Mengungkap misteri penempaan superalloy: menciptakan material superhero dalam industri
Superalloy, juga dikenal sebagai paduan tahan panas atau paduan super, adalah bahan logam penting untuk mesin penerbangan modern, mesin roket, turbin gas, dan peralatan kimia. Ia dapat menahan tekanan kompleks dalam kondisi oksidasi dan korosi gas 600 ~ 1100 derajat, dan dapat bekerja dengan andal untuk waktu yang lama.
Saat ini, diantara superalloy deformasi yang paling banyak digunakan adalah superalloy berbahan dasar besi dan superalloy berbahan dasar nikel. Paduan berbahan besi lebih banyak digunakan sebagai cakram turbin, cakram kompresor, ruang bakar dan bilah cincin bantalan, dan karakteristik komposisinya sebagian besar adalah besi, mengandung sejumlah besar nikel, kromium, dan elemen lainnya. Menurut karakteristik penguatannya, dapat dibagi menjadi tipe pengerasan umur lemah, tipe pengerasan umur larutan padat, tipe pengerasan umur karbida, dan tipe pengerasan umur senyawa intermetalik.
Paduan berbahan dasar nikel lebih banyak digunakan dalam pembuatan bilah turbin, ruang bakar, cakram turbin, cakram kompresor dan bilah kompresor, yang komposisinya bercirikan basa nikel, mengandung ω (Cr) sebesar 10% hingga 20%, sehingga membentuk berbasis nikel. matriks austenit. Selain itu, beberapa paduan juga mengandung 10% hingga 20% ω (Co), membentuk matriks austenit nikel-kromium-kobalt. Menurut tipe penguatannya, dapat dibagi menjadi tipe penguatan larutan padat dan tipe penguatan penuaan.
Sifat-sifat superalloy terutama bergantung pada komposisi dan struktur mikro paduan. Jenis, struktur, bentuk, ukuran, kuantitas dan distribusi fase yang diendapkan sangat penting dalam struktur mikro. Endapan umum pada paduan berbahan dasar besi dan nikel adalah senyawa intermetalik, karbida, dan borida. Semua senyawa ini dapat diatur dan dikendalikan dengan perlakuan panas, dan morfologi serta distribusinya juga dapat diubah melalui deformasi.
Perlakuan panas pada superalloy terdeformasi umumnya terdiri dari perlakuan larutan padat, perlakuan antara (juga dikenal sebagai perlakuan larutan padat sekunder) dan perlakuan penuaan. Tujuan dari perlakuan larutan adalah untuk mendapatkan larutan padat lewat jenuh yang seragam dan mengontrol ukuran butir yang sesuai. Tujuan dari perlakuan panas antara adalah untuk mengubah keadaan karbida dan memperoleh dua fase berbeda dengan ukuran berbeda. Tujuan dari perlakuan penuaan adalah untuk membuat fasa yang diperkuat mengendap secara penuh dan merata, untuk mencapai efek pengerasan presipitasi, pemilihan suhu, waktu dan frekuensi, untuk mendapatkan jumlah fasa yang diperkuat, bentuk dan distribusi yang sesuai dengan kriteria. Inti dari proses deformasi panas superalloy terdeformasi adalah proses plastisitas dan deformasi kritis kristal kasar.
1.Karakteristik deformasi superalloy
1) Plastisitas rendah, superalloy karena tingkat paduan yang tinggi, memiliki struktur heterogen dan komposisi fasa yang kompleks, sehingga plastisitas prosesnya rendah. Terutama pada suhu tinggi, ketika unsur pengotor seperti S, Pb, Sn terkandung, gaya pengikatan antar butiran seringkali melemah dan plastisitasnya berkurang. Superalloy umumnya menggunakan kandungan total unsur penguat aluminium dan titanium untuk menentukan tingkat plastisitasnya, bila kandungan totalnya lebih besar atau sama dengan 6% maka plastisitasnya akan sangat rendah. Daktilitas proses superalloy berbahan dasar nikel lebih rendah dibandingkan superalloy berbahan dasar besi. Plastisitas proses superalloy sangat sensitif terhadap laju deformasi dan keadaan tegangan. Beberapa ingot paduan dan billet perantara perlu dibentuk melalui deformasi dan penggerusan kecepatan rendah, penggulungan, dan bahkan ekstrusi.
2) Ketahanan deformasi yang besar, karena komposisi superalloy yang kompleks, suhu rekristalisasi yang tinggi, kecepatan lambat, memiliki ketahanan deformasi yang tinggi dan kecenderungan pengerasan pada suhu deformasi, ketahanan deformasi umumnya 4 hingga 7 kali lipat dari baja struktural biasa.
