Forgiati in superleghe a base di nichel: trattamento termico per il controllo della dimensione del grano in parti rotanti critiche

I dischi delle turbine, i dischi dei compressori, gli alberi e i pezzi forgiati del rotore girano ad alta velocità e ad alta temperatura per migliaia di ore. Un fallimento non è una perdita; è un evento catastrofico. Per queste parti la dimensione dei grani del metallo non è un dettaglio estetico. Decide come la parte resiste alle cricche da fatica, allo scorrimento e alla crescita lenta delle cricche. Questa guida spiega come il trattamento termico determina la dimensione dei grani nei pezzi fucinati di superleghe a base di nichel, come si confrontano i percorsi principali e cosa devono specificare e verificare gli acquirenti.

La dimensione dei grani in una forgiatura di superleghe è determinata da due fattori che lavorano insieme: la storia della lavorazione a caldo che crea i grani e la temperatura del trattamento termico rispetto alla temperatura alla quale si dissolvono le particelle di rinforzo o di fissaggio. La soluzione al di sotto di tale temperatura mantiene i grani fini (migliore resistenza alla trazione e alla fatica); la soluzione sopra di esso consente ai grani di diventare grossolani (migliore resistenza allo scorrimento viscoso e alla crescita di crepe). I trattamenti a doppia microstruttura cercano di dare a ciascuna parte di un disco la dimensione dei grani di cui ha bisogno.

Perché la dimensione dei grani è importante nelle parti rotanti critiche?

Perché la grana fine e quella grossa proteggono da diverse modalità di guasto. I grani fini conferiscono una maggiore resistenza alla trazione e una migliore resistenza alla fatica a basso numero di cicli; i grani grossi garantiscono una migliore resistenza allo scorrimento viscoso e alla crescita di crepe ad alta temperatura. Nessuna singola dimensione del grano è migliore ovunque in una parte rotante.

Un grano è un minuscolo cristallo. I confini tra i grani sono punti deboli ad alta temperatura, dove il metallo può deformarsi lentamente (strisciarsi) lungo di essi. A temperature più basse è vero il contrario: i confini bloccano le crepe, quindi più confini (grani più fini) significano un metallo più forte e più resistente alla fatica. Un disco presenta entrambe le condizioni contemporaneamente. Il foro (al centro) è più freddo e sopporta cicli di stress elevati. Il cerchio diventa più caldo e rimane sotto carico sostenuto.

Tabella 1. Il compromesso granulometrico nelle leghe per dischi, come descritto nella letteratura pubblicata sul trattamento termico dei dischi delle turbine a gas.

Cosa controlla la dimensione del grano in una forgiatura di superleghe a base di nichel?

Tre leve lo controllano: quanto e quanto caldo viene deformato il metallo durante la forgiatura, quali particelle sono presenti per fissare i bordi dei grani e la temperatura finale di trattamento della soluzione rispetto al solvus (la temperatura alla quale tali particelle si dissolvono).

Durante la forgiatura, la deformazione crea nuovi piccoli grani mediante ricristallizzazione. Durante il successivo riscaldamento, questi granelli tendono a crescere, perché i granelli più grandi hanno un’area di confine minore e quindi un’energia inferiore. Le particelle dure che si trovano sui bordi dei grani agiscono come ancore e bloccano questa crescita. InLega 718la fase di ancoraggio è delta (δ); nelle leghe a disco di metallo in polvere è il gamma primo primario grossolano (′). Una volta che la temperatura del trattamento termico supera il punto in cui gli ancoraggi si dissolvono, i chicchi possono crescere rapidamente. Questo è il motivo per cui la temperatura del solvus è il numero più importante nel controllo della dimensione del grano.

In che modo la fase Delta controlla la dimensione del grano nell'Inconel 718?

La fase delta è una fase ricca di niobio che si forma sui bordi dei grani tra circa 800 e 1000 gradi. Stabilisce i confini durante la forgiatura e il trattamento della soluzione, quindi la lega 718 rimane a grana fine finché la temperatura della soluzione rimane al di sotto del delta solvus, circa 1010-1020 gradi.

