निकेल-आधारित सुपरअलॉय फोर्जिंग: महत्वपूर्ण घूर्णन भागों में अनाज के आकार नियंत्रण के लिए हीट ट्रीटमेंट

टरबाइन डिस्क, कंप्रेसर डिस्क, शाफ्ट और रोटर फोर्जिंग हजारों घंटों तक उच्च गति और उच्च तापमान पर घूमते हैं। विफलता कोई रिसाव नहीं है; यह एक विनाशकारी घटना है. इन भागों के लिए, धातु के दानों का आकार कोई कॉस्मेटिक विवरण नहीं है। यह तय करता है कि भाग थकान दरारों, रेंगने और धीमी दरार वृद्धि का प्रतिरोध कैसे करता है। यह मार्गदर्शिका बताती है कि कैसे ताप उपचार निकल-आधारित सुपरअलॉय फोर्जिंग में अनाज का आकार निर्धारित करता है, प्रमुख मार्गों की तुलना कैसे की जाती है, और खरीदारों को क्या निर्दिष्ट और सत्यापित करना चाहिए।

सुपरअलॉय फोर्जिंग में अनाज का आकार एक साथ काम करने वाली दो चीजों द्वारा निर्धारित किया जाता है: गर्म-कार्य इतिहास जो अनाज बनाता है, और उस तापमान के सापेक्ष गर्मी-उपचार तापमान जिस पर मजबूत करने वाले या पिनिंग कण घुल जाते हैं। उस तापमान से नीचे घोलने से अनाज ठीक रहता है (बेहतर तन्यता और थकान शक्ति); इसके ऊपर घोल डालने से अनाज मोटा हो जाता है (बेहतर रेंगना और दरार वृद्धि प्रतिरोध)। दोहरे-माइक्रोस्ट्रक्चर उपचार डिस्क के प्रत्येक भाग को उसके लिए आवश्यक अनाज का आकार देने का प्रयास करते हैं।

महत्वपूर्ण घूमने वाले भागों में अनाज का आकार क्यों मायने रखता है?

क्योंकि बारीक और मोटे अनाज अलग-अलग विफलता मोड से बचाते हैं। महीन दाने उच्च तन्यता शक्ति और बेहतर निम्न-चक्र थकान प्रतिरोध देते हैं; मोटे अनाज उच्च तापमान पर बेहतर रेंगना और दरार वृद्धि प्रतिरोध प्रदान करते हैं। घूमने वाले भाग में हर जगह एक भी दाने का आकार सर्वोत्तम नहीं होता है।

दाना एक छोटा क्रिस्टल है। उच्च तापमान पर दानों के बीच की सीमाएँ कमजोर स्थान होती हैं, जहाँ धातु धीरे-धीरे उनके साथ विकृत (रेंगना) हो सकती है। कम तापमान पर विपरीत सच है: सीमाएं दरारें रोकती हैं, इसलिए अधिक सीमाएं (महीन दाने) का मतलब एक मजबूत, अधिक थकान-प्रतिरोधी धातु है। एक डिस्क में एक साथ दोनों स्थितियाँ होती हैं। बोर (केंद्र) ठंडा है और उच्च तनाव चक्र रखता है। रिम गर्म हो जाता है और निरंतर भार के नीचे बैठता है।

तालिका 1. डिस्क मिश्र धातुओं में अनाज के आकार का व्यापार-बंद, जैसा कि प्रकाशित गैस टरबाइन डिस्क ताप-उपचार साहित्य में वर्णित है।

निकेल-आधारित सुपरअलॉय फोर्जिंग में अनाज का आकार क्या नियंत्रित करता है?

तीन लीवर इसे नियंत्रित करते हैं: फोर्जिंग के दौरान धातु कितनी और कितनी गर्म होती है, कौन से कण अनाज की सीमाओं को पिन करने के लिए मौजूद होते हैं, और सॉल्वस के सापेक्ष अंतिम समाधान-उपचार तापमान (वह तापमान जिस पर वे कण घुलते हैं)।

फोर्जिंग के दौरान, विरूपण पुनः क्रिस्टलीकरण द्वारा नए, छोटे दाने बनाता है। बाद में गर्म करने के दौरान, वे दाने बढ़ने लगते हैं, क्योंकि बड़े दानों का सीमा क्षेत्र कम होता है और इसलिए ऊर्जा कम होती है। अनाज की सीमाओं पर बैठे कठोर कण लंगर की तरह काम करते हैं और इस वृद्धि को रोकते हैं। मेंमिश्रधातु 718एंकरिंग चरण डेल्टा (δ) है; पाउडर-मेटल डिस्क मिश्रधातु में यह मोटे प्राथमिक गामा प्राइम (') है। एक बार जब ताप उपचार तापमान उस बिंदु को पार कर जाता है जहां एंकर घुल जाते हैं, तो अनाज तेजी से बढ़ सकता है। यही कारण है कि अनाज के आकार के नियंत्रण में सॉल्वस तापमान सबसे महत्वपूर्ण संख्या है।

इनकोनेल 718 में डेल्टा चरण अनाज के आकार को कैसे नियंत्रित करता है?

