Découvrir le mystère du forgeage des superalliages : créer le matériau de super-héros de l'industrie
Le superalliage, également connu sous le nom d'alliage résistant à la chaleur ou superalliage, est un matériau métallique essentiel pour les moteurs d'aviation modernes, les moteurs de fusée, les turbines à gaz et les équipements chimiques. Il peut résister à des contraintes complexes dans des conditions d'oxydation et de corrosion gazeuse de 600 à 1 100 degrés et peut fonctionner de manière fiable pendant une longue période.
Actuellement, parmi les superalliages de déformation, les plus utilisés sont les superalliages à base de fer et les superalliages à base de nickel. Les alliages à base de fer sont davantage utilisés comme disques de turbine, disques de compresseur, chambres de combustion et aubes de bagues de roulement, et leurs caractéristiques de composition sont principalement du fer, contenant une grande quantité de nickel, de chrome et d'autres éléments. Selon ses caractéristiques de renforcement, il peut être divisé en type de durcissement par vieillissement faible, type de durcissement par solution solide, type de durcissement par vieillissement au carbure et type de durcissement par vieillissement à composé intermétallique.
Les alliages à base de nickel sont davantage utilisés dans la fabrication d'aubes de turbine, de chambres de combustion, de disques de turbine, de disques de compresseur et d'aubes de compresseur, dont la composition est caractérisée par une base nickel, contenant ω (Cr) de 10% à 20%, formant des alliages à base de nickel. matrice austénitique. De plus, certains alliages contiennent également 10 % à 20 % de ω(Co), formant une matrice austénitique nickel-chrome-cobalt. Selon son type de renforcement, il peut être divisé en type de renforcement de solution solide et type de renforcement de vieillissement.
Les propriétés du superalliage dépendent principalement de la composition et de la microstructure de l'alliage. Le type, la structure, la forme, la taille, la quantité et la répartition de la phase précipitée sont particulièrement importants dans la microstructure. Les précipités courants dans les alliages à base de fer et de nickel sont des composés intermétalliques, des carbures et des borures. Tous ces composés peuvent être régulés et contrôlés par traitement thermique, et leur morphologie et leur distribution peuvent également être modifiées par déformation.
Le traitement thermique des superalliages déformés comprend généralement un traitement en solution solide, un traitement intermédiaire (également appelé traitement secondaire en solution solide) et un traitement de vieillissement. Le but du traitement en solution est d’obtenir une solution solide sursaturée uniforme et de contrôler la granulométrie appropriée. Le traitement thermique intermédiaire a pour but de changer l'état du carbure et d'obtenir deux phases différentes de tailles différentes. Le but du traitement de vieillissement est de faire précipiter complètement et uniformément la phase renforcée, d'obtenir l'effet de durcissement par précipitation, la sélection de la température, du temps et de la fréquence, pour obtenir le nombre de phase renforcée, la forme et la distribution sont appropriées comme critère. Le cœur du processus de déformation à chaud des superalliages déformés est la plasticité du processus et la déformation critique des cristaux grossiers.
1.Caractéristiques de déformation du superalliage
1) Faible plasticité, superalliage en raison du degré élevé d'alliage, a une structure hétérogène et une composition de phase complexe, par conséquent, la plasticité du processus est faible. Surtout à haute température, lorsque des éléments d'impuretés tels que S, Pb, Sn sont contenus, la force de liaison entre les grains est souvent affaiblie et la plasticité est réduite. Les superalliages utilisent généralement la teneur totale en éléments de renforcement aluminium et titane pour déterminer le niveau de plasticité, lorsque la teneur totale est supérieure ou égale à 6%, la plasticité sera très faible. La ductilité du processus du superalliage à base de nickel est inférieure à celle du superalliage à base de fer. La plasticité des superalliages est très sensible au taux de déformation et à l’état de contrainte. Certains lingots d'alliage et billettes intermédiaires doivent être formés par déformation et refoulement à faible vitesse, laminage et même extrusion.
2) Grande résistance à la déformation, en raison de la composition complexe du superalliage, de la température de recristallisation élevée, de la vitesse lente, a une résistance élevée à la déformation et une tendance au durcissement à la température de déformation, la résistance à la déformation est généralement 4 à 7 fois celle de l'acier de construction ordinaire.