3) Kisaran suhu penempaan sempit, titik leleh superalloy lebih rendah dibandingkan baja, dan suhu pemanasan terlalu tinggi sehingga menyebabkan panas berlebih dan terbakar berlebihan. Jika suhu penghentian penempaan terlalu rendah, plastisitasnya rendah, ketahanan deformasinya besar, dan deformasi campuran dingin dan panas mudah menyebabkan penempaan menghasilkan kristal kasar yang tidak rata. Oleh karena itu, kisaran suhu penempaan paduan superalloy sangat sempit, umumnya hanya sekitar 200 derajat C. Kisaran suhu penempaan paduan tahan panas berbasis nikel lebih sempit, sebagian besar 100 ~ 150 derajat C, dan beberapa bahkan kurang dari 100 derajat C.
4) Konduktivitas termalnya buruk, dan konduktivitas termal superalloy pada suhu rendah jauh lebih rendah dibandingkan baja karbon, sehingga umumnya perlu dilakukan pemanasan awal yang lambat pada kisaran 700 ~ 800 derajat C, jika tidak maka akan menyebabkan suhu yang tinggi stres, sehingga logam pemanas berada dalam keadaan rapuh.
2.Proses plastisitas superalloy
1) Karena penambahan sejumlah besar elemen paduan, ketahanan panas superalloy meningkat, namun plastisitas proses sangat berkurang. Paduan yang tinggi menghasilkan segregasi yang parah dan kristal kolumnar yang kasar. Pada tautan lemah batas butir dendrit primer, retakan mudah terjadi di sepanjang batas butir. Akibat segregasi dendrit, kandungan unsur paduan pada bagian kristalisasi pertama rendah, dan kandungan unsur paduan pada bagian tepi dendrit tinggi, sehingga karbida dan senyawa intermetalik terkonsentrasi di bagian tepi dendrit, sehingga mengurangi kelenturan. dari paduan tersebut.
2) Paduan tinggi membuat plastisitas batang superalloy jauh lebih rendah dibandingkan baja paduan biasa. Karena sejumlah besar elemen paduan diperkaya di daerah batas butir, kekuatan batas butir lebih rendah daripada kekuatan intra-butir pada suhu tinggi, dan banyak partikel fase yang diperkuat tidak semuanya larut ke dalam larutan padat dalam suhu deformasi. rentang, seperti karbida dan borida, dll., sehingga selain , terdapat juga fase penguatan yang terlibat dalam deformasi, yaitu deformasi tidak dilakukan dalam keadaan fase tunggal. Oleh karena itu, plastisitas proses rolling rod superalloy juga relatif rendah. Oleh karena itu, dalam perumusan prosedur proses penempaan superalloy, plastisitas proses dari paduan tersebut harus diukur terlebih dahulu.
3.Penentuan suhu deformasi superalloy
1)Prinsip penentuan suhu deformasi superalloy, karena kompleksitas derajat paduan superalloy, suhu leleh awal paduan menurun, dan suhu pelarutan fase rekristalisasi dan penguatan meningkat, sehingga suhu deformasi menjadi lebih sempit. dan lebih sempit. Oleh karena itu, dalam menentukan suhu deformasi, selain untuk memastikan plastisitas proses dan memenuhi pembentukan, juga harus memenuhi kebutuhan untuk memperoleh organisasi dan sifat yang baik. Untuk menjaga jaringan dislokasi seluler dalam struktur mikro tempa superalloy dan mendapatkan butiran halus dan seragam serta sifat yang baik, suhu deformasi penempaan harus lebih rendah dari suhu pertumbuhan butir, dan suhu penempaan akhir harus mendekati (sedikit lebih tinggi) suhu pelarutan partikel fasa kedua ke dalam larutan padat dan suhu rekristalisasi.
