Forjas de aleaciones de alta temperatura para turbinas de gas: grados de materiales y requisitos de calidad

El disco de una turbina de gas gira durante decenas de millones de ciclos a temperaturas que ablandarían el acero ordinario. La pieza es tan buena como la aleación y, lo que es igualmente importante, el forjado, el tratamiento térmico y la inspección que la sustentan.

Esta guía cubre los grados de superaleación de níquel utilizados para las piezas forjadas de turbinas.Inconel 718, Waspaloy, Rene 41, X-750, 706, 625 y Hastelloy X, y los requisitos de calidad (grados ASTM y AMS, reducción de forjado, flujo de grano, END y trazabilidad) que separan una forja aeroespacial de una barra similar.

¿Por qué se eligen piezas forjadas en lugar de piezas fundidas o placas para piezas giratorias de turbinas?

Se elige un disco o eje de turbina forjado porque el forjado alinea el flujo de grano con la trayectoria de la tensión y permite que una inspección volumétrica al 100% demuestre que la pieza está internamente en buen estado: dos cosas que la fundición no puede ofrecer al mismo costo y riesgo para un componente crítico para la fatiga.

Un disco de turbina es una masa giratoria que sufre fatiga de ciclo bajo en cada arranque y parada, fatiga de ciclo alto por el paso de la pala y carga centrífuga constante. La fundición puede reproducir una forma compleja casi neta, pero su grano grueso y equiaxial y su posible porosidad de contracción son puntos débiles para la fatiga y la inspeccionabilidad ultrasónica. La forja con matriz abierta y cerrada rompe la estructura dendrítica fundida, refina el grano y, mediante una deformación controlada, dirige el flujo del grano alrededor del borde y el orificio donde la tensión es mayor. Esa estructura de grano trabajada es también lo que hace que la prueba ultrasónica posterior sea significativa: una forja limpia proporciona una traza UT limpia y legible.

La placa o barra cortada a la forma pierde en ambos aspectos: la veta corre recta a través de la sección en lugar de seguir el contorno, y el material no se trabaja como lo hace una forja. Para hardware estático y de menor tensión, como carcasas y conductos, las placas y láminas siguen siendo comunes; consulte nuestras notas sobreHastelloy XyInconel 625en la sección caliente.

¿Qué superaleaciones de níquel se utilizan para las piezas forjadas de turbinas de gas?

La familia de forjado de turbinas se divide en aleaciones de disco/eje endurecidas por precipitación (Inconel 718, Waspaloy, Rene 41, X-750, 706, Incoloy 901) y aleaciones de caja/combustión de solución sólida (Inconel 625, Hastelloy X), cada una adaptada a una banda de temperatura y una pieza.

Las piezas giratorias que necesitan alta resistencia a la temperatura utilizan aleaciones de níquel endurecidas por precipitación gamma-prime (gamma') o gamma-double-prime (gamma''). Las piezas estructurales y de sección en caliente que necesitan conformabilidad, resistencia a la oxidación y resistencia moderada utilizan aleaciones de solución sólida. La tabla agrupa los grados de forja comunes según el trabajo que realizan.

Calidades de forja de superaleaciones de níquel utilizadas en turbinas de gas

¿Qué hace que Inconel 718 sea la aleación de disco y turbina más potente?

Inconel 718 se gana su lugar porque el precipitado gamma de doble prima proporciona una resistencia muy alta pero se forma lentamente, por lo que la aleación suelda sin agrietarse por deformación y envejece uniformemente a través de secciones gruesas, exactamente lo que necesita un disco o eje grande.

718 es una superaleación de Ni-Cr-Fe-Nb-Mo, UNS N07718 (W.Nr 2.4668), con aproximadamente 50-55 % de níquel, 17-21 % de cromo, hierro como resto, 4,75-5,50 % de niobio más tantalio, 2,80-3,30 % de molibdeno, 0,65-1,15 % de titanio y 0,20-0,80% aluminio; El carbono tiene un límite del 0,08%. Su fuerza proviene principalmente de la fase doble prima gamma tetragonal centrada en el cuerpo Ni3Nb, con una contribución gamma más pequeña (Ni3 (Al, Ti)). La densidad es de 8,19 g/cm3.

