ニッケル基超合金鍛造品: 重要な回転部品の粒度制御のための熱処理

タービン ディスク、コンプレッサー ディスク、シャフト、ローター鍛造品は、高速かつ高温で何千時間も回転します。失敗は漏れではありません。それは壊滅的な出来事です。これらの部品の場合、金属の粒子のサイズは表面上の詳細ではありません。これにより、部品が疲労亀裂、クリープ、およびゆっくりとした亀裂の成長にどのように耐えられるかが決まります。このガイドでは、熱処理によってニッケル基超合金鍛造品の結晶粒度がどのように設定されるか、主要なルートの比較方法、および購入者が指定および確認する必要がある内容について説明します。

超合金鍛造品の結晶粒径は、結晶粒を形成する熱間加工履歴と、強化粒子またはピンニング粒子が溶解する温度に対する熱処理温度の 2 つの要素が連携して設定されます。その温度以下で溶解すると粒子は微細に保たれます (引張強度と疲労強度が向上します)。その上で溶液を溶解すると、粒子が粗大になります（クリープおよび滞留亀裂の成長に対する耐性が向上します）。二重微細構造処理は、ディスクの各部分に必要な粒子サイズを与えようとします。

重要な回転部品ではなぜ粒度が重要なのでしょうか?

細かい粒子と粗い粒子がさまざまな故障モードから保護するためです。粒子が細かいと、引張強度が向上し、低サイクル疲労耐性が向上します。粒子が粗いと、高温でのクリープおよび滞留亀裂成長に対する耐性が向上します。回転部品のあらゆる場所で最適な単一の粒子サイズはありません。

粒とは小さな結晶のことです。結晶粒間の境界は高温では弱い部分であり、金属は境界に沿ってゆっくりと変形 (クリープ) する可能性があります。低温ではその逆が当てはまります。つまり、境界が亀裂をブロックするため、境界が多い (粒子が細かい) ほど、金属はより強く、より耐疲労性があることを意味します。ディスクには両方の状態が同時に存在します。ボア (中心) は温度が低く、高い応力サイクルが発生します。リムはさらに熱くなり、継続的な負荷がかかる状態になります。

表 1. ガスタービンディスクの熱処理に関する出版文献に記載されている、ディスク合金の粒径のトレードオフ。

ニッケル基超合金鍛造品の結晶粒径を制御するものは何ですか?

それは 3 つのレバーによって制御されます。それは、鍛造中に金属がどのくらい変形するか、どのくらいの熱さか、どの粒子が粒界を固定するために存在するか、そしてソルバス (粒子が溶解する温度) に対する最終溶体化処理温度です。

鍛造中、変形により再結晶により新しい小さな結晶粒が生成されます。後の加熱中に、大きな粒子は境界領域が少なく、したがってエネルギーが低いため、これらの粒子は成長する傾向があります。粒界にある硬い粒子はアンカーのように働き、この成長を止めます。でアロイ718アンカリング位相はデルタ (δ) です。粉末金属ディスク合金では、粗い一次ガンマプライム ( ') です。熱処理温度がアンカーが溶解する温度を超えると、粒子が急速に成長する可能性があります。これが、ソルバス温度が粒度制御において最も重要な数値である理由です。

デルタ位相はインコネル 718 の粒径をどのように制御しますか?

デルタ相は、およそ 800 度から 1000 度の間の粒界に形成されるニオブが豊富な相です。鍛造および溶体化処理中に境界を固定するため、溶体化温度がデルタ ソルバス (約 1010 ～ 1020 度) を下回る限り、合金 718 は微細な状態を保ちます。

