Descubriendo el misterio de la forja de superaleaciones: creando el material de superhéroe de la industria
La superaleación, también conocida como aleación resistente al calor o superaleación, es un material metálico esencial para los motores de aviación, motores de cohetes, turbinas de gas y equipos químicos modernos. Puede soportar tensiones complejas en condiciones de oxidación y corrosión por gas de 600 a 1100 grados y puede funcionar de manera confiable durante mucho tiempo.
En la actualidad, entre las superaleaciones de deformación, las más utilizadas son las superaleaciones a base de hierro y las superaleaciones a base de níquel. Las aleaciones a base de hierro se utilizan más como discos de turbinas, discos de compresores, cámaras de combustión de anillos de cojinetes y álabes, y sus características de composición son principalmente hierro, que contienen una gran cantidad de níquel, cromo y otros elementos. Según sus características de fortalecimiento, se puede dividir en tipo de endurecimiento por envejecimiento débil, tipo de endurecimiento por envejecimiento en solución sólida, tipo de endurecimiento por envejecimiento con carburo y tipo de endurecimiento por envejecimiento compuesto intermetálico.
Las aleaciones a base de níquel son las más utilizadas en la fabricación de álabes de turbinas, cámaras de combustión, discos de turbinas, discos de compresores y álabes de compresores, cuya composición se caracteriza por ser de base níquel, conteniendo ω (Cr) del 10% al 20%, formando aleaciones a base de níquel. matriz de austenita. Además, algunas aleaciones también contienen entre un 10% y un 20% de ω (Co), formando una matriz de austenita de níquel-cromo-cobalto. Según su tipo de fortalecimiento, se puede dividir en tipo de fortalecimiento de solución sólida y tipo de fortalecimiento de envejecimiento.
Las propiedades de la superaleación dependen principalmente de la composición y microestructura de la aleación. El tipo, estructura, forma, tamaño, cantidad y distribución de la fase precipitada son particularmente importantes en la microestructura. Los precipitados comunes en las aleaciones a base de hierro y níquel son compuestos intermetálicos, carburos y boruros. Todos estos compuestos pueden regularse y controlarse mediante tratamiento térmico, y su morfología y distribución también pueden modificarse mediante deformación.
El tratamiento térmico de superaleaciones deformadas generalmente consiste en un tratamiento en solución sólida, un tratamiento intermedio (también conocido como tratamiento secundario en solución sólida) y un tratamiento de envejecimiento. El propósito del tratamiento de solución es obtener una solución sólida sobresaturada uniforme y controlar el tamaño de grano apropiado. El objetivo del tratamiento térmico intermedio es cambiar el estado del carburo y obtener dos fases diferentes con diferentes tamaños. El propósito del tratamiento de envejecimiento es hacer que la fase reforzada precipite total y uniformemente, para lograr el efecto del endurecimiento por precipitación, la selección de temperatura, tiempo y frecuencia, para obtener el número de fase reforzada, la forma y la distribución es apropiada como criterio. El núcleo del proceso de deformación en caliente de superaleaciones deformadas es la plasticidad del proceso y la deformación crítica de cristales gruesos.
1.Características de la deformación de la superaleación.
1) Baja plasticidad, la superaleación debido al alto grado de aleación, tiene una estructura heterogénea y una composición de fases compleja, por lo tanto, la plasticidad del proceso es baja. Especialmente a altas temperaturas, cuando están contenidos elementos impuros como S, Pb, Sn, la fuerza de unión entre los granos a menudo se debilita y la plasticidad se reduce. Las superaleaciones generalmente utilizan el contenido total de elementos de refuerzo de aluminio y titanio para determinar el nivel de plasticidad; cuando el contenido total es mayor o igual al 6%, la plasticidad será muy baja. La ductilidad del proceso de la superaleación a base de níquel es menor que la de la superaleación a base de hierro. La plasticidad del proceso de superaleaciones es muy sensible a la velocidad de deformación y al estado de tensión. Algunos lingotes de aleación y palanquillas intermedias deben formarse mediante deformación y recalcado a baja velocidad, laminación e incluso extrusión.
2) Gran resistencia a la deformación, debido a la compleja composición de la superaleación, alta temperatura de recristalización, baja velocidad, tiene una alta resistencia a la deformación y tendencia al endurecimiento a la temperatura de deformación, la resistencia a la deformación es generalmente de 4 a 7 veces mayor que la del acero estructural ordinario.