I falsari lo sfruttano di proposito. Nella "lavorazione delta", il materiale viene mantenuto per far precipitare la fase delta prima e durante la forgiatura, in modo che i grani rimangano piccoli quando la parte viene successivamente riscaldata. I dati pubblicati mostrano quanto la dimensione dei grani sia sensibile alla temperatura e al contenuto delta. In uno studio su billette 718 a grana ultrafine, una soluzione di 1800 gradi F (circa 980 gradi) per 5 ore ha lasciato circa il 2,6% di delta e ha dato una dimensione della grana ASTM 9, mentre 1850 gradi F (circa 1010 gradi) per 1 ora ha lasciato circa il 4,6% di delta e ha dato ASTM 10. In uno studio separato su disco a scala reale, la soluzione standard a 954 gradi ha prodotto un struttura uniforme ASTM 11–12 in materiale con lavorazione delta.

Tabella 2. Effetto della temperatura della soluzione e della fase delta sulla dimensione dei grani della lega 718. Fonti: procedimenti TMS Superalloys (1992, 2001) e letteratura brevettuale sul trattamento termico della lega 718. I numeri ASTM sono numeri di granulometria ASTM E112; più alto significa più fine.

Il takeaway è un compromesso. La fase delta aiuta a mantenere la dimensione dei grani, ma ai bordi dei grani può anche influenzare la duttilità e il comportamento alla tensocorrosione, quindi alcune applicazioni la dissolvono deliberatamente. Un brevetto pubblicato sulla resistenza alla tensocorrosione riporta che la ricottura al di sopra del delta solvus ha rimosso il delta del confine ma ha ingrossato i grani da ASTM 8 a ASTM 3. Questo è il motivo per cui la temperatura della soluzione viene scelta per l'applicazione, non copiata da una tabella generica.

Qual è la differenza tra il trattamento termico Subsolvus e Supersolvus?

Il trattamento con la soluzione subsolvus viene eseguito al di sotto della gamma prime solvus, lascia particelle primarie grossolane che fissano i grani e dà grani fini. Il trattamento Supersolvus viene eseguito sopra il solvus, dissolve quelle particelle e lascia che i grani diventino grossolani. La prima favorisce la forza e la fatica; il secondo favorisce la resistenza alla crescita del creep e delle fessurazioni.

Questa scelta si applica principalmente a leghe di dischi di metallo in polvere altamente legate e rinforzate con gamma-prime come René 88DT, il cui gamma prime solvus è stato segnalato a circa 1110-1116 gradi (2030-2040 gradi F). Il lavoro pubblicato su queste leghe rileva che i trattamenti subsolvus trattengono circa il 10-20% delle particelle primarie ′ grossolane che limitano la crescita dei grani, mentre i trattamenti supersolvus perdono questo vincolo e consentono ai grani di crescere.

Tabella 3. Trattamento con soluzione Subsolvus rispetto a Supersolvus per leghe a disco rinforzate gamma-prime. Fonti: procedimenti TMS sulle superleghe, studi sui dischi della NASA e letteratura sui brevetti GE.

Il trattamento con Supersolvus è stato fondamentale per lo sviluppo di René 88DT, dove si prevedeva che la dimensione della grana più grossa sviluppata dal trattamento con la soluzione di supersolvus avrebbe portato benefici al creep, e il programma mirava a una notevole riduzione del tasso di crescita delle cricche da fatica rispetto a René 95. Il trattamento Supersolvus di questa classe di leghe può produrre dimensioni dei grani grossi che si avvicinano a ASTM 6 per una migliore resistenza alla crescita delle cricche da fatica.

Qual è il trattamento termico standard per i forgiati Inconel 718?

Ricottura in soluzione a circa 925–1010 gradi seguita da un raffreddamento rapido, quindi un'età in due fasi: 718 gradi per 8 ore, raffreddamento in forno fino a circa 620 gradi, mantenimento per un tempo di invecchiamento totale di 18 ore, quindi raffreddamento all'aria. Mantenendo la soluzione al di sotto del delta solvus si preserva la grana fine.

Tabella 4. Ciclo tipico di soluzione e invecchiamento della lega 718. Fonti: schede tecniche dei fornitori che fanno riferimento alla pratica AMS 5662/5663. Seguire sempre le specifiche applicabili e l'ordine di acquisto.

Le fasi di invecchiamento non cambiano molto la dimensione dei grani, perché 718 gradi e 620 gradi sono ben al di sotto delle temperature della soluzione. Ciò che fanno è far precipitare le fasi di rafforzamento (″ e ′). La dimensione del grano è quindi fissata dal percorso di forgiatura e dalla fase di soluzione; l'invecchiamento poi dà forza.

Che cos'è il trattamento termico a doppia microstruttura e perché viene utilizzato per i dischi?