偽造者はこれを意図的に悪用します。 「デルタ処理」では、鍛造前および鍛造中に材料を保持してデルタ相を析出させ、後で部品が加熱されたときに結晶粒が小さいままになります。公開されたデータは、粒子サイズが温度とデルタ含有量にどの程度影響されるかを示しています。超微粒子 718 ビレットに関するある研究では、1800 度 F (約 980 度) で 5 時間の溶液では約 2.6% のデルタが残り、ASTM 9 の粒度が得られましたが、1850 度 F (約 1010 度) で 1 時間の溶液では約 4.6% のデルタが残り、ASTM 10 の粒度が得られました。別の本格的なディスク研究では、954 度の標準溶液が生成されました。デルタ処理された材料の均一な ASTM 11 ～ 12 構造。

表 2. 合金 718 の粒径に対する溶液温度とデルタ相の影響。出典: TMS Superalloys 議事録 (1992、2001) および合金 718 熱処理に関する特許文献。 ASTM 番号は ASTM E112 粒度番号です。高いほど細かいことを意味します。

テイクアウトはトレードオフです。デルタ相は粒径を保持するのに役立ちますが、粒界では延性や応力腐食挙動にも影響を与える可能性があるため、用途によっては意図的にデルタ相を溶解させます。応力腐食耐性に関する公開された特許では、デルタ ソルバスを超える焼鈍により、境界デルタは除去されたものの、結晶粒が ASTM 8 から ASTM 3 まで粗大化したことが報告されています。これが、一般的な表からコピーするのではなく、用途に合わせて溶液温度を選択する理由です。

サブソルバス熱処理とスーパーソルバス熱処理の違いは何ですか?

サブソルバス溶液処理はガンマプライムソルバス以下で行われ、粒子を固定する粗大な一次粒子を残し、細かい粒子を与えます。スーパーソルバス処理はソルバスの上で行われ、それらの粒子を溶解し、粒子を粗くします。前者は強さと疲労に有利です。 2 つ目は、クリープと亀裂の成長に対する耐性に有利です。

この選択は主に、ガンマプライム ソルバスが約 1110 ～ 1116 度 (2030 ～ 2040 度 F) であると報告されている René 88DT など、高度に合金化されたガンマプライム強化粉末金属ディスク合金に適用されます。これらの合金に関する出版された研究では、サブソルバス処理では粒子の成長を制限する粗大な一次粒子が約 10 ～ 20% 保持されるのに対し、スーパーソルバス処理ではこの制約がなくなり、粒子の成長が可能になることが記載されています。

表 3. ガンマプライム強化ディスク合金のサブソルバスとスーパーソルバスの溶体化処理。出典: TMS 超合金の議事録、NASA のディスク研究、および GE の特許文献。

スーパーソルバス処理は René 88DT の開発の中心であり、スーパーソルバス溶液処理によって開発されたより粗大な結晶粒径はクリープに効果があると期待されており、このプログラムは René 95 と比較して疲労亀裂成長速度の大幅な低減を目的としていました。このクラスの合金のスーパーソルバス処理は ASTM 6 に近い粗大粒径を生成し、滞留疲労亀裂成長に対する耐性を向上させることができます。

インコネル 718 鍛造品の標準熱処理は何ですか?

約 925 ～ 1010 度で溶体化処理し、その後急冷し、2 段階の時効を行います。718 度で 8 時間、炉を約 620 度まで冷却し、合計時効時間 18 時間保持し、その後空冷します。解のステップをデルタ ソルバス未満に保つと、細かい粒度が維持されます。

表 4. アロイ 718 の一般的な溶液と時効サイクル。出典: AMS 5662/5663 の実践を参照するサプライヤー データ シート。常に準拠仕様と発注書に従ってください。

718 度および 620 度は溶液温度よりもかなり低いため、時効ステップでは粒子サイズはあまり変化しません。それらが行うことは、強化相 ('' および '') を析出させることです。したがって、結晶粒度は鍛造ルートと溶体化ステップによって決まります。老化により強度が決まります。

二重微細構造熱処理とは何ですか?また、それがディスクに使用される理由は何ですか?