Mengungkap misteri penempaan superalloy: menciptakan material superhero dalam industri
2) Spesifikasi pemanasan superalloy, pemanasan superalloy dibagi menjadi pemanasan awal dan pemanasan dua tahap. Untuk mempersingkat waktu penahanan superalloy pada suhu pemanasan tempa, hindari pengkasaran butiran yang berlebihan dan penipisan elemen paduan; Pada saat yang sama, untuk mengurangi tekanan termal yang disebabkan oleh konduktivitas termal yang buruk dan koefisien muai panas yang tinggi dari superalloy, blanko harus dipanaskan terlebih dahulu sebelum ditempa. Suhu pemanasan awal adalah 750 ~ 800 derajat , dan waktu penahanan dihitung sebagai 0.6 ~ 0.8min/mm. Suhu pemanasan umumnya 1100 ~ 1180 derajat C, dan waktu penahanannya adalah 0,4 ~ 0,8 menit/mm. Peralatan pemanas dapat menggunakan tungku resistansi, dilengkapi dengan termometer dan perangkat pengatur suhu penyesuaian otomatis untuk pengendalian yang akurat. Ketika tungku api dipilih, kandungan sulfur dalam bahan bakar harus dikontrol dengan ketat: kandungan sulfur dalam solar atau minyak berat harus kurang dari 0,5%; Kandungan sulfur dalam gas harus kurang dari 0,7g/m3. Kandungan sulfur yang berlebihan pada bahan bakar akan membentuk eutektik Ni-Ni3S3 dengan titik leleh rendah (≈650 derajat ) ketika menembus permukaan billet, sehingga paduan panas menjadi rapuh. Hal ini diperlukan untuk mengambil lebih sedikit dan tidak ada tindakan pemanasan oksidasi untuk menghindari penipisan kromium, aluminium, titanium dan elemen lainnya pada permukaan blanko, dan mengurangi kekuatan lelah dan kekuatan tahan suhu tinggi dari paduan tersebut. Pemanasan induksi lokal dapat digunakan dalam preforging blanko. Sebelum dipanaskan, blanko harus dibersihkan untuk menghilangkan kotoran dan menghindari cacat permukaan akibat korosi. Saat menempa dengan banyak api, suhu pemanasan tempa harus dikurangi dengan perpanjangan interval waktu antara kedua api untuk menghindari pertumbuhan butiran yang telah terjadi rekristalisasi statis, pada saat yang sama, suhu pemanasan ulang juga harus lebih rendah dengan semakin dekat. ke produk tempa jadi, semakin kecil deformasinya.
4. Penentuan tingkat deformasi superalloy
1) Prinsip penentuan derajat deformasi superalloy
Karena tingkat paduan yang tinggi, kisaran suhu deformasi superalloy menjadi sempit, dan margin penyesuaian tidak banyak. Selain itu, superalloy tidak memiliki transisi isomerisasi, dan ukuran butir paduan terutama dikendalikan oleh deformasi penempaan. Oleh karena itu, setelah suhu deformasi ditentukan, pemilihan derajat deformasi menjadi sangat penting. Pada suhu penempaan tertentu, deformasi setiap urutan pemanasan harus lebih besar dari derajat deformasi kritis dan lebih kecil dari derajat deformasi yang sesuai pada daerah pertumbuhan butir kedua. Berdasarkan premis memenuhi persyaratan plastisitas proses dan pengaturan proses (pra-penempaan), setiap deformasi harus dalam dan seragam, dan berusaha menghindari deformasi yang tidak merata, jika tidak maka akan menghasilkan kristal kasar berpita dan kristal kasar lokal. Kristal kasar dari superalloy memiliki sifat keras kepala genetik tertentu, dan sulit untuk mengubah kristal kasar yang dihasilkan oleh satu deformasi tidak seragam ketika derajat deformasi tidak cukup besar dalam deformasi langsung. Untuk mendapatkan struktur mikro dan sifat yang memuaskan, suhu pemanasan yang lebih rendah, tingkat deformasi yang lebih besar, fase pengendapan harus digunakan untuk mengontrol struktur mikro, meningkatkan ukuran butir dan keadaan batas butir selama deformasi penempaan akhir.
Selain ukuran butir, keadaan batas butir juga merupakan faktor struktur mikro yang penting. Dilihat dari penguatan dan pengetatan batas butir, pengendalian penataan batas butir mempunyai hukum sebagai berikut:
(1) Kurangnya fase presipitasi pada batas butir mudah menjadi saluran retak.
(2) Fase kasar dan karbida didistribusikan secara merata pada batas butir, yang akan memperkuat dan memperkuat batas butir paduan.
(3) Terdapat bagian relaksasi tegangan pada zona penipisan batas butir, yang dapat mengurangi ketahanan geser dan memperluas area konsentrasi regangan. Oleh karena itu, ketika kekuatan batas butir terlalu tinggi, zona terkuras akan memainkan peran yang menguntungkan.
(4) Pembentukan fase karbida film tipis terus menerus pada batas butir membuat takik paduan menjadi sensitif.
(5) Pembentukan karbida seluler pada batas butir berdampak buruk pada kekuatan dan ketangguhan batas butir paduan.