3) El rango de temperatura de forjado es estrecho, el punto de fusión de la superaleación es bajo en comparación con el acero y la temperatura de calentamiento es demasiado alta para provocar sobrecalentamiento y quemado excesivo. Si la temperatura de parada de la forja es demasiado baja, la plasticidad es baja, la resistencia a la deformación es grande y la deformación mixta en frío y en caliente es fácil de hacer que la forja produzca cristales gruesos desiguales. Por lo tanto, el rango de temperatura de forjado de superaleaciones es muy estrecho, generalmente solo alrededor de 200 grados C. El rango de temperaturas de forjado de aleaciones resistentes al calor a base de níquel es más estrecho, la mayoría de ellas están entre 100 y 150 grados C, y algunas son incluso menores que 100 grados centígrados.
4) La conductividad térmica es pobre y la conductividad térmica de la superaleación a baja temperatura es mucho menor que la del acero al carbono, por lo que generalmente es necesario precalentar lentamente en el rango de 700 ~ 800 grados C, de lo contrario causará una gran temperatura. tensión, de modo que el metal que se calienta queda en un estado quebradizo.
2.Plasticidad del proceso de superaleación.
1) Debido a la adición de una gran cantidad de elementos de aleación, se mejora la resistencia al calor de la superaleación, pero la plasticidad del proceso se reduce considerablemente. La alta aleación da como resultado una segregación severa y cristales columnares gruesos. En el eslabón débil del límite de grano de la dendrita primaria, es fácil que se produzcan grietas a lo largo del límite de grano. Debido a la segregación de dendrita, el contenido de elementos de aleación en la primera parte cristalizada es bajo y el contenido de elementos de aleación en la parte del borde de la dendrita es alto, por lo que los carburos y compuestos intermetálicos se concentran en la parte del borde de la dendrita, lo que reduce la maleabilidad. de la aleación.
2) La alta aleación hace que la plasticidad de la barra de superaleación sea mucho menor que la del acero de aleación ordinario. Debido a que una gran cantidad de elementos de aleación están enriquecidos en la región del límite de grano, la resistencia del límite de grano es menor que la resistencia intragrano a alta temperatura, y muchas de las partículas de la fase reforzada no se disuelven todas en la solución sólida dentro de la temperatura de deformación. rango, como carburo y boruro, etc., de modo que además de , también hay fases reforzadas involucradas en la deformación, es decir, la deformación no se lleva a cabo en un estado monofásico. Por lo tanto, la plasticidad del proceso de la varilla de laminación de superaleación también es relativamente baja. Por lo tanto, en la formulación de procedimientos de proceso de forja de superaleaciones, primero se debe medir la plasticidad del proceso de la aleación.
3.Determinación de la temperatura de deformación de la superaleación.
1) El principio de determinar la temperatura de deformación de la superaleación, debido a la complejidad del grado de aleación de la superaleación, la temperatura de fusión inicial de la aleación disminuye y la temperatura de disolución de la fase de recristalización y fortalecimiento aumenta, lo que hace que la temperatura de deformación se vuelva más estrecha. y más estrecho. Por tanto, a la hora de determinar la temperatura de deformación, además de asegurar la plasticidad del proceso y cumplir con el conformado, también se debe atender a la necesidad de obtener una buena organización y propiedades. Para mantener la red de dislocación celular en la microestructura de las superaleaciones forjadas y obtener granos finos y uniformes y buenas propiedades, la temperatura de deformación de la forja debe ser menor que la temperatura de crecimiento del grano, y la temperatura de forja final debe ser cercana (ligeramente mayor) a la temperatura de disolución de las partículas de la segunda fase en la solución sólida y la temperatura de recristalización.