डेल्टा चरण एक नाइओबियम युक्त चरण है जो लगभग 800 और 1000 डिग्री के बीच अनाज की सीमाओं पर बनता है। यह फोर्जिंग और समाधान उपचार के दौरान सीमाओं को पिन करता है, इसलिए मिश्र धातु 718 तब तक महीन दाने वाला रहता है जब तक समाधान का तापमान डेल्टा सॉल्वस से लगभग 1010-1020 डिग्री नीचे रहता है।

जालसाज जानबूझकर इसका फायदा उठाते हैं। "डेल्टा प्रसंस्करण" में, सामग्री को फोर्जिंग से पहले और उसके दौरान डेल्टा चरण को अवक्षेपित करने के लिए रखा जाता है, ताकि बाद में भाग को गर्म करने पर दाने छोटे रहें। प्रकाशित आंकड़ों से पता चलता है कि अनाज का आकार तापमान और डेल्टा सामग्री के प्रति कितना संवेदनशील है। अल्ट्रा-फाइन-ग्रेन 718 बिलेट के एक अध्ययन में, 5 घंटे के लिए 1800 डिग्री F (लगभग 980 डिग्री) के घोल ने लगभग 2.6% डेल्टा छोड़ा और ASTM 9 ग्रेन आकार दिया, जबकि 1 घंटे के लिए 1850 डिग्री F (लगभग 1010 डिग्री) के घोल ने लगभग 4.6% डेल्टा छोड़ा और ASTM 10 दिया। एक अलग पूर्ण-स्केल डिस्क अध्ययन में, 954 डिग्री पर मानक समाधान ने एक उत्पादन किया डेल्टा-संसाधित सामग्री में समान एएसटीएम 11-12 संरचना।

तालिका 2. मिश्र धातु 718 अनाज के आकार पर समाधान तापमान और डेल्टा चरण का प्रभाव। स्रोत: टीएमएस सुपरअलॉयज कार्यवाही (1992, 2001) और मिश्र धातु 718 ताप उपचार पर पेटेंट साहित्य। एएसटीएम नंबर एएसटीएम ई112 ग्रेन साइज नंबर हैं; उच्चतर का अर्थ है बेहतर.

टेकअवे एक व्यापार-बंद है। डेल्टा चरण अनाज के आकार को बनाए रखने में मदद करता है, लेकिन अनाज की सीमाओं पर यह लचीलापन और तनाव-संक्षारण व्यवहार को भी प्रभावित कर सकता है, इसलिए कुछ अनुप्रयोग जानबूझकर इसे भंग कर देते हैं। तनाव संक्षारण प्रतिरोध पर एक प्रकाशित पेटेंट रिपोर्ट करता है कि डेल्टा सॉल्वस के ऊपर एनीलिंग ने सीमा डेल्टा को हटा दिया लेकिन एएसटीएम 8 से एएसटीएम 3 तक मोटे अनाज को हटा दिया। यही कारण है कि आवेदन के लिए समाधान तापमान चुना जाता है, सामान्य तालिका से कॉपी नहीं किया जाता है।

सबसॉल्वस और सुपरसॉल्वस हीट ट्रीटमेंट के बीच क्या अंतर है?

सबसॉल्वस समाधान उपचार गामा प्राइम सॉल्वस के नीचे किया जाता है, मोटे प्राथमिक कणों को छोड़ता है जो अनाज को पिन करते हैं, और बारीक दाने देते हैं। सुपरसॉल्वस उपचार सॉल्वस के ऊपर किया जाता है, उन कणों को घोलता है, और अनाज को मोटा होने देता है। पहला शक्ति और थकान का पक्षधर है; दूसरा रेंगना और दरार वृद्धि प्रतिरोध का पक्ष लेता है।

यह विकल्प मुख्य रूप से रेने 88डीटी जैसे अत्यधिक मिश्रित, गामा-प्राइम-मजबूत पाउडर-मेटल डिस्क मिश्र धातुओं पर लागू होता है, जिसका गामा प्राइम सॉल्वस लगभग 1110-1116 डिग्री (2030-2040 डिग्री एफ) पर बताया गया है। इन मिश्र धातुओं पर प्रकाशित कार्य से पता चलता है कि सबसॉल्वस उपचार लगभग 10-20% मोटे प्राथमिक कणों को बनाए रखते हैं जो अनाज के विकास को रोकते हैं, जबकि सुपरसॉल्वस उपचार इस बाधा को खो देते हैं और अनाज को बढ़ने देते हैं।