Oleh karena itu, selain sistem perlakuan panas yang wajar, dalam proses penempaan, melalui distribusi deformasi yang wajar, terutama untuk meningkatkan derajat deformasi penempaan akhir dari api terakhir, untuk meningkatkan keadaan batas butir, pencocokan kekuatan batas butir dan butir. , untuk memperoleh sifat organisasi yang baik, tentu saja sangat penting.
2)Umumnya superalloy yang terdeformasi lebih sensitif terhadap deformasi kritis, dan derajat deformasi kritis biasanya bervariasi dalam rentang yang luas ({{0}}.5% ~ 20%), nilai spesifiknya bervariasi menurut paduannya, dan derajat deformasi kritis dari paduan tersebut paduan yang sama berbeda pada suhu pemanasan yang berbeda. Misalnya, tingkat deformasi kritis total paduan GH4049 adalah 0,1% ~ 7%. Derajat deformasi kritis total paduan GH4220 adalah 0,6%-4,7% pada 1150 derajat dan 0,1%-3% pada 1180 derajat, tetapi derajat deformasi kritis pada suhu penempaan yang berbeda, derajat deformasi pada butir maksimum dan diameter deformasi kritis maksimum tidak sama. Diameter kristal kasar deformasi kritis beberapa kali lipat lebih besar dari diameter butiran normal, dengan yang terbesar 10 mm dan terkecil 1 mm.
5. Pengaruh parameter proses penempaan terhadap struktur mikro dan sifat superalloy
Pilihan parameter proses penempaan dan perlakuan panas selanjutnya yang tepat secara langsung mempengaruhi sifat mekanik tempa. Hasil pengujian berbagai paduan tercantum di bawah ini untuk referensi dalam pemilihan parameter proses pemanasan.
1) Pengaruh suhu pemanasan terhadap struktur mikro dan sifat paduan GH2036
Suhu pemanasan yang diijinkan dari disk turbin paduan GH2036 sebelum die forging adalah 1190 derajat. Jika paduan dipanaskan pada suhu 1220 derajat selama 2 jam, sampel tarik dan tumbukan berubah dari patahan transgranular menjadi patahan intergranular, yaitu paduan menjadi terlalu panas. Jika paduan dipanaskan selama 2 jam pada suhu 1250 derajat dan 1280 derajat, batas butir paduan menghasilkan peleburan awal lokal, yaitu paduan terbakar berlebihan. Fraktur intergranular terjadi pada spesimen tarik dan tumbukan, dan sifat keseluruhan paduan menurun. Pengaruh pemanasan suhu tinggi terhadap sifat-sifat paduan GH2036, dampak, sifat tarik dan tahan lama dari paduan tersebut memburuk dengan meningkatnya suhu pemanasan.
2) Pengaruh suhu deformasi akhir terhadap sifat paduan GH4169
Ketika derajat deformasi akhir adalah 25%, sensitivitas takik dapat dihilangkan dengan mengontrol suhu deformasi akhir pada 900 ~ 955 derajat, dan peningkatan suhu deformasi akhir akan membuat butiran paduan menjadi tidak rata dan mengurangi plastisitasnya, sehingga mengakibatkan dalam sensitivitas takik. 3) Pengaruh ukuran butir terhadap kinerja
3) Pengaruh ukuran butir pada properti
Butir yang lebih kasar dapat meningkatkan kekuatan tahan dan kekuatan mulur, sedangkan butiran yang lebih halus dapat meningkatkan kekuatan luluh dan kekuatan lelah. Ukuran butir yang seragam bermanfaat bagi sifat-sifat paduan. Umur patah kristal kasar lebih pendek dibandingkan kristal halus. Efek komprehensif ukuran butir terhadap sifat paduan GH4169 menunjukkan bahwa kekuatan luluh dan kekuatan lelah paduan GH4169 jelas meningkat dengan penyempurnaan butir, namun kekuatan lelah pada suhu di atas 600 derajat menurun. Pengaruh terhadap kekuatan permanen paduan tergantung pada bentuk rekahan (rekahan transgranular atau intergranular), yaitu suhu paduan terkait.
4) Pengaruh parameter proses termal terhadap rekristalisasi dinamis
Ketika tingkat deformasi lebih besar dari 30%, ketika paduan GH4169 ditempa pada palu atau pengepres hidrolik, suhu awal rekristalisasi dinamis kira-kira antara 930 ~ 960 derajat, dan ketika penempaan isotermal, kira-kira 930 ~ 940 derajat.
Rekristalisasi dinamis paduan GH4169 difasilitasi dengan meningkatkan suhu penempaan, meningkatkan derajat deformasi, mengadopsi laju regangan yang lebih tinggi atau lebih rendah, dan menerapkan banyak deformasi.
