Temperatura di forgiatura dell'Inconel 718: intervallo di lavoro a caldo e controllo della dimensione dei grani per parti aerospaziali

Qual è il corretto intervallo di temperature-di esercizio a caldo per Inconel 718?

Metalli speciali specifica la formatura a caldo dell'Inconel 718 nell'intervallo di 900-1.120 gradi (1.650-2.050 gradi F), ma l'ultima operazione dovrebbe lavorare il metallo in modo uniforme con una temperatura gradualmente decrescente e terminare con una leggera riduzione specificatamente nell'intervallo di 900-955 gradi (1.650-1.750 gradi F). La temperatura di finitura, non quella iniziale, è ciò che determina il struttura finale del grano della forgiatura e proprietà di rottura.

Queste linee guida in due-parti sono importanti perché Inconel 718 si comporta in modo molto diverso nella parte superiore e inferiore del suo hot{2}}range di lavoro. All'estremità superiore (vicino a 2.000-2.050 gradi F), il niobio rinforzante della lega è completamente disciolto e la crescita del grano procede prontamente durante qualsiasi successivo ammollo; all'estremità inferiore (1.650-1.750 gradi F), le particelle fini della fase delta-(Ni3Nb) iniziano a formarsi ai bordi dei grani e le fissano fisicamente in posizione, resistendo all'ulteriore crescita. Un programma di forgiatura che inizia a caldo per la generazione di forme sfuse e si raffredda progressivamente fino a diventare un passaggio di finitura fine è deliberatamente progettato per sfruttare entrambi gli effetti: passaggi ad alta-temperatura per un movimento efficiente del metallo con forza inferiore e un passaggio finale a bassa temperatura per bloccare una struttura a grana fine e uniforme prima che la parte venga sottoposta al trattamento termico.

Perché l'Inconel 718 richiede una forza di forgiatura molto maggiore rispetto all'acciaio o ad altre leghe di nichel?

A una data riduzione e temperatura, l'Inconel 718 sviluppa circa 2-3 volte la pressione tra i cilindri-dell'acciaio dolce e notevolmente di più rispetto alle leghe di nichel come Inconel 600 o X-750, motivo per cui Special Metals afferma chiaramente che la lega "è facilmente lavorabile a caldo se si utilizzano attrezzature sufficientemente potenti" - attrezzature sottodimensionate sono un percorso diretto verso riduzioni incomplete e i problemi di grana duplex discussi di seguito.

Fonte: Special Metals Corporation, pressione sviluppata nell'intervallo tra i cilindri con una riduzione del 20%, bollettino tecnico SMC-045 della lega INCONEL 718.

Questa tabella è un utile promemoria quantitativo del fatto che i problemi di fucinabilità dell'Inconel 718 non riguardano principalmente il controllo della temperatura - ma riguardano la resistenza meccanica alla deformazione. Una pressa o un martello con un'adeguata capacità di riserva alla temperatura di lavoro prevista è un prerequisito per il programma di riduzione e il controllo della dimensione dei grani- discussi nel resto di questo articolo; una macchina che è semplicemente adeguata per i forgiati in acciaio inossidabile o Inconel 600 avrà difficoltà a ottenere riduzioni complete in 718 alla stessa temperatura.

In che modo la temperatura finale di forgiatura influisce sulla durata della rottura e sulla duttilità dell'intaglio?

Le prove di forgiatura di Special Metals mostrano una relazione drammatica e diretta tra la temperatura di finitura e la durata della rottura dell'intaglio: la finitura della barra-forgiata a 1.650 gradi F è sopravvissuta per oltre 426 ore a 1.200 gradi F/100 ksi senza fallire (il test è stato interrotto), mentre la finitura in materiale identico-forgiata a 2.050 gradi F ha fallito in circa 16 ore nello stesso test - a differenza di oltre 25 volte determinata dalla sola temperatura di finitura.

Fonte: Special Metals Corporation, effetto della temperatura di formatura a caldo- sulle proprietà di rottura (barra quadrata da 0,75- pollici, riduzione del 25% in un passaggio, test di rottura a 1.200 gradi F/100 ksi dopo ricottura e invecchiamento standard), bollettino tecnico della lega INCONEL 718 SMC-045.

Si noti che la durata della rottura della barra-liscia non tiene traccia della temperatura di finitura in modo così preciso come la durata della barra-con tacca - in realtà è massima a 1.950 gradi F in questo set di dati, non alla temperatura di finitura più bassa. Questa distinzione è estremamente importante per l'hardware aerospaziale reale: la durata di rottura della barra-liscia descrive un campione di prova idealizzato,-esente da difetti, mentre la durata di rottura della barra-intaglio modella le concentrazioni di stress che esistono in ogni raccordo, foro e radice della filettatura su un disco o anello reale. Poiché i guasti in servizio-iniziano quasi sempre a una concentrazione di stress geometrico, l'intaglio-duttilità di rottura - la resistenza della barra -non liscia - è la proprietà che dovrebbe guidare la decisione sulla-temperatura di finitura per i componenti rotanti limitati da stress-rottura-.