En la condición envejecida y tratada con solución, el 718 alcanza una resistencia a la tracción mínima de 1276 MPa (185 ksi) y un rendimiento del 0,2 % de 1034 MPa (150 ksi) con al menos un 12 % de alargamiento (AMS 5662), y mantiene una resistencia útil desde temperaturas criogénicas de hasta aproximadamente 650 C (1200 F) continuas, con capacidad a corto plazo hacia 700 C (1290 F). Por encima de aproximadamente 700 C, la gama doble prima se vuelve más gruesa y se convierte en la incoherente fase delta y la aleación pierde su ventaja.

Datos de forja de Inconel 718 (UNS N07718, según AMS 5662/ASTM B637)

Debido a que la precipitación de doble cebado gamma es lenta, el 718 se puede soldar en la condición de tratamiento con solución y envejecer después sin el agrietamiento por deformación que afecta a las aleaciones de cebado gamma como Waspaloy y Rene 41. Esa soldabilidad, además de la respuesta uniforme de la sección transversal, es la razón por la que el 718 se especifica desde el hardware de boca de pozo hasta las turbobombas de cohetes y, por supuesto, los discos y ejes de turbina. Vea nuestroPropiedades del material Inconel 718página yInconel 718 en el sector aeroespacialpara más.

¿Cuándo Waspaloy es la mejor opción que el 718 para discos y ejes?

Elija Waspaloy (UNS N07001) cuando la pieza funcione por encima de aproximadamente 620-650 C y necesite una vida útil de rotura por fluencia que 718 no puede ofrecer; elija 718 cuando necesite la mayor resistencia a temperatura ambiente y una fácil soldabilidad por debajo de aproximadamente 650 C.

Waspaloy es una superaleación reforzada con níquel-cromo-cobalto, gamma-prime: aproximadamente 58% níquel, 18-21% cromo, 12-15% cobalto, 3,5-5,0% molibdeno, 2,75-3,25% titanio y 1,20-1,60% aluminio, con hierro limitado al 2%. El cobalto y el molibdeno dan fuerza a la solución sólida; El titanio y el aluminio precipitan el Ni3 (Al, Ti) gamma prima que tiene resistencia a altas temperaturas. Gamma-prime es mucho más estable que el gamma-double-prime que fortalece 718, por lo que Waspaloy mantiene la resistencia útil a aproximadamente 650 C (1200 F) en partes giratorias y a aproximadamente 870 C (1600 F) en partes estáticas de menor tensión, y su resistencia a la ruptura por fluencia supera a 718 por encima de aproximadamente 620-650 C.

El comercio es doble. La resistencia mínima a la tracción envejecida de Waspaloy es de aproximadamente 1441 MPa (209 ksi) con un rendimiento del 0,2 % de aproximadamente 1076 MPa (156 ksi), inferior a 718 a temperatura ambiente, y su gamma prima lo hace propenso a agrietarse por deformación, por lo que la soldadura es más difícil. Un tratamiento térmico típico de tres etapas es la solución a aproximadamente 1080 C (1975 F) durante 4 h, enfriando al aire; estabilizar a aproximadamente 845 C (1550 F) durante 4 h, enfriar al aire; luego envejezca a aproximadamente 760 C (1400 F) durante 16 h, enfríe al aire (verifique el ciclo exacto con la liberación de AMS vigente). Las especificaciones son ASTM B637 y las series AMS 5704/5706/5708.

Inconel 718 vs Waspaloy para forjas de turbinas

¿Cómo sirven las aleaciones de solución sólida a la sección caliente?

Inconel 625 y Hastelloy X no se endurecen con el paso del tiempo, por lo que intercambian su máxima resistencia por conformabilidad y resistencia a la oxidación/corrosión, que es exactamente lo que necesitan las carcasas, los anillos, los sellos y el hardware de la cámara de combustión.

El refuerzo en solución sólida proviene del molibdeno, niobio y cromo disueltos en lugar de una fase precipitada, por lo que estas aleaciones permanecen dúctiles y soldables y pueden adoptar formas grandes o delgadas. Inconel 625 (UNS N06625: balance de Ni, 20-23 % Cr, 8-10 % Mo, 3,15-4,15 % Nb) es la opción estándar para cajas, anillos, sellos y conductos hasta aproximadamente 650 C, y su resistencia a las picaduras de cloruro es una ventaja en turbinas marinas y marinas.