Il trattamento termico a doppia microstruttura conferisce al disco un foro a grana fine e ad alta resistenza e un bordo a grana grossa resistente allo scorrimento riscaldando le due regioni a temperature diverse rispetto al solvus. L’obiettivo è quello di rimuovere il compromesso “one-grain-size-fits-all”.

Un trattamento termico uniforme conferisce una dimensione della grana uniforme su tutto il disco, fine o grossolana, il che impone un compromesso. In un doppio trattamento, il bordo viene portato sopra il gamma prime solvus per ingrossarlo, mentre il foro viene mantenuto al di sotto del solvus. La ricerca sulla lega avanzata del disco LSHR ha esaminato le opzioni subsolvus e supersolvus e diverse opzioni a doppia struttura, progettate per fornire un foro a grana fine e ad alta resistenza e un bordo a grana grossa resistente allo scorrimento viscoso.

Il metodo presenta una propria sfida: la zona di transizione tra regioni fini e grossolane. I ricercatori della NASA hanno studiato le modalità di cedimento per fatica nella zona di transizione della dimensione dei grani di un disco a doppia microstruttura, e i brevetti sul trattamento termico rilevano un ulteriore rischio di processo, ovvero che una temperatura del foro troppo al di sotto del solvus può invecchiare eccessivamente la gamma prime e annullare il beneficio. Il trattamento a doppia microstruttura richiede un controllo termico preciso e test approfonditi.

Quali difetti può causare uno scarso controllo della dimensione del grano?

I difetti principali sono grani grossolani anomali (crescita critica dei grani), strutture dei grani miste o fasciate, grani troppo cresciuti a causa di una temperatura eccessiva della soluzione e stress residuo o cricche da raffreddamento, che possono ridurre la durata a fatica o rendere imprevedibili i risultati.

Tabella 5. Difetti comuni legati alla dimensione dei grani nei pezzi fucinati di superleghe e come prevenirli.

In che modo gli acquirenti dovrebbero specificare e verificare la dimensione del grano?

Specificare la lega e le specifiche applicabili, l'intervallo di dimensioni dei grani ASTM E112 richiesto (e qualsiasi grana grossa massima consentita), i luoghi di prova e il percorso di trattamento termico, quindi richiedere certificati e metallografia che lo dimostrino.

La dimensione della grana è riportata sulla scala ASTM E112, dove un numero maggiore indica una grana più fine. La tabella seguente fornisce i diametri medi approssimativi dei grani per i numeri comunemente riscontrati nei pezzi fucinati di superleghe.

Tabella 6. Conversioni approssimative della dimensione dei grani ASTM E112.

Tabella 7. Lista di controllo dell'acquirente per pezzi fucinati in superleghe con dimensioni critiche dei grani.

Domande frequenti

La deformazione della forgiatura crea i grani, le particelle fissate (fase delta nella lega 718, gamma prime primaria grossolana nelle leghe a disco) li trattengono e la temperatura della soluzione relativa al solvus decide se tali particelle rimangono o si dissolvono.

Qual è il delta solvus di Inconel 718?

Circa 1010–1020 gradi. I valori pubblicati variano leggermente perché il solvus dipende dal tempo, dalla morfologia e dal contenuto locale di niobio; uno studio riporta un valore di equilibrio calcolato vicino a 1033 gradi e un valore apparente vicino a 1020 gradi.

Cos'è il trattamento termico subsolvus rispetto a quello supersolvus?

Subsolvus è un trattamento in soluzione al di sotto della gamma prime solvus e conferisce grani fini e migliori proprietà di trazione e fatica. Supersolvus è al di sopra del solvus e conferisce grani grossolani e una migliore resistenza alla crescita di creep e crepe.

Perché non rendere ogni grano grossolano per la resistenza al creep?

I grani grossi riducono la resistenza alla trazione e alla fatica a basso numero di cicli, che sono importanti nel foro più freddo e altamente sollecitato di un disco. Ecco perché esistono trattamenti a doppia microstruttura.

Qual è il trattamento termico standard per Inconel 718?

La soluzione ricottura a circa 925-1010 gradi con raffreddamento rapido, quindi invecchia a 718 gradi per 8 ore, raffredda in forno fino a circa 620 gradi, mantiene fino a 18 ore in totale e raffredda all'aria.

Qual è la crescita critica del grano?

Grani anormalmente grossolani che si formano in regioni di deformazione critica dopo il trattamento termico supersolvus di leghe di metallo in polvere come René 88DT. Si tratta di un noto rischio di forgiatura e trattamento termico che i controlli di lavorazione sono progettati per prevenire.