Perché le riduzioni della forgiatura devono essere uniformi e cosa succede se non lo sono?

Una riduzione non uniforme o insufficiente produce direttamente una struttura duplex (mista a grana fine-e-grossolana), motivo per cui Special Metals specifica riduzioni finali minime del 20% per i lavori a matrice aperta- e del 10% per i lavori a matrice chiusa-e richiede che qualsiasi sezione del pezzo che si raffredda al di sotto di 1.650 gradi F durante la forgiatura venga riscaldata prima di continuare a - lavorare una sezione parzialmente raffreddata è una delle cause più comuni di grana duplex in pratica.

La struttura a grana duplex si verifica quando diverse regioni di una forgiatura sperimentano quantità diverse di deformazione effettiva alla temperatura -, ad esempio, un angolo o una sezione sottile che si raffredda più velocemente della maggior parte della parte o un programma di riduzione in cui parte del materiale si deforma a malapena mentre il materiale adiacente viene lavorato pesantemente. Le regioni leggermente lavorate mantengono la grana più grossolana e meno-raffinata mentre le regioni molto lavorate si ricristallizzano finemente; il risultato è una microstruttura di dimensione mista-grano-direttamente analoga alla riga di 2.050 gradi F nella tabella sopra.

Le linee guida di Special Metals sono specifiche e attuabili: portare il pezzo a temperatura, immergerlo solo brevemente per garantire l'uniformità (un'immersione prolungata è esplicitamente sconsigliata), riscaldare qualsiasi regione che scenda al di sotto di 1.650 gradi F e applicare riduzioni il più uniformemente possibile su tutta la parte anziché concentrare la deformazione in un'area.

In che modo la temperatura di ricottura post-forgiatura controlla la dimensione dei grani?

La temperatura di ricottura imposta direttamente la dimensione finale del grano perché controlla la quantità di fase delta (Ni3Nb) disponibile per fissare i bordi del grano: la ricottura entro circa 1.650-1.850 gradi F mantiene una fase delta sufficiente nella microstruttura per frenare la crescita del grano e produrre un grano fine, mentre la ricottura al di sopra di circa 1.900 gradi F dissolve progressivamente più fase delta, rimuovendo l'effetto di fissazione e consentendo al grano di ingrossarsi.

I dati di Special Metals sull'effetto di una ricottura di 30-minuti a temperature comprese tra 1.650 gradi F e 1.950 gradi F mostrano che la dimensione media del grano (espressa come numero di dimensione del grano ASTM, dove un numero più alto indica un grano più fine) diventa progressivamente più grossolana man mano che la temperatura di ricottura aumenta attraverso questo intervallo, su ogni livello di precedente lavorazione a freddo testata.

Questa è la versione pratica e quotidiana della stessa fisica dietro l'effetto della temperatura di forgiatura-finitura-discusso sopra: se la fase delta che promuove-grana fine-viene preservata o dissolta dipende da quale lato di circa 1.850-1.900 gradi F su cui il metallo trascorre il suo tempo, se quel tempo proviene da un passaggio di finitura della forgiatura, da una solubilizzazione o da qualsiasi altra esposizione a temperature elevate.

Quale trattamento termico dovresti specificare - 1, 700-1.850 gradi F o 1.900-1.950 gradi F Ricottura ed invecchiamento?

Specificare la ricottura di 1.700-1.850 gradi F e l'età in cui la durata alla rottura, la durata alla rottura con l'intaglio-la duttilità alla rottura con l'intaglio-e la resistenza alla fatica sono le proprietà di progettazione determinanti; specificare la ricottura a 1.900-1.950 gradi F e l'età quando l'applicazione è limitata alla trazione-e necessita della migliore duttilità trasversale nelle sezioni pesanti, resistenza agli urti o resistenza alla trazione con intaglio a bassa temperatura, poiché questo trattamento baratta una certa duttilità alla rottura con intaglio per tali vantaggi.

Fonte: Special Metals Corporation, trattamenti di ricottura e-indurimento per invecchiamento, bollettino tecnico della lega INCONEL 718 SMC-045.

Nessuno dei due trattamenti è universalmente "migliore" - sono ottimizzati per diverse modalità di guasto e Special Metals è esplicito che la scelta dovrebbe seguire da quale proprietà governa la vita progettuale della parte. Un disco di turbina la cui modalità di guasto critico è un basso-fatica ciclica o una rottura da scorrimento-in corrispondenza di un foro o di un raccordo di un bullone dovrebbe impostare per impostazione predefinita il trattamento a 1.700-1.850 gradi F; una parte a sezione pesante valutata principalmente sul margine di trazione e sulla resistenza all'impatto può essere meglio servita dal trattamento a 1.900-1.950 gradi F.