Hastelloy X (UNS N06002: balance de Ni, 20,5-23 % Cr, 17-20 % Fe, 8-10 % Mo, 0,2-1,0 % W) transporta la cámara de combustión: revestimientos, conductos de transición y accesorios del postquemador donde la resistencia a la oxidación a aproximadamente 870 C (1600 F) importa más que la resistencia. El material forjado y las piezas forjadas de ambos están cubiertos por ASTM B564; consulte nuestras páginas sobre piezas forjadas de Inconel 625 B564 y Hastelloy X.

Más allá del níquel: donde la turbina necesita resistencia a la oxidación por encima de aproximadamente 900 C, las aleaciones a base de cobalto como UNS R30188 (cobalto-níquel-cromo-tungsteno con lantano) extienden el servicio hacia 980 C (1800 F) para la cámara de combustión y los revestimientos de transición. Estos se suministran a pedido en lugar de como calidad estándar.

¿Qué límites de temperatura se aplican a cada aleación en servicio de turbina?

La "temperatura de servicio" de la forja de una turbina no es un número: es la menor entre el límite de resistencia de la aleación en el estrés y el límite de oxidación del componente, y difiere entre decenas y cientos de grados entre las partes giratorias y estáticas.

Utilice la tabla como guía de planificación, no como valor de diseño. El límite que rige para una pieza giratoria sometida a tensión es la resistencia a la rotura por fluencia en el esfuerzo de trabajo; para un revestimiento de cámara de combustión ligeramente cargado, es oxidación. Siempre confirme la tensión permitida con la hoja de datos actual de ASME u OEM para la condición exacta.

Límites de temperatura continuos versus a corto plazo para aleaciones de forja de turbinas

¿En qué se diferencia el precipitado de refuerzo entre las aleaciones 718 y gamma-prime?

718 está reforzado con gamma-doble prima (Ni3Nb), que se forma lentamente y proporciona buena soldabilidad; Waspaloy, Rene 41 y X-750 están reforzados con gamma-prime (Ni3(Al,Ti)), que es más estable a la temperatura pero dificulta la soldadura y la reparación.

Gamma-doble primo es una fase tetragonal ordenada centrada en el cuerpo. Debido a que se nuclea y crece lentamente, una forja 718 se puede soldar en la condición de tratamiento con solución blanda y luego envejecer hasta alcanzar su máxima resistencia sin el agrietamiento intergranular que sufren las aleaciones gamma-prime durante el envejecimiento posterior a la soldadura (agrietamiento por deformación). Gamma-prime, por el contrario, es coherente y extremadamente estable a temperatura, razón por la cual las aleaciones gamma-prime duran más que 718 en fluencia y se rompen por encima de aproximadamente 620-650 C, pero sus ventanas de soldadura son estrechas y las reparaciones necesitan un control térmico cuidadoso. El tipo de precipitado, no el contenido de níquel, es lo que decide tanto la temperatura límite como la ruta de fabricación.

¿Qué proceso de forjado convierte un tocho en un disco de turbina?

Los discos de turbina se fabrican mediante forjado en matriz abierta o cerrada (a menudo forja isotérmica de 718) a partir de una palanquilla refundida, con la temperatura de forjado elegida por debajo del solvus delta para grano fino o por encima para grano grueso: una elección deliberada, no un accidente.

El punto de partida es un tocho VIM+ESR (o VIM+ESR+VAR de triple fusión) cuya química y limpieza están documentadas al calor. El tocho se calienta y se trabaja - matriz abierta para anillos, bloques y preformas; forjado con matriz cerrada (y cada vez más isotérmica) para discos casi netos que minimizan el material de mecanizado. Para 718, la ventana de forjado es aproximadamente 950-1150 C (1750-2100 F); Los discos de turbina se forjan comúnmente cerca de 1000-1025 C.

Un control clave es la forja subsolvus versus supersolvus. El forjado por debajo del solvus delta (Ni3Nb) proporciona una estructura de grano fino y recristalizado con alta resistencia, ductilidad y vida útil de bajo ciclo de fatiga: la opción para la mayoría de los discos 718. Forjar sobre el solvus proporciona una estructura de grano grueso que intercambia algo de resistencia por una mejor vida de fluencia/ruptura y un crecimiento más lento de las grietas por fatiga, que se utiliza donde gobierna la fluencia a largo plazo. El tamaño de grano que establece el proceso se verifica posteriormente con la norma ASTM E112 y forma parte del registro de aceptación de la forja.