3) La plage de température de forgeage est étroite, le point de fusion du superalliage est faible par rapport à celui de l'acier et la température de chauffage est trop élevée pour provoquer une surchauffe et une combustion excessive. Si la température d'arrêt du forgeage est trop basse, la plasticité est faible, la résistance à la déformation est grande et la déformation mixte à froid et à chaud est facile à provoquer la production de cristaux grossiers inégaux par le forgeage. Par conséquent, la plage de températures de forgeage des superalliages est très étroite, généralement seulement environ 200 degrés C. La plage de températures de forgeage des alliages résistants à la chaleur à base de nickel est plus étroite, la plupart d'entre eux sont de 100 à 150 degrés C, et certains sont même inférieurs à 100 degrés C.
4) La conductivité thermique est mauvaise et la conductivité thermique du superalliage à basse température est bien inférieure à celle de l'acier au carbone, il est donc généralement nécessaire de ralentir le préchauffage dans la plage de 700 à 800 degrés C, sinon cela provoquera une température élevée. contrainte, de sorte que le métal chauffant est dans un état fragile.
2. Processus de plasticité du superalliage
1) En raison de l’ajout d’un grand nombre d’éléments d’alliage, la résistance thermique du superalliage est améliorée, mais la plasticité du processus est considérablement réduite. Un alliage élevé entraîne une ségrégation sévère et des cristaux colonnaires grossiers. Au niveau du maillon faible du joint de grain de dendrite primaire, des fissures se produisent facilement le long du joint de grain. En raison de la ségrégation des dendrites, la teneur en éléments d'alliage dans la première partie cristallisée est faible et la teneur en éléments d'alliage dans la partie du bord des dendrites est élevée, de sorte que les carbures et les composés intermétalliques sont concentrés dans la partie du bord des dendrites, ce qui réduit la malléabilité. de l'alliage.
2) Un alliage élevé rend la plasticité de la barre en superalliage bien inférieure à celle de l'acier allié ordinaire. Étant donné qu'un grand nombre d'éléments d'alliage sont enrichis dans la région limite des grains, la résistance des joints de grains est inférieure à la résistance intra-grain à haute température, et de nombreuses particules de phase renforcée ne sont pas toutes dissoutes dans la solution solide à la température de déformation. gamme, telle que le carbure et le borure, etc., de sorte qu'en plus de , il existe également des phases renforcées impliquées dans la déformation, c'est-à-dire que la déformation n'est pas effectuée dans un état monophasé. Par conséquent, la plasticité du processus de la tige de roulement en superalliage est également relativement faible. Par conséquent, lors de la formulation des procédures de forgeage des superalliages, la plasticité du processus de l’alliage doit être mesurée en premier.
3. Détermination de la température de déformation du superalliage
1) Le principe de détermination de la température de déformation du superalliage, en raison de la complexité du degré d'alliage du superalliage, la température de fusion initiale de l'alliage diminue et la température de dissolution de la phase de recristallisation et de renforcement augmente, ce qui entraîne un rétrécissement de la température de déformation. et plus étroit. Par conséquent, lors de la détermination de la température de déformation, en plus d'assurer la plasticité du processus et de respecter le formage, elle doit également répondre à la nécessité d'obtenir une bonne organisation et de bonnes propriétés. Afin de conserver le réseau de dislocations cellulaires dans la microstructure des pièces forgées en superalliage et d'obtenir des grains fins et uniformes et de bonnes propriétés, la température de déformation du forgeage doit être inférieure à la température de croissance des grains et la température de forgeage finale doit être proche de (légèrement supérieure) la température de dissolution des particules de la seconde phase dans la solution solide et la température de recristallisation.
