Odkrivanje skrivnosti kovanja iz superzlitin: ustvarjanje superjunaškega materiala industrije
Superzlitina, znana tudi kot toplotno odporna zlitina ali super zlitina, je bistven kovinski material za sodobne letalske motorje, raketne motorje, plinske turbine in kemično opremo. Lahko prenese kompleksne obremenitve v pogojih oksidacije in plinske korozije 600 ~ 1100 stopinj in lahko zanesljivo deluje dolgo časa.
Trenutno so med deformacijskimi superzlitinami najbolj razširjene superzlitine na osnovi železa in superzlitine na osnovi niklja. Zlitine na osnovi železa se bolj uporabljajo kot turbinski diski, kompresorski diski, zgorevalne komore ležajnih obročev in lopatice, njihove značilnosti sestave pa so predvsem železo, ki vsebuje veliko količino niklja, kroma in drugih elementov. Glede na ojačitvene lastnosti ga lahko razdelimo na tip utrjevanja s šibkim staranjem, tip utrjevanja s trdno raztopino, tip utrjevanja s staranjem karbida in tip intermetalne spojine.
Zlitine na osnovi niklja se bolj uporabljajo pri izdelavi turbinskih lopatic, zgorevalnih komor, turbinskih diskov, kompresorskih diskov in kompresorskih lopatic, katerih sestava je značilna po osnovi niklja, ki vsebuje ω (Cr) od 10 % do 20 %, ki tvori nikljevo osnovo. avstenitna matrica. Poleg tega nekatere zlitine vsebujejo tudi 10 % do 20 % ω (Co), ki tvori nikelj-krom-kobaltov avstenitni matriks. Glede na vrsto ojačitve ga lahko razdelimo na vrsto ojačitve s trdno raztopino in vrsto ojačitve s staranjem.
Lastnosti superzlitine so v glavnem odvisne od sestave in mikrostrukture zlitine. Pri mikrostrukturi so še posebej pomembni vrsta, struktura, oblika, velikost, količina in porazdelitev izločene faze. Običajne usedline v zlitinah na osnovi železa in niklja so intermetalne spojine, karbidi in boridi. Vse te spojine je mogoče regulirati in nadzorovati s toplotno obdelavo, njihovo morfologijo in porazdelitev pa lahko spremenimo tudi z deformacijo.
Toplotna obdelava deformiranih superzlitin je običajno sestavljena iz obdelave s trdno raztopino, vmesne obdelave (znane tudi kot sekundarna obdelava s trdno raztopino) in obdelave s staranjem. Namen obdelave z raztopino je pridobitev enotne prenasičene trdne raztopine in nadzor ustrezne velikosti zrn. Namen vmesne toplotne obdelave je spremeniti agregatno stanje karbida in pridobiti dve različni 'fazi z različnimi velikostmi. Namen obdelave s staranjem je, da se ojačana faza popolnoma in enakomerno izloči, da se doseže učinek izločevalnega utrjevanja, izbor temperature, časa in frekvence, da se število okrepljenih faz, oblika in porazdelitev ustrezna kot merilo. Jedro procesa vroče deformacije deformiranih superzlitin je procesna plastičnost in kritična deformacija grobih kristalov.
1. Značilnosti deformacije superzlitin
1) Nizka plastičnost, superzlitina ima zaradi visoke stopnje legiranja heterogeno strukturo in kompleksno fazno sestavo, zato je procesna plastičnost nizka. Zlasti pri visokih temperaturah, ko so vsebovani primesi, kot so S, Pb, Sn, je vezna sila med zrni pogosto oslabljena in plastičnost se zmanjša. Superzlitine na splošno uporabljajo skupno vsebnost ojačitvenih elementov aluminija in titana za določanje ravni plastičnosti, ko je skupna vsebnost večja ali enaka 6 %, bo plastičnost zelo nizka. Procesna duktilnost superzlitine na osnovi niklja je nižja kot pri superzlitini na osnovi železa. Procesna plastičnost superzlitin je zelo občutljiva na hitrost deformacije in napetostno stanje. Nekatere zlitine ingote in vmesne gredice je treba oblikovati z nizkohitrostnim deformiranjem in stiskanjem, valjanjem in celo ekstrudiranjem.
2) Velika odpornost na deformacijo zaradi kompleksne sestave superzlitine, visoke temperature rekristalizacije, počasne hitrosti, ima visoko odpornost na deformacijo in nagnjenost kaljenju pri temperaturi deformacije, odpornost na deformacijo je na splošno 4- do 7-krat večja od navadnega konstrukcijskega jekla.
