Odhalenie tajomstva kovania superzliatin: vytvorenie superhrdinského materiálu priemyslu
Superzliatina, tiež známa ako žiaruvzdorná zliatina alebo superzliatina, je základným kovovým materiálom pre moderné letecké motory, raketové motory, plynové turbíny a chemické zariadenia. Môže odolať komplexnému namáhaniu v podmienkach oxidácie a korózie plynu 600 ~ 1100 stupňov a môže spoľahlivo pracovať po dlhú dobu.
V súčasnosti sú spomedzi deformačných superzliatin najpoužívanejšie superzliatiny na báze železa a superzliatiny na báze niklu. Zliatiny na báze železa sa používajú skôr ako kotúče turbín, kotúče kompresorov, ložiskové prstencové spaľovacie komory a lopatky a ich zloženie je najmä železo s obsahom veľkého množstva niklu, chrómu a ďalších prvkov. Podľa charakteristík spevnenia ho možno rozdeliť na typ vytvrdzovania slabým starnutím, typ vytvrdzovania tuhým roztokom, typ vytvrdzovania starnutím karbidu a typ vytvrdzovania starnutím intermetalickej zlúčeniny.
Zliatiny na báze niklu sa viac používajú pri výrobe lopatiek turbín, spaľovacích komôr, kotúčov turbín, kotúčov kompresorov a lopatiek kompresorov, ktorých zloženie je charakterizované niklovým základom s obsahom ω (Cr) od 10 % do 20 %, čím vzniká na báze niklu austenitovej matrice. Okrem toho niektoré zliatiny tiež obsahujú 10 % až 20 % ω (Co), čím vytvárajú nikel-chróm-kobaltovú austenitovú matricu. Podľa typu spevnenia ho možno rozdeliť na typ spevnenia tuhým roztokom a typ spevnenia starnutím.
Vlastnosti superzliatiny závisia najmä od zloženia a mikroštruktúry zliatiny. V mikroštruktúre sú obzvlášť dôležité typ, štruktúra, tvar, veľkosť, množstvo a distribúcia vyzrážanej fázy. Bežné precipitáty v zliatinách na báze železa a niklu sú intermetalické zlúčeniny, karbidy a boridy. Všetky tieto zlúčeniny môžu byť regulované a kontrolované tepelným spracovaním a ich morfológia a distribúcia môže byť tiež zmenená deformáciou.
Tepelné spracovanie deformovaných superzliatin vo všeobecnosti pozostáva zo spracovania tuhým roztokom, medzispracovania (tiež známeho ako sekundárne spracovanie v tuhom roztoku) a spracovania starnutím. Účelom úpravy roztoku je získať rovnomerný presýtený tuhý roztok a kontrolovať vhodnú veľkosť zŕn. Účelom medzitepelného spracovania je zmeniť skupenstvo karbidu a získať dve rôzne fázy s rôznymi veľkosťami. Účelom ošetrenia starnutím je, aby sa spevnená fáza úplne a rovnomerne vyzrážala, aby sa dosiahol efekt precipitačného vytvrdzovania, ako kritérium je vhodný výber teploty, času a frekvencie, aby sa dosiahol počet spevnených fáz, tvar a rozloženie. Jadrom procesu deformácie deformovaných superzliatin za tepla je plasticita procesu a kritická deformácia hrubých kryštálov.
1.Charakteristika deformácie superzliatiny
1) Nízka plasticita, superzliatina v dôsledku vysokého stupňa legovania, má heterogénnu štruktúru a zložité fázové zloženie, preto je plasticita procesu nízka. Najmä pri vysokých teplotách, keď sú obsiahnuté prímesové prvky ako S, Pb, Sn, sa väzbová sila medzi zrnami často oslabí a plasticita sa zníži. Superzliatiny všeobecne používajú celkový obsah spevňujúcich prvkov hliníka a titánu na určenie úrovne plasticity, keď je celkový obsah väčší alebo rovný 6 %, plasticita bude veľmi nízka. Procesná ťažnosť superzliatiny na báze niklu je nižšia ako ťažnosť superzliatiny na báze železa. Procesná plasticita superzliatin je veľmi citlivá na rýchlosť deformácie a stav napätia. Niektoré zliatinové ingoty a polotovary musia byť vytvorené nízkorýchlostnou deformáciou a ubíjaním, valcovaním a dokonca aj extrúziou.
2) Veľká odolnosť proti deformácii vďaka zložitému zloženiu superzliatiny, vysokej teplote rekryštalizácie, nízkej rýchlosti, má vysokú odolnosť proti deformácii a tendenciu tvrdnutia pri teplote deformácie, odolnosť voči deformácii je vo všeobecnosti 4 až 7-krát väčšia ako obyčajná konštrukčná oceľ.