Descubriendo el misterio de la forja de superaleaciones: creando el material de superhéroe de la industria
2) La especificación de calentamiento de la superaleación, el calentamiento de la superaleación se divide en dos etapas de precalentamiento y calentamiento. Para acortar el tiempo de retención de la superaleación a la temperatura de calentamiento de forja, se debe evitar el engrosamiento excesivo del grano y el agotamiento del elemento de aleación; Al mismo tiempo, para reducir el estrés térmico causado por la mala conductividad térmica y el alto coeficiente de expansión térmica de la superaleación, la pieza en bruto debe precalentarse antes de forjar. La temperatura de precalentamiento es de 750 ~ 800 grados y el tiempo de mantenimiento se calcula como 0.6 ~ 0.8min/mm. La temperatura de calentamiento es generalmente de 1100 ~ 1180 grados C y el tiempo de mantenimiento es de 0,4 ~ 0,8 min/mm. El equipo de calefacción puede utilizar un horno de resistencia, equipado con un termómetro y un dispositivo de control de temperatura de ajuste automático para un control preciso. Cuando se selecciona el horno de llama, el contenido de azufre en el combustible debe controlarse estrictamente: el contenido de azufre en el diésel o el petróleo pesado debe ser inferior al 0,5%; El contenido de azufre del gas debe ser inferior a 0,7 g/m3. El contenido excesivo de azufre en el combustible formará un eutéctico Ni-Ni3S3 con un punto de fusión bajo (≈650 grados) cuando penetra en la superficie del tocho, lo que hace que la aleación se vuelva quebradiza en caliente. Es necesario tomar menos medidas de calentamiento por oxidación o ninguna para evitar el agotamiento de cromo, aluminio, titanio y otros elementos en la superficie de la pieza en bruto, y reducir la resistencia a la fatiga y la resistencia duradera a altas temperaturas de la aleación. Se puede utilizar calentamiento por inducción local en el preforjado de piezas en bruto. Antes de calentar, se debe limpiar la pieza en bruto para eliminar la suciedad y evitar defectos superficiales debido a la corrosión. Al forjar con múltiples fuegos, la temperatura de calentamiento de la forja debe reducirse con la extensión del intervalo de tiempo entre los dos fuegos para evitar el crecimiento del grano que ha ocurrido por recristalización estática; al mismo tiempo, la temperatura de recalentamiento también debe ser menor con el más cercano. Al producto forjado terminado, menor será la deformación.
4.Determinación del grado de deformación de la superaleación.
1) El principio de determinar el grado de deformación de las superaleaciones.
Debido al alto grado de aleación, el rango de temperatura de deformación de la superaleación es estrecho y no hay mucho margen de ajuste. Además, la superaleación no tiene transición de isomerización y el tamaño de grano de la aleación está controlado principalmente por la deformación de la forja. Por lo tanto, una vez determinada la temperatura de deformación, la elección del grado de deformación es muy importante. A una determinada temperatura de forjado, la deformación de cada orden de calentamiento debe ser mayor que el grado de deformación crítico y menor que el grado de deformación correspondiente de la segunda región de crecimiento de grano. Bajo la premisa de cumplir con los requisitos de plasticidad y disposición del proceso (preforjado), cada deformación debe ser profunda y uniforme, y tratar de evitar una deformación desigual; de lo contrario, se producirán cristales gruesos con bandas y cristales gruesos locales. Los cristales gruesos de las superaleaciones tienen cierta terquedad genética y es difícil cambiar los cristales gruesos producidos por una sola deformación no uniforme cuando el grado de deformación no es lo suficientemente grande en la deformación inmediata. Para obtener una microestructura y propiedades satisfactorias, una temperatura de calentamiento más baja y un mayor grado de deformación, se debe utilizar la fase de precipitación para controlar la microestructura, mejorar el tamaño del grano y el estado límite del grano durante la deformación final de la forja.
Además del tamaño del grano, el estado límite del grano también es un factor importante de la microestructura. Desde el punto de vista del fortalecimiento y endurecimiento de los límites de grano, el control de la organización de los límites de grano tiene las siguientes leyes:
(1) La falta de fase de precipitación en el límite del grano puede convertirse fácilmente en un canal de grieta.
(2) La fase gruesa y el carburo se distribuyen uniformemente en los límites de los granos, lo que fortalecerá y endurecerá los límites de los granos de la aleación.
(3) Hay partes de relajación de tensiones en la zona agotada del límite de grano, que pueden reducir la resistencia al corte y expandir el área de concentración de deformación. Por lo tanto, cuando la resistencia del límite de grano es demasiado alta, la zona agotada juega un papel beneficioso.
(4) La formación de fases continuas de carburo de película delgada en el límite del grano hace que la aleación sea sensible a las entalladuras.
(5) La formación de carburos celulares en los límites de grano tiene un efecto adverso sobre la resistencia y el endurecimiento de los límites de grano de la aleación.