La relación compra-vuelo es el factor silencioso del costo. Un disco 718 isotérmico de precisión puede tener una relación de compra a vuelo cercana a 1,3:1 (pequeña chatarra), mientras que una preforma grande de matriz abierta puede comenzar con 4:1 o más de palanquilla mecanizada. La superaleación en bruto por la que se paga pero que nunca se vuela es una gran parte del precio de la pieza, razón por la cual vale la pena buscar la forja casi neta y el HIP de material premium.

¿Qué relación de reducción y requisitos de flujo de grano necesitan las piezas forjadas de turbinas?

Es típica una relación mínima de reducción de forjado de aproximadamente 4:1, que aumenta a 6:1-8:1 para piezas giratorias, y el flujo de grano debe seguir el contorno de la pieza; ambas cosas se verifican, no se asumen.

La relación de reducción es la relación entre la sección transversal inicial y la sección transversal terminada. Debe ser lo suficientemente alto como para cerrar la porosidad de la fundición y romper la estructura dendrítica del lingote; un mínimo común es 4:1, y las piezas giratorias aeroespaciales se especifican con frecuencia entre 6:1 y 8:1. Pero la reducción por sí sola no es suficiente: la dirección de trabajo debe hacer que el flujo de grano siga la trayectoria de las tensiones. El borde de un disco cargado con tensión circular debe mostrar un flujo de grano circunferencial; un eje en torsión y flexión debe mostrar flujo axial. Un macrograbado (ver más abajo) es la prueba.

• Reducción mínima: aproximadamente 4:1 típica; 6:1-8:1 para discos y ejes giratorios.
• Flujo de grano: debe seguir el contorno de la pieza, no correr recto a través de ella.
• Estructura dendrítica: completamente fragmentada, sin segregación central ni bandas.
• Tamaño de grano: controlado y verificado según el requisito vigente ASTM E112.
• Forjado multidireccional: se utiliza en formas complejas para alinear el flujo en más de una dirección.

¿Qué tratamientos térmicos se especifican para las piezas forjadas de turbinas endurecidas por precipitación?

Las piezas forjadas de turbinas endurecidas por precipitación se suministran tratadas con solución (y, para aleaciones de discos, con doble envejecimiento según el ciclo AMS/B637); las temperaturas y temperaturas exactas están escritas en las especificaciones de compra y registradas en la tabla de tratamiento térmico.

Por lo general, el 718 se entrega con una solución tratada a 925-1010 C (1700-1850 F), enfriada por aire o más rápido, luego envejecida dos veces: 720 C (1325 F) durante 8 h, enfriada en horno a 620 C (1150 F) y mantenida durante un total de 18 h, luego enfriada por aire. Waspaloy utiliza una secuencia solución-estabilización-edad como se describe anteriormente. El ciclo del horno de tratamiento térmico se registra y se conserva como parte del registro de calidad, y se espera que los procesos especiales, como el tratamiento térmico, cuenten con la acreditación NADCAP para piezas críticas para el vuelo. El envejecimiento excesivo o una solución fuera de la ventana pueden cambiar el tamaño del grano y precipitar la distribución lo suficiente como para fallar las pruebas mecánicas, por lo que el ciclo no es negociable.

¿Qué especificaciones ASTM y AMS rigen estas piezas forjadas?

ASTM B637 regula las barras, piezas forjadas y materiales de forja de aleación de níquel que endurecen por precipitación (718, X-750, 706, Waspaloy y similares); ASTM B564 rige la familia más amplia de forja de aleaciones de níquel (625, 600, 825, X-750, 718, C-276 y otras). Los comunicados de AMS nombran el tratamiento térmico exacto y los detalles de la prueba.

Especificar el grado ASTM por sí solo no es suficiente: la versión de AMS o OEM decide el temperamento, el ciclo de tratamiento térmico y las pruebas de aceptación. Los desmoldes más utilizados para las piezas forjadas de turbinas se enumeran a continuación; nuestras páginas de bridas Inconel 718 ASTM B637 e Inconel 718 B564 contienen detalles de nivel de grado.

Especificaciones clave para piezas forjadas de aleaciones de turbinas de gas

¿Qué ensayos no destructivos son obligatorios para las piezas forjadas de turbinas?

