Schmiedeteile aus Superlegierungen auf Nickelbasis: Wärmebehandlung zur Korngrößenkontrolle in kritischen rotierenden Teilen

Turbinenscheiben, Kompressorscheiben, Wellen und Rotorschmiedeteile drehen sich Tausende von Stunden lang mit hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur. Ein Fehler ist kein Leck; es ist ein katastrophales Ereignis. Bei diesen Teilen ist die Größe der Metallkörner kein kosmetisches Detail. Sie entscheidet darüber, wie das Teil Ermüdungsrissen, Kriechen und langsamem Risswachstum standhält. In diesem Leitfaden wird erklärt, wie die Wärmebehandlung die Korngröße in Schmiedestücken aus Superlegierungen auf Nickelbasis festlegt, wie die wichtigsten Methoden im Vergleich aussehen und was Käufer angeben und überprüfen sollten.

Die Korngröße in einem Superlegierungsschmiedestück wird durch das Zusammenwirken zweier Faktoren bestimmt: der Warmbearbeitungsgeschichte, die die Körner erzeugt, und der Wärmebehandlungstemperatur im Verhältnis zur Temperatur, bei der sich die Festigungs- oder Fixierungspartikel auflösen. Bei einer Lösung unterhalb dieser Temperatur bleiben die Körner fein (bessere Zug- und Ermüdungsfestigkeit); Eine Lösung darüber lässt die Körner grob werden (besserer Kriech- und Verweilrisswachstumswiderstand). Bei der Dual-Mikrostruktur-Behandlung wird versucht, jedem Teil einer Scheibe die erforderliche Korngröße zu verleihen.

Warum spielt die Korngröße in kritischen rotierenden Teilen eine Rolle?

Denn feine und grobe Körnung schützt vor unterschiedlichen Ausfallarten. Feine Körner sorgen für eine höhere Zugfestigkeit und eine bessere Kurzzeitermüdungsbeständigkeit; Grobe Körner sorgen für eine bessere Kriech- und Verweilrisswachstumsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Keine einzelne Korngröße ist überall in einem rotierenden Teil optimal.

Ein Korn ist ein winziger Kristall. Die Grenzen zwischen den Körnern sind bei hohen Temperaturen Schwachstellen, an denen sich Metall langsam verformen (kriechen) kann. Bei niedrigeren Temperaturen ist das Gegenteil der Fall: Grenzen blockieren Risse, sodass mehr Grenzen (feinere Körner) ein stärkeres, ermüdungsbeständigeres Metall bedeuten. Eine Festplatte hat beide Bedingungen gleichzeitig. Die Bohrung (Mitte) ist kühler und unterliegt hohen Belastungszyklen. Die Felge wird heißer und sitzt unter Dauerlast.

Tabelle 1. Der Korngrößen-Kompromiss in Scheibenlegierungen, wie in der veröffentlichten Literatur zur Wärmebehandlung von Gasturbinenscheiben beschrieben.

Was steuert die Korngröße in einem Schmiedestück aus einer Superlegierung auf Nickelbasis?

Drei Hebel steuern es: wie stark und wie heiß das Metall beim Schmieden verformt wird, welche Partikel vorhanden sind, um Korngrenzen zu fixieren, und die endgültige Lösungsbehandlungstemperatur im Verhältnis zur Lösungstemperatur (die Temperatur, bei der sich diese Partikel auflösen).

Beim Schmieden entstehen durch Verformung durch Rekristallisation neue, kleine Körner. Beim späteren Erhitzen neigen diese Körner dazu, zu wachsen, da große Körner eine kleinere Grenzfläche und daher eine geringere Energie haben. An Korngrenzen sitzende Hartpartikel wirken wie Anker und stoppen dieses Wachstum. InLegierung 718die Verankerungsphase ist Delta (δ); in Pulvermetall-Scheibenlegierungen ist es grobe primäre Gamma-Primzahl ( ′). Sobald die Wärmebehandlungstemperatur den Punkt überschreitet, an dem sich die Anker auflösen, können Körner schnell wachsen. Aus diesem Grund ist die Lösungstemperatur die wichtigste Größe bei der Korngrößenkontrolle.