3) Teplotný rozsah kovania je úzky, teplota topenia superzliatiny je nízka v porovnaní s oceľou a teplota ohrevu je príliš vysoká na to, aby spôsobila prehriatie a prepálenie. Ak je teplota zastavenia kovania príliš nízka, plasticita je nízka, odolnosť voči deformácii je veľká a zmiešaná deformácia za studena a za tepla ľahko spôsobí, že kovanie vytvorí nerovnomerné hrubé kryštály. Preto je rozsah teplôt kovania superzliatin veľmi úzky, vo všeobecnosti len okolo 200 stupňov C. Rozsah teplôt kovania žiaruvzdorných zliatin na báze niklu je užší, väčšina z nich je 100 ~ 150 stupňov C a niektoré sú dokonca menšie ako 100 stupňov C.
4) Tepelná vodivosť je slabá a tepelná vodivosť superzliatiny pri nízkej teplote je oveľa nižšia ako u uhlíkovej ocele, takže je všeobecne potrebné spomaliť predhrievanie v rozsahu 700 ~ 800 stupňov C, inak to spôsobí vysokú teplotu. napätie, takže vyhrievací kov je v krehkom stave.
2.Procesná plasticita superzliatiny
1) V dôsledku pridania veľkého počtu legujúcich prvkov sa zlepšuje tepelná odolnosť superzliatiny, ale plasticita procesu je výrazne znížená. Vysoké legovanie má za následok silnú segregáciu a hrubé stĺpcovité kryštály. Na slabom článku hranice zŕn primárneho dendritu sa pozdĺž hranice zŕn ľahko vyskytnú trhliny. V dôsledku segregácie dendritu je obsah legujúcich prvkov v prvej vykryštalizovanej časti nízky a obsah legujúcich prvkov v okrajovej časti dendritu je vysoký, takže karbidy a intermetalické zlúčeniny sa koncentrujú v okrajovej časti dendritu, čo znižuje kujnosť. zliatiny.
2) Vysoko legovanie spôsobuje, že plasticita tyče zo superzliatiny je oveľa nižšia ako plasticita bežnej legovanej ocele. Pretože v oblasti hraníc zŕn je obohatený veľký počet legujúcich prvkov, pevnosť na hranici zŕn je nižšia ako pevnosť vo vnútri zŕn pri vysokej teplote a mnohé zo spevnených fázových častíc nie sú všetky rozpustené v pevnom roztoku v rámci deformačnej teploty. rozsah, ako je karbid a borid atď., takže okrem , sú na deformácii zapojené aj zosilnené fázy, to znamená, že deformácia neprebieha v jednofázovom stave. Preto je procesná plasticita valcovacej tyče zo superzliatiny tiež relatívne nízka. Preto pri formulovaní postupov procesu kovania superzliatiny musí byť najskôr zmeraná procesná plasticita zliatiny.
3. Stanovenie deformačnej teploty superzliatiny
1) Princíp stanovenia teploty deformácie superzliatiny, v dôsledku zložitosti stupňa legovania superzliatiny sa počiatočná teplota topenia zliatiny znižuje a teplota rozpúšťania fázy rekryštalizácie a spevňovania sa zvyšuje, čo vedie k zužovaniu teploty deformácie. a užšie. Preto pri určovaní deformačnej teploty musí okrem zabezpečenia plasticity procesu a splnenia tvárnenia spĺňať aj potrebu získať dobrú organizáciu a vlastnosti. Aby sa udržala bunková dislokačná sieť v mikroštruktúre výkovkov zo superzliatiny a získali jemné a rovnomerné zrná a dobré vlastnosti, teplota deformácie kovania by mala byť nižšia ako teplota rastu zrna a konečná teplota kovania by mala byť blízka (mierne vyššia) teplota rozpúšťania častíc druhej fázy do tuhého roztoku a teplota rekryštalizácie.