तालिका 3. गामा-प्राइम-मजबूत डिस्क मिश्र धातुओं के लिए सबसॉल्वस बनाम सुपरसॉल्वस समाधान उपचार। स्रोत: टीएमएस सुपरअलॉयज कार्यवाही, नासा डिस्क अध्ययन और जीई पेटेंट साहित्य।

सुपरसॉल्वस प्रसंस्करण रेने 88DT के विकास के लिए केंद्रीय था, जहां सुपरसॉल्वस समाधान उपचार द्वारा विकसित मोटे अनाज के आकार से रेंगने में लाभ होने की उम्मीद थी, और कार्यक्रम का लक्ष्य रेने 95 की तुलना में थकान दरार वृद्धि दर में बड़ी कमी करना था। मिश्र धातु के इस वर्ग का सुपरसॉल्वस उपचार, थकान दरार वृद्धि के प्रतिरोध में सुधार के लिए एएसटीएम 6 के करीब मोटे अनाज के आकार का उत्पादन कर सकता है।

इनकोनेल 718 फोर्जिंग के लिए मानक ताप उपचार क्या है?

समाधान लगभग 925-1010 डिग्री पर जलता है, उसके बाद तेजी से ठंडा होता है, फिर दो चरणों की आयु: 8 घंटे के लिए 718 डिग्री, भट्ठी लगभग 620 डिग्री तक ठंडा, 18 घंटे के कुल उम्र बढ़ने के समय तक पकड़ें, फिर हवा में ठंडा करें। समाधान चरण को डेल्टा सॉल्वस के नीचे रखने से बारीक अनाज सुरक्षित रहता है।

तालिका 4. विशिष्ट मिश्र धातु 718 समाधान-और-आयु चक्र। स्रोत: एएमएस 5662/5663 अभ्यास को संदर्भित करने वाले आपूर्तिकर्ता डेटा शीट। हमेशा शासकीय विनिर्देश और खरीद आदेश का पालन करें।

उम्र बढ़ने के चरण अनाज के आकार में ज्यादा बदलाव नहीं लाते हैं, क्योंकि 718 डिग्री और 620 डिग्री घोल के तापमान से काफी नीचे हैं। वे जो करते हैं वह सुदृढ़ीकरण चरणों (″ और ′) को तेज करना है। इसलिए अनाज का आकार फोर्जिंग मार्ग और समाधान चरण द्वारा तय किया जाता है; फिर उम्र बढ़ना ताकत निर्धारित करता है।

डुअल माइक्रोस्ट्रक्चर हीट ट्रीटमेंट क्या है और इसका उपयोग डिस्क के लिए क्यों किया जाता है?

दोहरी माइक्रोस्ट्रक्चर हीट ट्रीटमेंट एक डिस्क को सॉल्वस के सापेक्ष दो क्षेत्रों को अलग-अलग तापमान पर गर्म करके एक बारीक-दाना, उच्च-शक्ति वाला बोर और एक मोटा-दाना, रेंगना-प्रतिरोधी रिम देता है। इसका उद्देश्य एक अनाज-आकार-सभी के लिए उपयुक्त समझौते को दूर करना है।

एक समान ताप उपचार पूरे डिस्क में एक समान अनाज का आकार देता है, या तो बारीक या मोटा, जो समझौता करने के लिए मजबूर करता है। दोहरे उपचार में, रिम को मोटा करने के लिए गामा प्राइम सॉल्वस के ऊपर लाया जाता है, जबकि बोर को सॉल्वस के नीचे रखा जाता है। उन्नत डिस्क मिश्र धातु एलएसएचआर पर अनुसंधान ने सबसॉल्वस और सुपरसॉल्वस विकल्पों और कई दोहरे संरचना विकल्पों की जांच की, जो एक बढ़िया अनाज, उच्च शक्ति वाले बोर और एक मोटे अनाज, रेंगने वाले प्रतिरोधी रिम को वितरित करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।

इस पद्धति की अपनी चुनौती है: बारीक और मोटे क्षेत्रों के बीच संक्रमण क्षेत्र। नासा के शोधकर्ताओं ने दोहरी माइक्रोस्ट्रक्चर डिस्क के अनाज के आकार के संक्रमण क्षेत्र में थकान विफलता मोड का अध्ययन किया है, और गर्मी-उपचार पेटेंट एक और प्रक्रिया जोखिम पर ध्यान देते हैं, कि सॉल्वस के बहुत नीचे एक बोर तापमान गामा प्राइम को अधिक उम्र दे सकता है और लाभ को रद्द कर सकता है। दोहरे सूक्ष्म संरचना उपचार के लिए सटीक थर्मल नियंत्रण और संपूर्ण परीक्षण की आवश्यकता होती है।

अनाज के खराब आकार नियंत्रण के कारण क्या दोष हो सकते हैं?