Por lo tanto, además de un sistema de tratamiento térmico razonable, en el proceso de forja, a través de una distribución razonable de la deformación, especialmente para aumentar el grado de deformación final de la forja del último fuego, para mejorar el estado límite del grano, la coincidencia de la resistencia del límite del grano y del grano. , para obtener buenas propiedades organizativas, es sin duda muy importante.
2)Generalmente las superaleaciones deformadas son más sensibles a la deformación crítica., y el grado de deformación crítica generalmente varía dentro de un amplio rango ({{0}}.5% ~ 20%), el valor específico varía con la aleación y el grado de deformación crítica de la La misma aleación es diferente a diferentes temperaturas de calentamiento. Por ejemplo, el grado de deformación crítica total de la aleación GH4049 es del 0,1 % al 7 %. El grado de deformación crítica total de la aleación GH4220 es 0,6%-4.7% a 1150 grados y 0,1%-3% a 1180 grados, pero el grado de deformación crítico a diferentes temperaturas de forjado, el grado de deformación a la El grano máximo y el diámetro máximo de deformación crítica no son lo mismo. El diámetro del cristal grueso de deformación crítica es varios órdenes de magnitud mayor que el del grano normal, siendo el más grande de 10 mm y el más pequeño de 1 mm.
5.Influencia de los parámetros del proceso de forja en la microestructura y propiedades de la superaleación.
La elección adecuada de los parámetros del proceso de forjado y posterior tratamiento térmico afecta directamente a las propiedades mecánicas de las piezas forjadas. Los resultados de las pruebas de varias aleaciones se enumeran a continuación como referencia en la selección de parámetros de procesamiento de calentamiento.
1) Efecto de la temperatura de calentamiento sobre la microestructura y propiedades de la aleación GH2036
La temperatura de calentamiento permitida del disco de turbina de aleación GH2036 antes de forjar es de 1190 grados. Si la aleación se calienta a 1220 grados durante 2 h, las muestras de tracción y de impacto cambian de fractura transgranular a fractura intergranular, es decir, la aleación se sobrecalienta. Si la aleación se calienta durante 2 horas a 1250 grados y 1280 grados, el límite de grano de la aleación produce una fusión inicial local, es decir, la aleación se quema excesivamente. La fractura intergranular ocurre tanto en muestras de tracción como de impacto, y las propiedades generales de la aleación disminuyen. Influencia del calentamiento a alta temperatura en las propiedades de la aleación GH2036; las propiedades de impacto, tracción y durabilidad de la aleación se deterioran con el aumento de la temperatura de calentamiento.
2) Efecto de la temperatura de deformación final sobre las propiedades de la aleación GH4169.
Cuando el grado de deformación final es del 25%, la sensibilidad a la muesca se puede eliminar controlando la temperatura de deformación final a 900 ~ 955 grados, y el aumento de la temperatura de deformación final hará que el grano de la aleación se vuelva desigual y reduzca su plasticidad, lo que resultará en sensibilidad de muesca. 3) Influencia del tamaño de grano en el rendimiento
3)Efecto del tamaño de grano sobre las propiedades.
El grano más grueso puede aumentar la resistencia duradera y la resistencia a la fluencia, mientras que el grano más fino puede aumentar el límite elástico y la resistencia a la fatiga. El tamaño de grano uniforme es beneficioso para las propiedades de la aleación. La vida de fractura de los cristales gruesos es más corta que la de los cristales finos. El efecto integral del tamaño de grano en las propiedades de la aleación GH4169 muestra que el límite elástico y la resistencia a la fatiga de la aleación GH4169 obviamente mejoran mediante el refinamiento del grano, pero la resistencia a la fatiga a temperaturas superiores a 600 grados disminuye. La influencia sobre la resistencia permanente de la aleación depende de la forma de fractura (fractura transgranular o intergranular), es decir, la temperatura de la aleación está relacionada.
4) Influencia de los parámetros térmicos del proceso en la recristalización dinámica.
Cuando el grado de deformación es superior al 30%, cuando la aleación GH4169 se forja en el martillo o en la prensa hidráulica, la temperatura inicial de recristalización dinámica es aproximadamente entre 930 ~ 960 grados, y cuando se forja isotérmica, es aproximadamente 930 ~ 940 grados.
La recristalización dinámica de la aleación GH4169 se facilita aumentando la temperatura de forjado, aumentando el grado de deformación, adoptando una tasa de deformación mayor o menor y aplicando deformación múltiple.