3) Temperaturno območje kovanja je ozko, tališče superzlitine je nizko v primerjavi z jeklom, temperatura ogrevanja pa je previsoka, da bi povzročila pregrevanje in pregorevanje. Če je temperatura zaustavitve kovanja prenizka, je plastičnost nizka, odpornost proti deformaciji velika, mešana deformacija v hladnem in vročem pa zlahka povzroči, da kovanje proizvede neenakomerne grobe kristale. Zato je temperaturno območje kovanja superzlitin zelo ozko, na splošno le okoli 200 stopinj C. Temperaturno območje kovanja toplotno odpornih zlitin na osnovi niklja je ožje, večina jih je 100 ~ 150 stopinj C, nekatere pa celo manj kot 100 stopinj C.
4) Toplotna prevodnost je slaba in toplotna prevodnost superzlitine pri nizki temperaturi je veliko nižja kot pri ogljikovem jeklu, zato je na splošno potrebno počasno predgretje v območju 700 ~ 800 stopinj C, sicer bo povzročilo visoko temperaturo stres, tako da je grelna kovina v krhkem stanju.
2.Procesna plastičnost superzlitine
1) Zaradi dodajanja velikega števila legirnih elementov se toplotna odpornost superzlitine izboljša, vendar se plastičnost postopka močno zmanjša. Visoko legiranje povzroči močno segregacijo in grobe stebraste kristale. Na šibki povezavi primarne meje zrna dendrita se zlahka pojavijo razpoke vzdolž meje zrna. Zaradi segregacije dendrita je vsebnost legirnih elementov v prvem kristaliziranem delu nizka, vsebnost legirnih elementov v robnem delu dendrita pa visoka, zato so karbidi in intermetalne spojine koncentrirane v robnem delu dendrita, kar zmanjša kovnost. zlitine.
2) Zaradi visokega legiranja je plastičnost palice iz superzlitine veliko nižja kot pri navadnem legiranem jeklu. Ker je veliko število legirnih elementov obogatenih v mejnem območju zrn, je trdnost mej zrn nižja od trdnosti znotraj zrn pri visoki temperaturi in številni delci okrepljene faze niso vsi raztopljeni v trdni raztopini pri temperaturi deformacije območju, kot sta karbid in borid itd., tako da poleg , pri deformaciji sodelujejo tudi ojačane faze, to pomeni, da deformacija ne poteka v enofazno stanje. Zato je tudi procesna plastičnost valjarne palice iz superzlitine relativno nizka. Zato je treba pri oblikovanju postopkov kovanja superzlitin najprej izmeriti procesno plastičnost zlitine.
3. Določanje deformacijske temperature superzlitine
1) Načelo določanja deformacijske temperature superzlitine, zaradi zapletenosti legirne stopnje superzlitine, se začetna temperatura taljenja zlitine zniža, temperatura raztapljanja faze rekristalizacije in krepitve pa se poveča, zaradi česar se temperatura deformacije oži in ožji. Zato mora pri določanju deformacijske temperature poleg zagotavljanja plastičnosti procesa in izpolnjevanja oblikovanja izpolnjevati tudi potrebo po dobri organizaciji in lastnostih. Da bi ohranili celično dislokacijsko mrežo v mikrostrukturi odkovkov iz superzlitin in pridobili fina in enotna zrna ter dobre lastnosti, mora biti temperatura deformacije kovanja nižja od temperature rasti zrn, končna temperatura kovanja pa mora biti blizu (nekoliko višja) temperaturo raztapljanja delcev druge faze v trdno raztopino in temperaturo rekristalizacije.