La risposta all'invecchiamento in entrambi i casi è relativamente lenta - praticamente non si verifica alcun indurimento nei primi 2-3 minuti alla temperatura di invecchiamento - che è ciò che consente alle parti saldate o ricotte di essere raffreddate ad aria senza indurimento parziale accidentale.

In che modo la dimensione del grano influisce sulla resistenza alla fatica nei componenti forgiati?

I dati sulla fatica di Special Metals mostrano che il limite di resistenza del ciclo di 10^8-delle piastre ricotte-e-invecchiate aumenta costantemente al diminuire della dimensione media dei grani, confermando che il controllo-delle dimensioni dei grani ottenuto attraverso la forgiatura e la temperatura-del trattamento termico non è solo una considerazione sulla durata della rottura-ma anche una leva diretta sulla durata della fatica-e - che è esattamente il motivo per cui disco e anello aerospaziali i forgiati sono soggetti a severi requisiti di granulometria verificati secondo ASTM E112.

Ciò si ricollega direttamente alle sezioni sulla-temperatura di forgiatura e sulla temperatura di ricottura-di cui sopra: poiché sia ​​una bassa temperatura di finitura-di forgiatura che una bassa (1.700-1.850 gradi F) post-ricottura spingono la dimensione del grano più fine attraverso la fase delta-di bloccaggio al confine del grano, entrambe le scelte di processo si combinano nella stessa direzione sulla durata a fatica.

Special Metals rileva inoltre che se la resistenza alla fatica è il fattore determinante della progettazione, i forgiati Inconel 718 possono essere utilizzati allo stato ricotto anziché completamente ricotto-e-invecchiato, poiché l'invecchiamento aumenta la resistenza alla fatica solo modestamente (circa 4 ksi o meno nei dati dei test su trave rotante-effettuati dall'azienda) rispetto all'effetto molto maggiore della dimensione del grano stesso.

Quale atmosfera del forno e pratiche di riscaldamento proteggono la qualità della forgiatura?

L'atmosfera del forno e la pulizia del materiale non sono elementi accidentali per la forgiatura dell'Inconel 718. - Metalli speciali specifica un'atmosfera leggermente riducente (almeno il 2% di monossido di carbonio) con una pressione leggermente positiva del forno, combustibile a bassissimo-zolfo e materiale completamente privo di olio, vernice, grasso e sporco prima del caricamento, perché sbagliare produce una scaglia di ossido pesante,-difficile da-rimuovere invece del sottile, aderente, e una pellicola verde-nera relativamente benigna che un'atmosfera riducente correttamente controllata lascia dietro di sé.

• Pratiche del forno e delle scorte da seguire:Mantenere un'atmosfera del forno leggermente riducente contenente almeno il 2% di monossido di carbonio, con una leggera pressione positiva per prevenire infiltrazioni d'aria.
• Pratiche del forno e delle scorte da seguire:Utilizzare combustibili estremamente poveri di zolfo; la contaminazione da zolfo delle leghe di nichel alla temperatura di forgiatura è una causa ben-nota di infragilimento intergranulare.
• Pratiche del forno e delle scorte da seguire:Caricare solo materiale completamente privo di olio, vernice, grasso e sporco di officina.
• Pratiche del forno e delle scorte da seguire:Portare il pezzo a temperatura, immergerlo solo brevemente per garantire l'uniformità e ritirare - l'immersione prolungata alla temperatura di forgiatura è esplicitamente sconsigliata.
• Pratiche del forno e delle scorte da seguire:Preriscaldare gli strumenti di forgiatura e gli stampi a circa 500 gradi F e rimuovere immediatamente eventuali rotture superficiali sul pezzo in lavorazione quando compaiono.
• Pratiche del forno e delle scorte da seguire:Parti raffreddate ad aria-dalla temperatura di esercizio-calda; la tempra in acqua direttamente dalla temperatura di forgiatura non è la pratica standard per questa lega.

Quali specifiche AMS e ASTM regolano i forgiati Inconel 718?

Barra, materiale per forgiatura e pezzi fucinati per uso aerospaziale in Inconel 718 sono più comunemente specificati in AMS 5662 (barra e materiale per forgiatura, elettrodo consumabile o fuso per induzione sotto vuoto-, per uso generale fino a 1.300 gradi F) e AMS 5663 (barra e materiale per forgiatura trattato con calore in soluzione-e indurito per precipitazione-) insieme a ASTM B637 e casi di codici ASME che coprono applicazioni di bullonatura e-limiti di pressione.

