[Dönetici: 1 ) – Boyut kontrolleri ve imha olmayan test (örneğin, fluorescent penetrant denetim) çatlak tespit etmek için.

Vakumlu fırınlar yüksek değerli nikel süperalloy parçaları için oksidasyonu önlemek için yaygındır. Vakumlu vakumda, parçalar sabit bir soğutma ve daha temiz bir yüzey sunar.

Vaka Çalışması: Inconel 718'un Türbin Diskleri için Quenching

Inconel 718, bir nikel tabanlı süperalloy, yaygın olarak abin diskleri için kullanılır. Standart ısı tedavisi 980°C'de tedavi edilen çözümü içerir, sonra iki adımlık bir yaş: 8 saat boyunca 720°C (Ni3Nb) ve yağ basıncı yaklaşık 60°C /s'in ısıtılması için 8 °C'ye kadar yüksek çözünürlükte bir soğutma oranı sağlar.

Eğer gider oranı çok yavaş (örneğin, hava soğutması), sert damlaları 38-42 HRC'ye kadar düşürür ve bu alaşımın yüksek sıcaklık özellikleri degrad. Conversely, su gider (300°C /s) 50 HRC'ye kadar sertleşebilir, ancak büyük disklerde özellikle de çatlaklar riskini artırır.

Inconel 718 ısı tedavisi hakkında daha fazla okuma için, [[Döntme:0)MatWeb'in Inconel 718 sayfası) ve DÜŞT:2)TMS süperalloy ısı tedavisi üzerine makale).

Gelişmiş Quenching Teknikleri

Son gelişmeler, minimum bozulma ile özelleştirilmiş mikroyapılara ulaşmak için kontrol üzerinde yoğunlaşmıştır.

Adım Quenching ve Austempering

Step [-]ing, orta bir sıcaklığa soğutmayı içerir (sadece Bayan martensite oluşumu için veya iyi iyonun izin verildiği bir sıcaklık aralığında) ve son soğutmadan kısa bir süre önce tutulmasını içerir. Bu, tahıl yapısını ve bir bimodal ön dağıtımını geliştirebilir.

Basın ve Die Quenching

İnce bölümler için, basın gidering, serinken bir ölüde yer tutmak için mekanik bir basın kullanır.Bu yöntem en aza indirmek ve ince duvarlı türbanlar için kullanılır.

Akışkanlar Yatak Quenching

Bir ışık veya silik partiküllerinin akışkanlaştırılması, çok yüksek ve üniformalı ısı transfer oranları sağlar, su ile karşılaştırılabilir, ancak buhar film formasyonu yokluğu nedeniyle daha az çatlaklar riski ile ortaya çıkmaktadır.Bu teknik yüksek performanslı alaşımlar için ortaya çıkıyor.

Sonuç ve Pratik Öneriler

Quenching, nikel süperalloyların ısı tedavisinde önemli bir adımdır. matrixin süpersaturasyonunu ve daha sonraki yaşlanma için başlangıç durumu.

Anahtar çekleri özetlemek için:

  • Quenching, sol ve vacancies tarafından yaşlanma potansiyelini artırır. En hızlı pratik gider genellikle en yüksek seviyedeki en yüksek basınç, sağlanan bozulma ve çatlaklar kontrol edilir.
  • Uzaklama sonrası mikro yapı, olası alt yapılarla süper bir doygun austenitik matrisden oluşur. TCP fazlarının baskısı büyük bir avantajdır.
  • Yalnız sertlik son hedef değildir; hız, sertlik ve ürpertici direnci genellikle yavaş bir gider veya değiştirilmiş yaşlanma döngüsü gerektirir.
  • Endüstriyel uygulama deneyim ve özelliklere dayanıyor; simülasyon araçları (kömüresel ve stres alanlarının sonlu elemanlar analizi) giderek artan gider.

Mühendisler ve metaluristler için, belirli alaşımlarının geri çekilmesini anlamak önemlidir. AMS 2750, faz dönüşümleri ve kinetiği) tutarlı sonuçlar sağlar.

Yüksek sıcaklık alaşımlarının zorlu dünyasında, gider adım bir sonraki havacılık ve endüstriyel makineler için tam potansiyele sahip değildir.