La forja de una turbina de vuelo o de potencia crítica se somete a pruebas ultrasónicas 100 % volumétricas, pruebas de penetrantes de superficie o de partículas magnéticas y un macrograbado para comprobar el flujo de grano, cada uno de ellos con una clase de aceptación determinada.

Ninguna prueba lo ve todo: una superficie limpia no prueba la solidez interna y una UT limpia no prueba el material de mecanizado ni el estado de la superficie. Las tres capas son complementarias. La tabla asigna cada prueba a su estándar habitual para piezas forjadas de superaleaciones.

Pila de pruebas no destructivas para piezas forjadas de turbinas

Una prueba de superficie aprobada no establece solidez interna y una UT aprobada no establece stock de mecanizado. La cotización más barata suele ser la que omite la inspección que detectaría el defecto que el precio ya oculta; así que nombre la clase de aceptación, no solo "probado UT".

¿Cómo se verifica el flujo de grano y por qué influye en la fatiga?

El flujo de grano se verifica mediante un macrograbado de una sección representativa, y es importante porque las grietas por fatiga siguen el camino de menor resistencia: un flujo de grano que sigue el contorno aleja las grietas de la superficie de alta tensión.

Un macrograbado (ASTM E381 para piezas forjadas, ASTM E340 en general) disuelve una sección transversal preparada para revelar el patrón de grano deformado. El informe muestra si las líneas de flujo envuelven el borde del disco, corren axialmente a lo largo de un eje o cortan directamente a través de una característica crítica. Cuando el flujo se interrumpe o corre transversalmente a la tensión, ese lugar se convierte en el candidato para iniciar la fatiga. Por esta razón, el dibujo de la forja, no sólo la química, define la dirección del flujo requerida, y el macrograbado es la evidencia de que la forja la cumple.

¿Qué práctica de fusión se requiere para las piezas forjadas de superaleaciones de calidad aeroespacial?

Las piezas forjadas de turbinas de calidad aeroespacial parten de la fusión por inducción al vacío más la refundición de electroescoria (VIM+ESR), y las piezas giratorias suelen fundirse tres veces (VIM+ESR+VAR); la ruta de fusión es rastreable desde la pieza terminada hasta el calor.

La refundición es lo que da a las superaleaciones forjadas su limpieza y su ausencia de segregación en la línea central e inclusiones de largueros que nuclearían grietas por fatiga. La fusión por inducción al vacío controla la química y los gases disueltos; la refundición de electroescoria refina la estructura del lingote; La refundición por arco al vacío (el paso VAR en la triple fusión) refuerza la uniformidad de la composición a lo largo del lingote. El número de calor viaja con el tocho, la forja y cada cupón de prueba, por lo que se puede rastrear un resultado sospechoso hasta la masa fundida exacta. Nuestra descripción general de aleaciones de níquel cubre las familias de grados a las que sirve esta práctica de fundición.

¿Qué defectos pueden aparecer en las superaleaciones forjadas y cómo se previenen?

Los defectos que importan en las piezas forjadas de turbinas son vueltas y pliegues, microfisuras por deformación, segregación y bandas, escamas de hidrógeno (puntos blancos) e inclusiones; cada uno de ellos se puede prevenir mediante la relación de reducción, el control de la temperatura y la inspección.

Las superaleaciones son implacables: mantienen su resistencia a la temperatura de forjado, tienen una ventana de trabajo estrecha y son sensibles a la velocidad de deformación, por lo que una temperatura incorrecta o una rampa provocan microfisuras. Los lingotes pueden contener segregación en la línea central y, en secciones grandes, escamas de hidrógeno: microfisuras internas que pueden sobrevivir al mecanizado y provocar fallas repentinas. La estrategia de prevención está bien establecida.

Defectos comunes en la forja de turbinas y sus controles.

¿Qué pruebas de propiedades mecánicas demuestran que una pieza forjada cumple con las especificaciones?

La aceptación se demuestra mediante pruebas de tracción y dureza como mínimo, además de tensión-ruptura o fluencia e impacto cuando el deber lo exige, todo ello tomado de una ubicación y orientación específicas del cupón.