Odhalenie tajomstva kovania superzliatin: vytvorenie superhrdinského materiálu priemyslu
2) Špecifikácia ohrevu superzliatiny, ohrev superzliatiny je rozdelená na predhrievanie a ohrev v dvoch stupňoch. Aby sa skrátila doba výdrže superzliatiny pri teplote ohrevu kovania, zabráňte nadmernému hrubnutiu zrna a vyčerpaniu legujúcich prvkov; Súčasne, aby sa znížilo tepelné namáhanie spôsobené zlou tepelnou vodivosťou a vysokým koeficientom tepelnej rozťažnosti superzliatiny, mal by byť polotovar pred kovaním predhriaty. Teplota predhrievania je 750 ~ 800 stupňov a čas výdrže sa vypočíta ako 0,6 ~ 0,8 min/mm. Teplota ohrevu je všeobecne 1100 ~ 1180 stupňov C a doba výdrže je 0,4 ~ 0,8 min/mm. Vykurovacie zariadenie môže používať odporovú pec, vybavenú teplomerom a automatickým zariadením na reguláciu teploty na presnú kontrolu. Pri výbere plameňovej pece by sa mal obsah síry v palive prísne kontrolovať: obsah síry v nafte alebo ťažkom oleji by mal byť nižší ako 0,5 %; Obsah síry v plyne by mal byť nižší ako 0,7 g/m3. Nadmerný obsah síry v palive vytvorí eutektikum Ni-Ni3S3 s nízkou teplotou topenia (≈650 stupňov), keď prenikne do povrchu predliatku, čím sa zliatina stane krehkou za horúca. Je potrebné prijať menej a žiadne opatrenia oxidačného zahrievania, aby sa zabránilo vyčerpaniu chrómu, hliníka, titánu a iných prvkov na povrchu polotovaru a znížila sa únavová pevnosť a pevnosť zliatiny pri vysokých teplotách. Pri predkovaní polotovaru je možné použiť lokálny indukčný ohrev. Pred zahrievaním by sa mal polotovar vyčistiť, aby sa odstránili nečistoty a zabránilo sa povrchovým defektom v dôsledku korózie. Pri kovaní s viacerými požiarmi by sa teplota ohrevu kovania mala znížiť s predĺžením časového intervalu medzi dvoma požiarmi, aby sa predišlo rastu zŕn, ku ktorému došlo k statickej rekryštalizácii, súčasne by mala byť teplota opätovného ohrevu nižšia s približujúcim sa na hotový výkovok, tým menšia je deformácia.
4. Stanovenie stupňa deformácie superzliatiny
1) Princíp stanovenia stupňa deformácie superzliatin
Vďaka vysokému stupňu legovania je rozsah deformačných teplôt superzliatiny úzky a nie je tu veľa možností nastavenia. Okrem toho superzliatina nemá žiadny izomerizačný prechod a veľkosť zŕn zliatiny je riadená hlavne deformáciou kovania. Preto je po určení teploty deformácie veľmi dôležitá voľba stupňa deformácie. Pri určitej teplote kovania by mala byť deformácia každého rádu ohrevu väčšia ako kritický stupeň deformácie a menšia ako zodpovedajúci stupeň deformácie druhej oblasti rastu zŕn. Za predpokladu splnenia požiadaviek na plasticitu procesu a usporiadanie procesu (predkovanie) by mala byť každá deformácia hlboká a rovnomerná a mala by sa snažiť vyhnúť nerovnomernej deformácii, inak by sa vytvorili pásové hrubé kryštály a lokálne hrubé kryštály. Hrubé kryštály superzliatin majú určitú genetickú tvrdohlavosť a je ťažké zmeniť hrubé kryštály vytvorené jednou nerovnomernou deformáciou, keď stupeň deformácie nie je dostatočne veľký pri bezprostrednej deformácii. Aby sa dosiahla uspokojivá mikroštruktúra a vlastnosti, mala by sa na kontrolu mikroštruktúry, zlepšenie veľkosti zŕn a stavu hraníc zŕn počas konečnej deformácie kovania použiť nižšia teplota ohrevu, väčší stupeň deformácie, precipitačná fáza.
Okrem veľkosti zŕn je dôležitým mikroštruktúrnym faktorom aj hraničný stav zŕn. Z hľadiska spevnenia a spevnenia hraníc zŕn má kontrola organizácie hraníc zŕn tieto zákony:
(1) Nedostatok precipitačnej fázy na hranici zŕn sa ľahko stane kanálom trhliny.
(2) Hrubá fáza a karbid sú rovnomerne rozložené na hraniciach zŕn, čo spevní a spevní hranice zŕn zliatiny.
(3) V zóne vyčerpanej na hranici zŕn sú časti na uvoľnenie napätia, ktoré môžu znížiť odolnosť proti šmyku a rozšíriť oblasť koncentrácie napätia. Preto, keď je pevnosť na hranici zŕn príliš vysoká, ochudobnená zóna zohráva prospešnú úlohu.
(4) Vytváranie súvislých tenkovrstvových karbidových fáz na hranici zŕn spôsobuje, že zliatina je citlivá na vruby.
(5) Tvorba bunkových karbidov na hraniciach zŕn má nepriaznivý vplyv na pevnosť a tvrdnutie hraníc zŕn zliatin.