Wie steuert die Delta-Phase die Korngröße in Inconel 718?

Die Delta-Phase ist eine niobreiche Phase, die sich an Korngrenzen zwischen etwa 800 und 1000 Grad bildet. Während des Schmiedens und der Lösungsbehandlung werden Grenzen gesetzt, sodass die Legierung 718 feinkörnig bleibt, solange die Lösungstemperatur unter der Delta-Lösungstemperatur von etwa 1010–1020 Grad bleibt.

Fälscher nutzen dies gezielt aus. Bei der „Delta-Verarbeitung“ wird die Delta-Phase des Materials vor und während des Schmiedens ausgeschieden, sodass die Körner beim späteren Erhitzen des Teils klein bleiben. Veröffentlichte Daten zeigen, wie empfindlich die Korngröße auf Temperatur und Delta-Gehalt reagiert. In einer Studie mit ultrafeinen 718-Knüppeln hinterließ eine Lösung von 1800 Grad F (etwa 980 Grad) über 5 Stunden etwa 2,6 % Delta und ergab eine ASTM 9-Korngröße, während 1850 Grad F (etwa 1010 Grad) über 1 Stunde etwa 4,6 % Delta hinterließ und ASTM 10 ergab. In einer separaten groß angelegten Scheibenstudie ergab die Standardlösung bei 954 Grad eine gleichmäßige Korngröße ASTM 11–12-Struktur aus deltaverarbeitetem Material.

Tabelle 2. Einfluss der Lösungstemperatur und der Deltaphase auf die Korngröße der Legierung 718. Quellen: TMS Superalloys-Verfahren (1992, 2001) und Patentliteratur zur Wärmebehandlung von Alloy 718. ASTM-Nummern sind ASTM E112-Korngrößennummern; höher bedeutet feiner.

Das Mitnehmen ist ein Kompromiss. Die Delta-Phase hilft dabei, die Korngröße beizubehalten, kann aber an den Korngrenzen auch die Duktilität und das Spannungskorrosionsverhalten beeinflussen, weshalb sie bei einigen Anwendungen absichtlich aufgelöst wird. In einem veröffentlichten Patent zur Spannungskorrosionsbeständigkeit wird berichtet, dass durch das Glühen über der Delta-Lösungsgrenze Grenzdelta entfernt, aber die Körner von ASTM 8 bis ASTM 3 vergröbert wurden. Aus diesem Grund wird die Lösungstemperatur für die Anwendung ausgewählt und nicht aus einer generischen Tabelle kopiert.

Was ist der Unterschied zwischen Subsolvus- und Supersolvus-Wärmebehandlung?

Die Behandlung mit einer Subsolvus-Lösung erfolgt unterhalb der Gamma-Primär-Lösungslösung, hinterlässt grobe Primärpartikel, die Körner festhalten, und ergibt feine Körner. Die Supersolvus-Behandlung erfolgt über der Lösungsgrenze, löst diese Partikel auf und lässt die Körner vergröbern. Ersteres begünstigt Kraft und Ermüdung; die zweite begünstigt die Kriech- und Risswachstumsbeständigkeit.

Diese Wahl gilt hauptsächlich für hochlegierte, mit Gamma-Strich verstärkte Pulvermetallscheibenlegierungen wie René 88DT, deren Gamma-Strich-Lösungstemperatur bei etwa 1110–1116 Grad (2030–2040 Grad F) angegeben wurde. In veröffentlichten Arbeiten zu diesen Legierungen wird festgestellt, dass Subsolvus-Behandlungen etwa 10–20 % der groben Primärpartikel zurückhalten, die das Kornwachstum einschränken, während Supersolvus-Behandlungen diese Einschränkung aufheben und das Wachstum der Körner ermöglichen.