二重微細構造熱処理は、2 つの領域をソルバスに対して異なる温度に加熱することにより、ディスクに細粒の高強度ボアと粗粒の耐クリープ性リムを与えます。それは、一粒ですべてに適合する妥協を取り除くことを目的としています。

均一な熱処理により、ディスク全体で均一な粒子サイズ（細かいまたは粗い）が得られるため、妥協が必要になります。二重処理では、リムをガンマプライム ソルバスよりも上に持ってきて粗くしますが、ボアはソルバスより下に保たれます。先進的なディスク合金 LSHR の研究では、サブソルバスおよびスーパーソルバスのオプションと、細粒で高強度のボアと粗粒の耐クリープ性リムを実現するように設計されたいくつかの二重構造のオプションが検討されました。

この方法には、細かい領域と粗い領域の間の移行ゾーンという独自の課題があります。 NASAの研究者は、二重微細構造ディスクの粒径遷移ゾーンにおける疲労破壊モードを研究しており、熱処理特許では、ソルバスよりもはるかに低いボア温度はガンマプライムを過剰に老化させ、利点を打ち消す可能性があるというさらなるプロセスリスクを指摘しています。二重微細構造処理には、正確な熱制御と徹底的なテストが必要です。

粒度制御が不十分だとどのような欠陥が生じる可能性がありますか?

主な欠陥は、異常な粗大粒子 (臨界粒子成長)、混合または縞模様の粒子構造、過剰な溶体温度による過剰成長した粒子、および残留応力または焼入れ亀裂であり、これらはすべて疲労寿命を短縮したり、結果が予測不能になる可能性があります。

表 5. 超合金鍛造品によく見られる粒度に関連した欠陥とその防止方法。

購入者はどのように粒度を指定および確認する必要がありますか?

合金と管理仕様、必要な ASTM E112 粒径範囲 (および最大許容粗粒)、試験場所、熱処理ルートを指定し、それを証明する証明書と金属組織学を要求します。

粒子サイズは ASTM E112 スケールで報告されており、数値が大きいほど粒子が細かいことを意味します。以下の表は、超合金鍛造品で一般的に見られる数値のおおよその平均粒径を示しています。

表 6. ASTM E112 粒子サイズのおおよその変換。

表 7. 粒度が重要な超合金鍛造品の購入者チェックリスト。

よくある質問

鍛造変形によって粒子が生成され、ピンニング粒子 (合金 718 のデルタ相、ディスク合金の粗い一次ガンマプライム) によって粒子が保持され、ソルバスに対する溶液温度によって粒子が残るか溶解するかが決まります。

インコネル 718 のデルタ ソルバスとは何ですか?

およそ 1010 ～ 1020 度 。ソルバスは時間、形態、および局所的なニオブ含有量に依存するため、公表されている値には若干の範囲があります。ある研究では、計算された平衡値は 1033 度付近、見かけの値は 1020 度付近であると報告されています。

サブソルバス熱処理とスーパーソルバス熱処理とは何ですか?

サブソルバスは、ガンマプライム ソルバス以下の溶体化処理であり、粒子が細かくなり、引張特性と疲労特性が向上します。スーパーソルバスはソルバスよりも高く、粒子が粗く、クリープおよび亀裂の成長に対する耐性が向上します。

耐クリープ性を高めるために、すべての粒子を粗くしてはどうでしょうか?

粒子が粗大であると、引張強度と低サイクル疲労強度が低下します。これは、ディスクの低温で応力の高いボアで問題となります。これが、二重微細構造処理が存在する理由です。

インコネル 718 の標準熱処理は何ですか?

急冷しながら約 925 ～ 1010 度で溶体化焼鈍し、その後 718 度で 8 時間時効し、炉を約 620 度まで冷却し、合計 18 時間保持して空冷します。

臨界粒子成長とは何ですか?

René 88DT などの粉末金属合金のスーパーソルバス熱処理後に臨界ひずみの領域に形成される異常に粗大な粒子。鍛造および熱処理のリスクは既知であり、加工制御によって防止するように設計されています。