Preto, okrem rozumného systému tepelného spracovania, v procese kovania, prostredníctvom rozumného rozloženia deformácie, najmä na zvýšenie stupňa konečnej deformácie kovania posledného ohňa, na zlepšenie hraničného stavu zŕn, zhody zŕn a hraníc zŕn. , získať dobré organizačné vlastnosti, je nepochybne veľmi dôležité.
2)Všeobecne deformované superzliatiny sú citlivejšie na kritickú deformáciua kritický stupeň deformácie sa zvyčajne pohybuje v širokom rozsahu ({{0}},5 % ~ 20 %), špecifická hodnota sa líši v závislosti od zliatiny a kritického stupňa deformácie rovnaká zliatina je odlišná pri rôznych teplotách ohrevu. Napríklad celkový stupeň kritickej deformácie zliatiny GH4049 je 0,1 % ~ 7 %. Celkový kritický stupeň deformácie zliatiny GH4220 je 0,6 %-4,7 % pri 1150 stupňoch a 0,1 %-3 % pri 1180 stupňoch, ale kritický stupeň deformácie pri rôznych teplotách kovania, stupeň deformácie pri maximálne zrno a maximálny kritický priemer deformácie nie sú rovnaké. Priemer hrubého kryštálu s kritickou deformáciou je o niekoľko rádov väčší ako priemer normálneho zrna, pričom najväčší je 10 mm a najmenší 1 mm.
5.Vplyv parametrov procesu kovania na mikroštruktúru a vlastnosti superzliatiny
Správna voľba kovania a následné parametre procesu tepelného spracovania priamo ovplyvňuje mechanické vlastnosti výkovkov. Výsledky testov rôznych zliatin sú uvedené nižšie ako referencia pri výbere parametrov tepelného spracovania.
1) Vplyv teploty ohrevu na mikroštruktúru a vlastnosti zliatiny GH2036
Prípustná teplota ohrevu disku turbíny zo zliatiny GH2036 pred zápustkovým kovaním je 1190 stupňov. Ak sa zliatina zahrieva na 1220 stupňov počas 2 hodín, vzorky ťahom a nárazom sa zmenia z transgranulárneho lomu na intergranulárny lom, to znamená, že sa zliatina prehreje. Ak sa zliatina zahrieva 2 hodiny pri 1250 stupňoch a 1280 stupňoch, hranica zŕn zliatiny spôsobí lokálne počiatočné tavenie, to znamená, že zliatina sa prepáli. K medzikryštalickému lomu dochádza v ťahových aj nárazových vzorkách a celkové vlastnosti zliatiny sa znižujú. Vplyv vysokoteplotného ohrevu na vlastnosti zliatiny GH2036, rázové, ťahové a trvanlivé vlastnosti zliatiny sa zhoršujú so zvýšením teploty ohrevu.
2) Vplyv konečnej deformačnej teploty na vlastnosti zliatiny GH4169
Keď je konečný stupeň deformácie 25%, citlivosť vrubu môže byť eliminovaná riadením konečnej deformačnej teploty pri 900 ~ 955 stupňoch a zvýšenie konečnej deformačnej teploty spôsobí, že zrno zliatiny bude nerovnomerné a zníži sa jej plasticita, čo bude mať za následok v zárezovej citlivosti. 3) Vplyv zrnitosti na výkon
3) Vplyv veľkosti zrna na vlastnosti
Hrubšie zrno môže zvýšiť trvalú pevnosť a pevnosť pri tečení, zatiaľ čo jemnejšie zrno môže zvýšiť medzu klzu a únavovú pevnosť. Rovnomerná veľkosť zrna je prospešná pre vlastnosti zliatiny. Lomová životnosť hrubých kryštálov je kratšia ako u jemných kryštálov. Komplexný vplyv veľkosti zŕn na vlastnosti zliatiny GH4169 ukazuje, že medza klzu a únavová medza zliatiny GH4169 sa zjavne zlepšujú zjemňovaním zrna, ale únavová pevnosť pri teplotách nad 600 stupňov sa znižuje. Vplyv na trvalú pevnosť zliatiny závisí od formy lomu (transgranulárny alebo intergranulárny lom), to znamená, že teplota zliatiny súvisí.
4) Vplyv parametrov tepelného procesu na dynamickú rekryštalizáciu
Keď je stupeň deformácie väčší ako 30%, keď je zliatina GH4169 kovaná na kladive alebo hydraulickom lise, počiatočná teplota dynamickej rekryštalizácie je približne medzi 930 ~ 960 stupňami a pri izotermickom kovaní je to zhruba 930 ~ 940 stupňov.
Dynamická rekryštalizácia zliatiny GH4169 je uľahčená zvýšením teploty kovania, zvýšením stupňa deformácie, prijatím vyššej alebo nižšej rýchlosti deformácie a použitím viacnásobnej deformácie.