Odkrivanje skrivnosti kovanja iz superzlitin: ustvarjanje superjunaškega materiala industrije
2) Specifikacija ogrevanja superzlitine, ogrevanje superzlitine je razdeljeno na predgretje in ogrevanje v dveh stopnjah. Da bi skrajšali čas zadrževanja superzlitine pri temperaturi segrevanja kovanja, se izogibajte čezmernemu grobljenju zrn in izčrpanosti legirnih elementov; Hkrati je treba surovec pred kovanjem predhodno segreti, da bi zmanjšali toplotno obremenitev, ki jo povzročata slaba toplotna prevodnost in visok koeficient toplotnega raztezanja superzlitine. Temperatura predgretja je 750 ~ 800 stopinj, čas zadrževanja pa se izračuna kot 0.6 ~ 0.8min/mm. Temperatura ogrevanja je običajno 1100 ~ 1180 stopinj C, čas zadrževanja pa je 0,4 ~ 0,8 min/mm. Oprema za ogrevanje lahko uporablja uporovno peč, opremljeno s termometrom in napravo za samodejno prilagajanje temperature za natančen nadzor. Ko je izbrana plamenska peč, je treba vsebnost žvepla v gorivu strogo nadzorovati: vsebnost žvepla v dizelskem gorivu ali težkem olju mora biti manjša od 0,5 %; Vsebnost žvepla v plinu mora biti manjša od 0,7 g/m3. Prekomerna vsebnost žvepla v gorivu bo tvorila evtektik Ni-Ni3S3 z nizkim tališčem (≈650 stopinj), ko prodre v površino gredice, zaradi česar je zlitina vroča krhka. Treba je sprejeti manj in brez ukrepov oksidacijskega ogrevanja, da se izognemo zmanjšanju vsebnosti kroma, aluminija, titana in drugih elementov na površini surovca ter zmanjšamo odpornost proti utrujenosti in vzdržljivost zlitine pri visokih temperaturah. Lokalno indukcijsko ogrevanje se lahko uporablja pri predkovanju surovcev. Pred segrevanjem je treba surovec očistiti, da odstranimo umazanijo in preprečimo površinske napake zaradi korozije. Pri kovanju z več ognji je treba znižati temperaturo segrevanja kovanja s podaljšanjem časovnega intervala med dvema ognjema, da se izognemo rasti zrn, ki je povzročila statično rekristalizacijo, hkrati pa mora biti temperatura ponovnega segrevanja nižja, ko se bližje do končnega izdelka kovanja, manjša je deformacija.
4. Določitev stopnje deformacije superzlitine
1) Načelo določanja stopnje deformacije superzlitin
Zaradi visoke stopnje legiranja je temperaturno območje deformacije superzlitine ozko in ni veliko prilagoditvenega roba. Poleg tega superzlitina nima izomerizacijskega prehoda, velikost zrn zlitine pa je v glavnem nadzorovana z deformacijo kovanja. Zato je po določitvi temperature deformacije zelo pomembna izbira stopnje deformacije. Pri določeni temperaturi kovanja mora biti deformacija vsakega ogrevalnega reda večja od kritične stopnje deformacije in manjša od ustrezne stopnje deformacije drugega območja rasti zrn. Pod predpostavko izpolnjevanja zahtev glede plastičnosti postopka in ureditve postopka (predkovanje) mora biti vsaka deformacija globoka in enakomerna, poskušajte se izogniti neenakomerni deformaciji, sicer bodo nastali trakasti grobi kristali in lokalni grobi kristali. Grobi kristali superzlitin imajo določeno genetsko trdovratnost in težko je spremeniti grobe kristale, ki nastanejo z eno samo neenakomerno deformacijo, če stopnja deformacije ni dovolj velika pri takojšnji deformaciji. Da bi dosegli zadovoljivo mikrostrukturo in lastnosti, je treba uporabiti nižjo temperaturo segrevanja, večjo stopnjo deformacije, fazo padavin za nadzor mikrostrukture, izboljšanje velikosti zrn in mejnega stanja zrn med končno deformacijo kovanja.
Poleg velikosti zrn je pomemben dejavnik mikrostrukture tudi mejno stanje zrn. Z vidika utrjevanja in utrjevanja mej zrn ima nadzor organizacije meja zrn naslednje zakonitosti:
(1) Pomanjkanje padavinske faze na meji zrn zlahka postane kanal razpoke.
(2) Groba 'faza in karbid sta enakomerno porazdeljena na mejah zrn, kar bo okrepilo in utrdilo meje zrn zlitine.
(3) V območju osiromašene meje zrn so deli za sprostitev napetosti, ki lahko zmanjšajo strižni upor in razširijo območje koncentracije deformacij. Zato, ko je trdnost meje zrn previsoka, ima osiromašeno območje koristno vlogo.
(4) Zaradi tvorbe kontinuiranih tankoslojnih karbidnih faz na meji zrn je zareza v zlitini občutljiva.
(5) Tvorba celičnih karbidov na mejah zrn negativno vpliva na trdnost in žilavost meja zrn zlitine.
