超合金鍛造の謎を解明: 産業のスーパーヒーロー素材の創造
超合金は耐熱合金または超合金としても知られ、現代の航空エンジン、ロケット エンジン、ガス タービンおよび化学装置に不可欠な金属材料です。 600～1100度の酸化・ガス腐食条件下での複雑な応力に耐え、長期間安定して動作します。
現在、変形超合金の中で最も広く使用されているのは鉄基超合金とニッケル基超合金である。鉄系合金は、タービンディスク、コンプレッサーディスク、軸受リングの燃焼室、ブレードなどに多く使用されており、その組成特性は鉄を主成分とし、ニッケル、クロムなどの元素を多量に含んでいます。強度特性により、弱時効硬化型、固溶体時効硬化型、炭化物時効硬化型、金属間化合物時効硬化型に分けられます。
ニッケル基合金は、タービンブレード、燃焼室、タービンディスク、コンプレッサーディスク、コンプレッサーブレードの製造に多く使用されており、その組成はニッケル基を特徴とし、10％から20％のω（Cr）を含み、ニッケル基を形成します。オーステナイトマトリックス。さらに、一部の合金には 10% ～ 20% の ω (Co) が含まれており、ニッケル - クロム - コバルトのオーステナイト マトリックスを形成します。強化タイプにより固溶強化型と時効強化型に分けられます。
超合金の特性は主に合金の組成と微細構造に依存します。微細構造では、析出相の種類、構造、形状、サイズ、量、分布が特に重要です。鉄およびニッケル基合金の一般的な析出物は、金属間化合物、炭化物、ホウ化物です。これらの化合物はすべて、熱処理によって制御および制御でき、変形によってその形態や分布を変化させることもできます。
変形超合金の熱処理は、一般的に固溶処理、中間処理（二次固溶処理とも呼ばれます）、時効処理から構成されます。溶体化処理の目的は、均一な過飽和固溶体を得て、適切な粒径を制御することです。中間熱処理の目的は、炭化物の状態を変化させ、サイズの異なる 2 つの異なる「相」を得ることです。時効処理の目的は、強化相を完全かつ均一に析出させ、析出硬化の効果を達成することであり、温度、時間、頻度を選択し、強化相の数、形状、分布が適切な基準となるようにする。変形超合金の熱間変形プロセスの中核は、プロセスの可塑性と粗大な結晶の臨界変形です。
1.超合金の変形特性
1) 低い可塑性、高度な合金化による超合金は、不均質な構造と複雑な相組成を持っているため、プロセス可塑性が低いです。特に高温においては、S、Pb、Snなどの不純物元素が含まれると粒子間の結合力が弱まり、塑性が低下する場合が多い。超合金は通常、強化元素であるアルミニウムとチタンの合計含有量を使用して可塑性のレベルを決定します。合計含有量が 6% 以上の場合、可塑性は非常に低くなります。ニッケル基超合金の加工延性は、鉄基超合金の延性よりも低い。超合金のプロセス塑性は、変形速度と応力状態に非常に影響されます。一部の合金インゴットや中間ビレットは、低速の変形と据え込み、圧延、さらには押し出しによって成形する必要があります。
2）超合金の複雑な組成、高い再結晶温度、遅い速度により、大きな変形抵抗があり、高い変形抵抗と変形温度での硬化傾向があり、変形抵抗は一般に通常の構造用鋼の4〜7倍です。
3) 鍛造温度範囲が狭く、超合金の融点は鋼に比べて低く、加熱温度が高すぎて過熱や過焼を引き起こします。鍛造停止温度が低すぎると、塑性が低く、変形抵抗が大きく、冷熱混合変形により鍛造時に不均一な粗大結晶が生成しやすい。したがって、超合金の鍛造温度範囲は非常に狭く、一般的には200℃程度しかありません。ニッケル基耐熱合金の鍛造温度範囲はさらに狭く、ほとんどが100～150℃で、中にはそれ以下のものもあります。 100℃
4) 熱伝導率が悪く、超合金の低温での熱伝導率は炭素鋼の熱伝導率よりもはるかに低いため、通常は700〜800℃の範囲でゆっくりと予熱する必要があります。そうしないと、高温が発生します。応力がかかるため、発熱金属は脆い状態になります。
2.超合金の加工塑性
1) 多量の合金元素の添加により、超合金の耐熱性は向上しますが、加工可塑性は大幅に低下します。合金化率が高いと、偏析が激しくなり、粗大な柱状結晶が生じます。初晶デンドライト粒界の弱い結合部では、粒界に沿って亀裂が発生しやすくなります。デンドライト偏析により、最初の晶出部の合金元素の含有量が低く、デンドライト端部の合金元素の含有量が高いため、炭化物や金属間化合物がデンドライト端部に集中し、展性が低下します。合金の。