Fonte: Special Metals Corporation, "Prodotti disponibili e specifiche", bollettino tecnico SMC-045 della lega INCONEL 718.

Quali proprietà meccaniche dovrebbero soddisfare i forgiati aerospaziali?

La barra Inconel 718 correttamente forgiata e trattata termicamente e i pezzi forgiati soddisfano i minimi di temperatura ambiente dell'ordine di 180 ksi (1.241 MPa) e di 150 ksi (1.034 MPa) con un allungamento percentuale a due cifre - ma i minimi esatti e la condizione di trattamento termico a cui si applicano dipendono sulla specifica AMS specifica e sulla forma del prodotto richiamata sul disegno, quindi il riferimento alla specifica stessa è importante quanto i numeri.

I dati pubblicati da Special Metals per barre, forgiati e anelli sottoposti a ricottura e invecchiamento a 1.900-1.950 gradi F (il trattamento di trazione-limitato) mostrano una resistenza alla trazione minima a temperatura ambiente di 180 ksi, un carico di snervamento minimo di 150 ksi e un allungamento minimo nell'intervallo del 10-15% a seconda della forma del prodotto, con durezza controllata a circa 331 BHN o Rc 38 o superiore.

Poiché le proprietà dell'Inconel 718 sono così sensibili al percorso specifico di forgiatura e di trattamento termico-intrapreso per produrli - come i dati di rottura dell'intaglio-di cui sopra dimostrano drammaticamente - che una specifica di approvvigionamento per forgiati di grado aerospaziale- dovrebbe sempre fare riferimento all'esatto numero di AMS e alle condizioni di trattamento termico-richieste, non solo all'"Inconel 718" o a un obiettivo di resistenza generico.

Domande frequenti

D: Quale intervallo di temperature viene utilizzato per forgiare Inconel 718?

A: La formatura a caldo viene eseguita a 900-1.120 gradi F (1.650-2.050 gradi F), ma la leggera riduzione finale della finitura deve essere eseguita specificamente nell'intervallo 1.650-1.750 gradi F per ottenere la struttura dei grani fine e uniforme necessaria per una buona duttilità a rottura con intaglio.

D: Perché la temperatura di finitura è più importante della temperatura iniziale di forgiatura?

A: La temperatura di finitura determina la dimensione del grano che il pezzo subisce il trattamento termico. I dati di Special Metals mostrano che la durata alla rottura della barra con intaglio- a 1.200 gradi F/100 ksi aumenta da circa 16 ore per materiale finito a 2.050 gradi F a oltre 426 ore (nessun guasto) per materiale finito a 1.650 gradi F - una differenza determinata interamente dalla temperatura di finitura.

D: Che cosa causa la struttura della grana duplex nei forgiati di Inconel 718 e come viene evitata?

A: La struttura a grana doppia (mista-e-grossa) risulta da una riduzione non uniforme durante la forgiatura, spesso perché parte del pezzo si raffredda al di sotto della temperatura di lavoro durante la lavorazione. Viene evitato applicando riduzioni uniformi (minimo 20% per lavori a matrice aperta, minimo 10% per lavori a matrice chiusa) e riscaldando qualsiasi sezione che si raffredda al di sotto di 1.650 gradi F prima di continuare a forgiarla.

D: Quale trattamento di ricottura-e-età dovrebbe essere specificato per la forgiatura di dischi Inconel 718 critici per la fatica?

A: La ricottura e l'invecchiamento a 1.700-1.850 gradi F, seguita dall'invecchiamento a 1.325 gradi F per 8 ore, il forno-raffreddato a 1.150 gradi F e mantenuto per un tempo di invecchiamento totale di 18 ore. Questo trattamento produce la grana più fine ed è associato alla massima resistenza alla fatica, durata alla rottura e duttilità alla rottura con intaglio.

D: L'invecchiamento aumenta significativamente la resistenza alla fatica dei pezzi forgiati in Inconel 718?

A: Solo modestamente. I dati sulla fatica della trave rotante-di Special Metals mostrano che l'invecchiamento aumenta la resistenza alla fatica a cicli di 10^8-di meno di 4 ksi rispetto alla condizione di sola ricottura, il che significa che la dimensione dei grani, non l'invecchiamento, è la leva dominante per le prestazioni a fatica.

D: Perché l'Inconel 718 necessita di attrezzature di forgiatura più potenti dell'acciaio inossidabile?

A: A una data temperatura e riduzione, l'Inconel 718 sviluppa circa 2-3 volte la pressione tra i cilindri dell'acciaio dolce e notevolmente di più rispetto all'acciaio inossidabile Tipo 302 o all'Inconel 600, pertanto le apparecchiature adeguate per tali materiali potrebbero non ottenere riduzioni complete e uniformi del 718 alla stessa temperatura.