Tabelle 3. Subsolvus- und Supersolvus-Lösungsbehandlung für Gamma-Strich-verstärkte Scheibenlegierungen. Quellen: TMS Superalloys-Berichte, NASA-Scheibenstudien und GE-Patentliteratur.

Die Supersolvus-Verarbeitung war von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von René 88DT, bei der erwartet wurde, dass die durch die Supersolvus-Lösungsbehandlung erzeugte gröbere Korngröße das Kriechen begünstigt, und das Programm zielte auf eine deutliche Verringerung der Wachstumsrate von Ermüdungsrissen im Vergleich zu René 95 ab. Die Supersolvus-Behandlung dieser Legierungsklasse kann grobe Korngrößen erzeugen, die ASTM 6 nahe kommen, und so die Widerstandsfähigkeit gegen das Wachstum von Dauerermüdungsrissen verbessern.

Was ist die Standardwärmebehandlung für Inconel 718-Schmiedeteile?

Lösungsglühen bei etwa 925–1010 Grad, gefolgt von einer schnellen Abkühlung, dann einer zweistufigen Alterung: 8 Stunden lang bei 718 Grad, im Ofen auf etwa 620 Grad abkühlen, insgesamt 18 Stunden lang aushärten lassen, dann an der Luft abkühlen. Wenn die Lösungsstufe unterhalb der Delta-Lösungsgrenze gehalten wird, bleibt die Feinkörnigkeit erhalten.

Tabelle 4. Typischer Lösungs- und Alterungszyklus von Alloy 718. Quellen: Lieferantendatenblätter mit Verweis auf die AMS 5662/5663-Praxis. Befolgen Sie immer die maßgeblichen Spezifikationen und die Bestellung.

Die Alterungsschritte verändern die Korngröße nicht wesentlich, da 718 Grad und 620 Grad deutlich unter den Lösungstemperaturen liegen. Sie beschleunigen die Stärkungsphasen (″ und ′). Die Korngröße wird daher durch den Schmiedeweg und den Lösungsschritt festgelegt; Das Altern verleiht dann Stärke.

Was ist eine duale Mikrostruktur-Wärmebehandlung und warum wird sie für Scheiben verwendet?

Die Wärmebehandlung mit doppelter Mikrostruktur verleiht einer Scheibe eine feinkörnige, hochfeste Bohrung und einen grobkörnigen, kriechfesten Rand, indem die beiden Bereiche auf unterschiedliche Temperaturen relativ zur Lösungstemperatur erhitzt werden. Ziel ist es, den Einheitskompromiss zu beseitigen.

Eine gleichmäßige Wärmebehandlung führt zu einer gleichmäßigen Korngröße in der gesamten Scheibe, entweder fein oder grob, was einen Kompromiss erzwingt. Bei einer Doppelbehandlung wird der Rand über die Gamma-Primär-Lösungsgrenze gebracht, um ihn zu vergröbern, während die Bohrung unter der Lösungsgrenze gehalten wird. Bei der Forschung zur fortschrittlichen Scheibenlegierung LSHR wurden Subsolvus- und Supersolvus-Optionen sowie mehrere Dual-Struktur-Optionen untersucht, die eine feinkörnige, hochfeste Bohrung und einen grobkörnigen, kriechfesten Rand liefern sollen.

Die Methode hat ihre eigene Herausforderung: die Übergangszone zwischen feinen und groben Bereichen. NASA-Forscher haben Ermüdungsversagensmodi in der Korngrößenübergangszone einer Scheibe mit doppelter Mikrostruktur untersucht, und Wärmebehandlungspatente weisen auf ein weiteres Prozessrisiko hin, nämlich dass eine Bohrungstemperatur, die zu weit unter der Lösungstemperatur liegt, zu einer Überalterung des Gammaprimes führen und den Vorteil zunichte machen kann. Die Behandlung mit zwei Mikrostrukturen erfordert eine präzise thermische Kontrolle und gründliche Tests.