Zato, poleg razumnega sistema toplotne obdelave, v procesu kovanja, z razumno porazdelitvijo deformacije, zlasti za povečanje stopnje končne deformacije kovanja zadnjega ognja, za izboljšanje mejnega stanja zrn, ujemanje trdnosti zrn in meja zrn , za pridobitev dobrih organizacijskih lastnosti, je nedvomno zelo pomembno.
2)Na splošno deformirane superzlitine so bolj občutljive na kritično deformacijoin stopnja kritične deformacije običajno variira v širokem območju ({{0}}.5% ~ 20%), specifična vrednost se spreminja glede na zlitino in stopnja kritične deformacije zlitine ista zlitina je različna pri različnih temperaturah segrevanja. Na primer, skupna kritična stopnja deformacije zlitine GH4049 je 0,1 % ~ 7 %. Skupna kritična stopnja deformacije zlitine GH4220 je 0,6 %-4.7 % pri 1150 stopinjah in 0,1 %-3% pri 1180 stopinjah, vendar je kritična stopnja deformacije pri različnih temperaturah kovanja stopnja deformacije pri največja zrnatost in največji kritični premer deformacije nista enaka. Premer grobega kristala s kritično deformacijo je za nekaj velikostnih redov večji od premera običajnega zrna, pri čemer je največji 10 mm, najmanjši pa 1 mm.
5.Vpliv parametrov procesa kovanja na mikrostrukturo in lastnosti superzlitine
Pravilna izbira parametrov odkovka in kasnejše toplotne obdelave neposredno vpliva na mehanske lastnosti odkovkov. Rezultati preskusov različnih zlitin so navedeni spodaj za referenco pri izbiri parametrov obdelave ogrevanja.
1) Vpliv temperature segrevanja na mikrostrukturo in lastnosti zlitine GH2036
Dovoljena temperatura ogrevanja turbinskega diska iz zlitine GH2036 pred kovanjem je 1190 stopinj. Če zlitino segrevamo pri 1220 stopinjah 2 uri, se natezni in udarni vzorci spremenijo iz transgranularnega loma v intergranularni lom, kar pomeni, da se zlitina pregreje. Če zlitino segrevamo 2 uri pri 1250 stopinjah in 1280 stopinjah, povzroči meja zrn zlitine lokalno začetno taljenje, kar pomeni, da je zlitina prežgana. Intergranularni lom se pojavi pri nateznih in udarnih vzorcih, splošne lastnosti zlitine pa se zmanjšajo. Vpliv visokotemperaturnega segrevanja na lastnosti zlitine GH2036, udarne, natezne in obstojne lastnosti zlitine se poslabšajo s povišanjem temperature segrevanja.
2) Vpliv temperature končne deformacije na lastnosti zlitine GH4169
Ko je končna stopnja deformacije 25 %, se lahko občutljivost zareze odpravi z nadzorom končne temperature deformacije pri 900 ~ 955 stopinjah, povečanje končne temperature deformacije pa bo povzročilo, da zrno zlitine postane neenakomerno in zmanjša njegovo plastičnost, kar povzroči v občutljivosti zareze. 3) Vpliv velikosti zrn na zmogljivost
3) Vpliv velikosti zrn na lastnosti
Grobejša zrna lahko povečajo trajno trdnost in odpornost proti lezenju, medtem ko lahko finejša zrna povečajo mejo tečenja in odpornost proti utrujanju. Enotna velikost zrn je koristna za lastnosti zlitine. Življenjska doba zloma grobih kristalov je krajša kot pri drobnih kristalih. Celovit učinek velikosti zrn na lastnosti zlitine GH4169 kaže, da se meja tečenja in utrujenostna trdnost zlitine GH4169 očitno izboljšata z rafiniranjem zrn, vendar se odpornost proti utrujenosti pri temperaturah nad 600 stopinj zmanjša. Vpliv na trajno trdnost zlitine je odvisen od oblike loma (čezzrnski ali medzrnski lom), to pomeni, da je povezana temperatura zlitine.
4) Vpliv parametrov termičnega procesa na dinamično rekristalizacijo
Ko je stopnja deformacije večja od 30 %, ko je zlitina GH4169 kovana na kladivu ali hidravlični stiskalnici, je začetna temperatura dinamične rekristalizacije približno med 930 ~ 960 stopinjami, pri izotermnem kovanju pa je približno 930 ~ 940 stopinj.
Dinamično rekristalizacijo zlitine GH4169 olajšajo zvišanje temperature kovanja, povečanje stopnje deformacije, sprejemanje višje ali nižje stopnje deformacije in uporaba večkratne deformacije.