2) 高合金化により、超合金棒の可塑性は通常の合金鋼よりも大幅に低くなります。多くの合金元素が粒界領域に濃化しているため、高温では粒界強度が粒内強度よりも低く、強化相粒子の多くは変形温度内ですべてが固溶しません。炭化物やホウ化物などの範囲にあるため、 に加えて、変形に関与する強化相も存在します。つまり、変形は単相状態では行われません。したがって、超合金圧延棒の加工可塑性も比較的低いです。したがって、超合金の鍛造プロセス手順を定式化する際には、まず合金のプロセス可塑性を測定する必要があります。
3.超合金の変形温度の決定
1)超合金の変形温度を決定する原理、超合金の合金化度の複雑さにより、合金の初期溶融温度が低下し、再結晶および強化相の溶解温度が上昇し、その結果、変形温度が狭くなります。そしてさらに狭い。したがって、変形温度を決定する際には、プロセスの可塑性を確保し、成形に適合することに加えて、良好な組織と特性を得る必要性も満たさなければなりません。超合金鍛造品の微細構造に細胞転位ネットワークを維持し、微細で均一な結晶粒と良好な特性を得るには、鍛造変形温度を結晶粒成長温度より低くし、最終鍛造温度をそれに近い（わずかに高い）温度にする必要があります。第二相粒子が固溶体に溶解する温度と再結晶化温度。
超合金鍛造の謎を解明: 産業のスーパーヒーロー素材の創造
2)超合金の加熱仕様は、超合金の加熱は予熱と加熱の2段階に分かれています。鍛造加熱温度での超合金の保持時間を短縮するには、過度の結晶粒の粗大化と合金元素の枯渇を避けてください。同時に、超合金の低い熱伝導率と高い熱膨張係数によって引き起こされる熱応力を軽減するために、鍛造前にブランクを予熱する必要があります。予熱温度は750〜800度、保持時間は0.6〜0.8min/mmと計算されます。加熱温度は通常1100～1180℃、保持時間は0.4～0.8min/mmです。加熱装置は抵抗炉を使用し、温度計と自動調整温度制御装置を備え正確に制御します。火炎炉を選択する場合、燃料中の硫黄分を厳密に管理する必要があります。ディーゼルまたは重油中の硫黄分は 0.5% 未満である必要があります。ガスの硫黄含有量は 0.7g/m3 未満である必要があります。燃料中の過剰な硫黄分は、ビレットの表面に浸透すると、低融点 (約 650 度) の Ni-Ni3S3 共晶を形成し、合金を高温脆化させます。ブランク表面のクロム、アルミニウム、チタン、その他の元素の消耗を防ぎ、合金の疲労強度と高温耐久強度の低下を避けるために、酸化加熱対策をあまりとらず、まったくとらないことが必要です。局所誘導加熱はブランクの予備鍛造に使用できます。加熱する前に、ブランクを洗浄して汚れを取り除き、腐食による表面欠陥を避ける必要があります。複数回の火入れで鍛造する場合は、静的再結晶による粒成長を避けるために、2回の火入れの間隔を長くするほど鍛造加熱温度を下げる必要があり、同時に再加熱温度も低くする必要があります。完成した鍛造品ほど変形が小さくなります。
4.超合金の変形度の測定
1) 超合金の変形度を求める原理
超合金は合金化度が高いため、変形温度範囲が狭く、調整余地があまりありません。さらに、超合金には異性化転移がなく、合金の粒径は主に鍛造変形によって制御されます。したがって、変形温度を決定した後、変形度の選択は非常に重要です。特定の鍛造温度では、各加熱順序の変形は臨界変形度より大きく、第 2 結晶粒成長領域の対応する変形度より小さくなければなりません。プロセスの塑性とプロセス配置（鍛造前）の要件を満たすという前提の下では、各変形は深く均一である必要があり、不均一な変形を避けるように努めてください。そうでないと、帯状の粗大結晶や局所的な粗大結晶が生成されます。超合金の粗大結晶にはある種の遺伝的頑固さがあり、変形直後の変形度が十分に大きくない場合には、一度の不均一な変形によって生じた粗大結晶を変化させるのは困難である。満足のいく微細構造と特性を得るには、加熱温度を低くし、変形度を大きくし、析出相を使用して微細構造を制御し、最終鍛造変形時の粒径と粒界状態を改善する必要があります。