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2) Les spécifications de chauffage du superalliage, le chauffage du superalliage sont divisés en deux étapes de préchauffage et de chauffage. Afin de raccourcir le temps de maintien du superalliage à la température de chauffage de forgeage, évitez le grossissement excessif des grains et l'épuisement des éléments d'alliage ; Dans le même temps, afin de réduire les contraintes thermiques causées par la mauvaise conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique élevé du superalliage, l'ébauche doit être préchauffée avant le forgeage. La température de préchauffage est de 750 ~ 800 degrés et le temps de maintien est calculé comme suit : 0,6 ~ 0,8 min/mm. La température de chauffage est généralement de 1100 à 1 180 degrés C et le temps de maintien est de 0,4 à 0,8 min/mm. L'équipement de chauffage peut utiliser un four à résistance, équipé d'un thermomètre et d'un dispositif de contrôle automatique de la température pour un contrôle précis. Lorsque le four à flamme est sélectionné, la teneur en soufre du carburant doit être strictement contrôlée : la teneur en soufre du diesel ou du fioul lourd doit être inférieure à 0,5 % ; La teneur en soufre du gaz doit être inférieure à 0,7 g/m3. La teneur excessive en soufre dans le carburant formera un eutectique Ni-Ni3S3 avec un point de fusion bas (≈650 degrés) lorsqu'il pénètre dans la surface de la billette, rendant l'alliage cassant à chaud. Il est nécessaire de prendre moins ou pas de mesures de chauffage par oxydation pour éviter l'épuisement du chrome, de l'aluminium, du titane et d'autres éléments à la surface de l'ébauche, et réduire la résistance à la fatigue et la résistance durable à haute température de l'alliage. Le chauffage par induction local peut être utilisé pour le préforgeage du flan. Avant de chauffer, le flan doit être nettoyé pour éliminer la saleté et éviter les défauts de surface dus à la corrosion. Lors du forgeage avec plusieurs feux, la température de chauffage de forgeage doit être réduite avec l'allongement de l'intervalle de temps entre les deux feux pour éviter la croissance des grains qui s'est produite lors d'une recristallisation statique, en même temps, la température de réchauffage doit également être plus basse avec le plus proche. au produit forgé fini, plus la déformation est faible.
4. Détermination du degré de déformation du superalliage
1) Le principe de détermination du degré de déformation des superalliages
En raison du degré élevé d'alliage, la plage de températures de déformation du superalliage est étroite et il n'y a pas beaucoup de marge d'ajustement. De plus, le superalliage ne présente pas de transition d'isomérisation et la granulométrie de l'alliage est principalement contrôlée par la déformation par forgeage. Par conséquent, une fois la température de déformation déterminée, le choix du degré de déformation est très important. À une certaine température de forgeage, la déformation de chaque ordre de chauffage doit être supérieure au degré de déformation critique et inférieure au degré de déformation correspondant de la deuxième région de croissance des grains. Dans le but de répondre aux exigences de plasticité du processus et d'agencement du processus (pré-forgeage), chaque déformation doit être profonde et uniforme, et essayer d'éviter une déformation inégale, sinon elle produira des cristaux grossiers en bandes et des cristaux grossiers locaux. Les cristaux grossiers des superalliages ont une certaine obstination génétique, et il est difficile de modifier les cristaux grossiers produits par une seule déformation non uniforme lorsque le degré de déformation n'est pas suffisamment grand dans la déformation immédiate. Afin d'obtenir une microstructure et des propriétés satisfaisantes, une température de chauffage plus basse, un degré de déformation plus élevé, une phase de précipitation doit être utilisée pour contrôler la microstructure, améliorer la taille des grains et l'état limite des grains lors de la déformation finale du forgeage.
Outre la taille des grains, l’état des joints des grains est également un facteur important de microstructure. Du point de vue du renforcement et du durcissement des joints de grains, le contrôle de l'organisation des joints de grains obéit aux lois suivantes :
(1) L’absence de phase de précipitation au joint de grain peut facilement devenir un canal de fissure.
(2) La phase grossière et le carbure sont uniformément répartis sur les joints de grains, ce qui renforcera et durcira les joints de grains de l'alliage.
(3) Il existe des parties de relaxation des contraintes dans la zone appauvrie aux limites des grains, ce qui peut réduire la résistance au cisaillement et élargir la zone de concentration des contraintes. Ainsi, lorsque la résistance des joints de grains est trop élevée, la zone appauvrie joue un rôle bénéfique.
(4) La formation de phases continues de carbure en film mince sur la limite des grains rend l'alliage sensible aux entailles.
(5) La formation de carbures cellulaires sur les joints de grains a un effet négatif sur la résistance et le durcissement des joints de grains d'alliage.
Par conséquent, en plus d'un système de traitement thermique raisonnable, dans le processus de forgeage, grâce à une répartition raisonnable de la déformation, en particulier pour augmenter le degré de déformation finale du forgeage du dernier feu, pour améliorer l'état des joints de grains, la correspondance entre les grains et la résistance des joints de grains. , pour obtenir de bonnes propriétés organisationnelles, est sans aucun doute très important.