मुख्य दोष असामान्य मोटे अनाज (महत्वपूर्ण अनाज वृद्धि), मिश्रित या बैंडेड अनाज संरचनाएं, अत्यधिक घोल तापमान से बढ़े हुए अनाज, और अवशिष्ट तनाव या शमन क्रैकिंग हैं, जो सभी थकान जीवन को कम कर सकते हैं या परिणामों को अप्रत्याशित बना सकते हैं।

तालिका 5. सुपरअलॉय फोर्जिंग में अनाज के आकार से संबंधित सामान्य दोष और उन्हें कैसे रोका जाए।

खरीदारों को अनाज का आकार कैसे निर्दिष्ट और सत्यापित करना चाहिए?

मिश्र धातु और नियामक विनिर्देश, आवश्यक एएसटीएम ई112 अनाज आकार सीमा (और किसी भी अधिकतम स्वीकार्य मोटे अनाज), परीक्षण स्थानों और गर्मी-उपचार मार्ग को निर्दिष्ट करें, फिर प्रमाण पत्र और धातु विज्ञान की आवश्यकता होती है जो इसे साबित करते हैं।

अनाज का आकार एएसटीएम ई112 पैमाने पर रिपोर्ट किया जाता है, जहां बड़ी संख्या का मतलब बेहतर अनाज होता है। नीचे दी गई तालिका आमतौर पर सुपरअलॉय फोर्जिंग में देखी जाने वाली संख्याओं के लिए अनुमानित औसत अनाज व्यास देती है।

तालिका 6. अनुमानित एएसटीएम ई112 अनाज आकार रूपांतरण।

तालिका 7. अनाज-आकार-महत्वपूर्ण सुपरअलॉय फोर्जिंग के लिए क्रेता चेकलिस्ट।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्नों

फोर्जिंग विरूपण अनाज बनाता है, पिनिंग कण (मिश्र धातु 718 में डेल्टा चरण, डिस्क मिश्र धातु में मोटे प्राथमिक गामा प्राइम) उन्हें वापस पकड़ते हैं, और सॉल्वस के सापेक्ष समाधान तापमान यह तय करता है कि वे कण बने रहेंगे या घुल जाएंगे।

इनकोनेल 718 का डेल्टा सॉल्वस क्या है?

लगभग 1010-1020 डिग्री। प्रकाशित मान थोड़े भिन्न होते हैं क्योंकि सॉल्वस समय, आकारिकी और स्थानीय नाइओबियम सामग्री पर निर्भर करता है; एक अध्ययन 1033 डिग्री के करीब परिकलित संतुलन मान और 1020 डिग्री के करीब एक स्पष्ट मान की रिपोर्ट करता है।

सबसॉल्वस बनाम सुपरसॉल्वस ताप उपचार क्या है?

सबसॉल्वस गामा प्राइम सॉल्वस के नीचे समाधान उपचार है और बारीक दाने और बेहतर तन्यता और थकान गुण देता है। सुपरसॉल्वस सॉल्वस के ऊपर है और मोटे अनाज और बेहतर रेंगना और दरार वृद्धि प्रतिरोध देता है।

रेंगने के प्रतिरोध के लिए हर दाने को मोटा क्यों नहीं बनाया जाता?

मोटे अनाज कम तन्यता और कम-चक्र थकान शक्ति, जो एक डिस्क के ठंडे, अत्यधिक तनाव वाले बोर पर मायने रखते हैं। इसीलिए दोहरे सूक्ष्म संरचना उपचार मौजूद हैं।

इनकोनेल 718 के लिए मानक ताप उपचार क्या है?

घोल तेजी से ठंडा होने के साथ 925-1010 डिग्री के आसपास जलता है, फिर 8 घंटे के लिए 718 डिग्री पर रहता है, भट्टी लगभग 620 डिग्री तक ठंडा होता है, कुल 18 घंटे तक रुकता है और हवा ठंडी होती है।

महत्वपूर्ण अनाज वृद्धि क्या है?

असामान्य रूप से मोटे अनाज जो रेने 88डीटी जैसे पाउडर-धातु मिश्र धातुओं के सुपरसॉल्वस ताप उपचार के बाद गंभीर तनाव वाले क्षेत्रों में बनते हैं। यह एक ज्ञात फोर्जिंग और ताप-उपचार जोखिम है जिसे रोकने के लिए प्रसंस्करण नियंत्रण डिज़ाइन किए गए हैं।