Welche Mängel kann eine schlechte Korngrößenkontrolle verursachen?

Die Hauptfehler sind ungewöhnlich grobe Körner (kritisches Kornwachstum), gemischte oder bandförmige Kornstrukturen, überwachsene Körner aufgrund zu hoher Lösungstemperaturen sowie Eigenspannungen oder Abschreckrisse, die alle die Ermüdungslebensdauer verkürzen oder die Ergebnisse unvorhersehbar machen können.

Tabelle 5. Häufige korngrößenbedingte Fehler bei Schmiedestücken aus Superlegierungen und deren Vermeidung.

Wie sollten Käufer die Korngröße angeben und überprüfen?

Geben Sie die Legierung und die maßgeblichen Spezifikationen, den erforderlichen ASTM E112-Korngrößenbereich (und alle maximal zulässigen Grobkörner), die Testorte und die Wärmebehandlungsroute an und fordern Sie dann Zertifikate und Metallografien an, die dies belegen.

Die Korngröße wird auf der ASTM E112-Skala angegeben, wobei eine größere Zahl ein feineres Korn bedeutet. Die folgende Tabelle gibt die ungefähren durchschnittlichen Korndurchmesser für die bei Schmiedestücken aus Superlegierungen üblicherweise vorkommenden Zahlen an.

Tabelle 6. Ungefähre ASTM E112-Korngrößenumrechnungen.

Tabelle 7. Käufer-Checkliste für Schmiedeteile aus Superlegierungen mit kritischer Korngröße.

Häufig gestellte Fragen

Durch die Schmiedeverformung entstehen die Körner, festgehaltene Partikel (Deltaphase in Legierung 718, grobe primäre Gamma-Primzahl in Scheibenlegierungen) halten sie zurück, und die Lösungstemperatur im Verhältnis zur Lösungstemperatur entscheidet darüber, ob diese Partikel bleiben oder sich auflösen.

Wie groß ist die Delta-Solvus von Inconel 718?

Ungefähr 1010–1020 Grad. Die veröffentlichten Werte schwanken geringfügig, da die Lösung von der Zeit, der Morphologie und dem lokalen Niobgehalt abhängt. Eine Studie berichtet über einen berechneten Gleichgewichtswert nahe 1033 Grad und einen scheinbaren Wert nahe 1020 Grad.

Was ist Subsolvus- und Supersolvus-Wärmebehandlung?

Subsolvus ist eine Lösungsbehandlung unterhalb der Gamma-Primärlösung und ergibt feine Körner sowie bessere Zug- und Ermüdungseigenschaften. Supersolvus liegt über dem Solvus und sorgt für grobe Körner und eine bessere Kriech- und Risswachstumsbeständigkeit.

Warum nicht jedes Korn grob machen, um Kriechfestigkeit zu erreichen?

Grobe Körner verringern die Zug- und Dauerschwingfestigkeit, die an der kühleren, stark beanspruchten Bohrung einer Scheibe von Bedeutung sind. Aus diesem Grund gibt es Behandlungen mit dualer Mikrostruktur.

Was ist die Standardwärmebehandlung für Inconel 718?

Lösungsglühen bei etwa 925–1010 Grad mit schneller Abkühlung, dann Altern bei 718 Grad für 8 Stunden, Abkühlen im Ofen auf etwa 620 Grad, Halten für insgesamt 18 Stunden und Abkühlen an der Luft.

Was ist kritisches Kornwachstum?

Ungewöhnlich grobe Körner, die sich in Bereichen mit kritischer Dehnung nach einer Supersolvus-Wärmebehandlung von Pulvermetalllegierungen wie René 88DT bilden. Es handelt sich um ein bekanntes Schmiede- und Wärmebehandlungsrisiko, das durch Verarbeitungskontrollen verhindert werden soll.