2)Les superalliages généralement déformés sont plus sensibles aux déformations critiques, et le degré de déformation critique varie généralement dans une large plage ({{0}},5 % ~ 20 %), la valeur spécifique varie en fonction de l'alliage et du degré de déformation critique du le même alliage est différent à différentes températures de chauffage. Par exemple, le degré de déformation critique total de l'alliage GH4049 est de 0,1 % à 7 %. Le degré de déformation critique total de l'alliage GH4220 est de 0,6 %-4,7 % à 1 150 degrés et de 0,1 %-3 % à 1180 degrés, mais le degré de déformation critique à différentes températures de forgeage, le degré de déformation à la Le grain maximum et le diamètre de déformation critique maximum ne sont pas les mêmes. Le diamètre du cristal grossier à déformation critique est plusieurs ordres de grandeur plus grand que celui du grain normal, le plus grand étant de 10 mm et le plus petit de 1 mm.
5.Influence des paramètres du processus de forgeage sur la microstructure et les propriétés du superalliage
Le choix approprié des paramètres du processus de forgeage et du traitement thermique ultérieur affecte directement les propriétés mécaniques des pièces forgées. Les résultats des tests de divers alliages sont répertoriés ci-dessous à titre de référence dans la sélection des paramètres de traitement thermique.
1) Effet de la température de chauffage sur la microstructure et les propriétés de l'alliage GH2036
La température de chauffage autorisée du disque de turbine en alliage GH2036 avant le forgeage est de 1 190 degrés. Si l'alliage est chauffé à 1 220 degrés pendant 2 heures, les échantillons de traction et d'impact passent de la fracture transgranulaire à la fracture intergranulaire, c'est-à-dire que l'alliage surchauffe. Si l'alliage est chauffé pendant 2 heures à 1 250 degrés et 1 280 degrés, les limites des grains de l'alliage produisent une fusion initiale locale, c'est-à-dire que l'alliage est trop brûlé. Une fracture intergranulaire se produit à la fois dans les éprouvettes de traction et d'impact, et les propriétés globales de l'alliage diminuent. Influence du chauffage à haute température sur les propriétés de l'alliage GH2036, les propriétés d'impact, de traction et de durabilité de l'alliage se détériorent avec l'augmentation de la température de chauffage.
2) Effet de la température de déformation finale sur les propriétés de l'alliage GH4169
Lorsque le degré de déformation final est de 25 %, la sensibilité de l'entaille peut être éliminée en contrôlant la température de déformation finale à 900 ~ 955 degrés, et l'augmentation de la température de déformation finale rendra le grain de l'alliage inégal et réduira sa plasticité, ce qui entraînera en sensibilité d'encoche. 3) Influence de la taille des grains sur les performances
3) Effet de la taille des grains sur les propriétés
Le grain plus grossier peut augmenter la résistance durable et la résistance au fluage, tandis que le grain plus fin peut augmenter la limite d'élasticité et la résistance à la fatigue. Une granulométrie uniforme est bénéfique aux propriétés de l’alliage. La durée de vie des cristaux grossiers est plus courte que celle des cristaux fins. L'effet global de la taille des grains sur les propriétés de l'alliage GH4169 montre que la limite d'élasticité et la résistance à la fatigue de l'alliage GH4169 sont évidemment améliorées par le raffinement des grains, mais que la résistance à la fatigue à des températures supérieures à 600 degrés est diminuée. L'influence sur la résistance permanente de l'alliage dépend de la forme de fracture (fracture transgranulaire ou intergranulaire), c'est-à-dire que la température de l'alliage est liée.
4) Influence des paramètres du procédé thermique sur la recristallisation dynamique
Lorsque le degré de déformation est supérieur à 30 %, lorsque l'alliage GH4169 est forgé sur le marteau ou la presse hydraulique, la température de début de recristallisation dynamique est d'environ 930 à 960 degrés, et lors du forgeage isotherme, elle est d'environ 930 à 940 degrés.
La recristallisation dynamique de l'alliage GH4169 est facilitée par l'augmentation de la température de forgeage, l'augmentation du degré de déformation, l'adoption d'une vitesse de déformation supérieure ou inférieure et l'application de déformations multiples.