粒径に加えて、粒界状態も重要な微細構造因子です。粒界の強化と強化の観点から、粒界組織の制御には次の法則があります。
（１）粒界に析出相が存在しないため、クラックチャネルとなりやすい。
(2) 粗大相と炭化物が粒界に均一に分布し、合金粒界を強化し靭性を高めます。
(3) 粒界欠乏領域には応力緩和部が存在し、せん断抵抗を低減し、ひずみ集中領域を拡大することができる。したがって、粒界強度が高すぎる場合、空乏領域が有利な役割を果たします。
(4) 粒界上に連続的な薄膜炭化物相が形成されるため、合金はノッチに敏感になります。
(5) 粒界での細胞状炭化物の形成は、合金粒界の強度と靭性向上に悪影響を及ぼします。
したがって、合理的な熱処理システムに加えて、鍛造プロセスでは、合理的な変形分布を通じて、特に最後の火入れの最終鍛造変形の程度を増加させ、粒界状態、結晶粒と粒界強度のマッチングを改善します。 、良好な組織特性を得るために、間違いなく非常に重要です。
2)一般に、変形した超合金は重大な変形に対してより敏感です、臨界変形度は通常広い範囲 ({{0}.5% ~ 20%) で変化します。具体的な値は合金によって異なり、臨界変形度は合金によって異なります。同じ合金でも加熱温度が異なると異なります。たとえば、GH4049 合金の合計臨界変形度は 0.1% ～ 7% です。 GH4220 合金の合計臨界変形度は 1150 度で 0.6%-4.7%、1180 度で 0.1%-3% ですが、異なる鍛造温度での臨界変形度、鍛造温度での変形度は異なります。最大結晶粒と最大臨界変形直径は同じではありません。臨界変形粗結晶の直径は通常の結晶粒よりも数桁大きく、最大で10mm、最小で1mmとなります。
5.超合金の微細構造と特性に対する鍛造プロセスパラメータの影響
鍛造およびその後の熱処理プロセスパラメータの適切な選択は、鍛造品の機械的特性に直接影響します。加熱処理パラメータの選択の参考として、各種合金の試験結果を以下に示します。
1) GH2036 合金の微細構造と特性に対する加熱温度の影響
型鍛造前のGH2036合金タービンディスクの許容加熱温度は1190度です。合金を 1220 度で 2 時間加熱すると、引張サンプルと衝撃サンプルは粒内破壊から粒界破壊に変化します。つまり、合金は過熱します。合金を 1250 度および 1280 度で 2 時間加熱すると、合金の粒界で局所的な初期溶融が生じます。つまり、合金は過剰燃焼します。粒界破壊は引張試験片と衝撃試験片の両方で発生し、合金の全体的な特性が低下します。高温加熱が GH2036 合金の特性に与える影響は、加熱温度の上昇とともに合金の衝撃特性、引張特性、耐久特性が低下します。
2) GH4169 合金の特性に対する最終変形温度の影響
最終変形度が 25% の場合、最終変形温度を 900 ～ 955 度に制御することでノッチ感受性を解消できます。最終変形温度の上昇により、合金の結晶粒が不均一になり、塑性が低下します。ノッチ感度で。 3) 粒径が性能に及ぼす影響
3) 粒子サイズが特性に及ぼす影響
粒子を粗くすると耐久強度とクリープ強度を高めることができ、粒子を細かくすると降伏強度と疲労強度を高めることができます。均一な粒径は合金の特性にとって有益です。粗大な結晶の破壊寿命は、微細な結晶の破壊寿命よりも短くなります。 GH4169合金の特性に対する結晶粒径の包括的な影響は、GH4169合金の降伏強度と疲労強度が結晶粒微細化によって明らかに改善されるが、600度を超える温度での疲労強度が低下することを示しています。合金の永久強度に対する影響は、破壊形態 (粒内破壊または粒界破壊) に依存します。つまり、合金の温度が関係します。
4) 動的再結晶に対する熱プロセスパラメータの影響
変形度が 30% 以上の場合、GH4169 合金をハンマーまたは油圧プレスで鍛造する場合、動的再結晶開始温度はおよそ 930 ～ 960 度、等温鍛造の場合はおよそ 930 ～ 940 度になります。
GH4169 合金の動的再結晶は、鍛造温度を上げ、変形度を上げ、より高いまたはより低いひずみ速度を採用し、複数の変形を適用することによって促進されます。