El informe de prueba del material registra las propiedades de tracción según ASTM E8, la dureza según ASTM E18 y, para trabajos a alta temperatura, datos de tensión-ruptura o fluencia según ASTM E139 y, a menudo, impacto Charpy según ASTM E23. Fundamentalmente, el cupón se toma en la orientación y en la ubicación de los nombres de las especificaciones (a menudo una prolongación de la forja), por lo que los números representan la pieza, no un recorte conveniente. El tamaño de grano se informa según ASTM E112 y la química según el calor según ASTM E1473. Una forja que supera la química pero no supera la tracción orientada se rechaza: la prueba es la prueba, no sólo el certificado.

• Tracción: ASTM E8 (última, rendimiento, alargamiento).
• Dureza: ASTM E18 (usada a menudo para verificación de tratamiento térmico).
• Ruptura/fluencia por tensión: ASTM E139 (servicio a alta temperatura).
• Impacto: ASTM E23 (casos de baja temperatura o tolerancia a defectos).
• Tamaño de grano: ASTM E112 (específico del cupón).
• Química: ASTM E1473/espectro, al calor.

¿Cómo se maneja la trazabilidad y la documentación de las piezas forjadas de turbinas?

La forja de una turbina aeroespacial se demuestra tanto por su documentación como por su metal: un informe de prueba de material EN 10204 3.1 con trazabilidad del número de calor, un certificado de conformidad, inspección del primer artículo y registros NADCAP.

El paquete de documentación mapea cada variable que podría arruinar silenciosamente una pieza: identidad del material inicial y ruta de fusión, secuencia de deformación, control térmico, tablas de tratamiento térmico, enderezamiento, acondicionamiento de superficies, resultados de END y evidencia de pruebas. NADCAP (administrado por el Performance Review Institute) audita procesos especiales como el tratamiento térmico y END según los requisitos aeroespaciales, y los resultados de la auditoría son públicos. Un comprador debe esperar, como mínimo, un MTR, un COC y un informe de inspección del primer artículo respaldado por gráficos de tratamiento térmico e informes de END.

• Informe de prueba de materiales (MTR) con trazabilidad del número de calor - EN 10204 3.1 (3.2 con testigo).
• Certificado de conformidad (COC).
• Inspección de primer artículo (FAI) para nuevos diseños.
• Gráficos de tratamiento térmico que muestran los ciclos reales del horno.
• Informes de END con criterios de aceptación y resultados.
• Acreditación NADCAP para tratamiento térmico y END en casos críticos para el vuelo.

¿Qué documentos de calidad debe exigir el comprador en la RFQ?

Escriba la calidad, la pieza, la ruta de carga, la ruta de fusión, la relación de reducción, la dirección del flujo de grano, la condición del tratamiento térmico, el alcance de END y la documentación en la RFQ; luego verifique el primer artículo antes de lanzar la producción.

Una vaga invitación a 'forjar Inconel' produce una barra que luce bien y luego falla. La siguiente lista de verificación es la misma que utiliza un OEM de turbinas; Se reproduce como un procedimiento paso a paso para que pueda copiarse directamente en una solicitud de cotización.

Paso 1. Nombre el grado exacto y la especificación del producto:No escriba 'Inconel'. Especifique Inconel 718 para AMS 5662 o AMS 5663, o Waspaloy para AMS 5708 - el grado y la especificación emisora ​​deciden cada prueba posterior.

Paso 2. Indique la pieza, su trayectoria de carga y la temperatura de funcionamiento:El hardware del disco, eje, caja, sello o cámara de combustión experimenta diferentes tensiones y temperaturas; el deber establece la aleación y la dirección del flujo de grano que debe seguir la forja.

Paso 3. Especifique la ruta de fusión:Indique VIM+ESR para servicio general o VIM+ESR+VAR (triple fusión) para piezas giratorias y exija trazabilidad del número de calor hasta la fusión original.

Paso 4. Establezca la relación de reducción de forjado y la dirección del flujo de grano:Indique una reducción mínima de 4:1 (6:1-8:1 para piezas giratorias) y el contorno que debe seguir el flujo de grano; esto es lo que debe demostrar el informe de macrograbado.

Paso 5. Definir la condición del tratamiento térmico:Indique la condición de entrega (solución tratada o solución tratada y envejecida hasta el ciclo AMS/B637) y quién la realiza y certifica.

Paso 6. Establezca el alcance de END y la clase de aceptación:Requiere pruebas 100 % ultrasónicas según AMS 2154 Clase AA (o ASTM A388/E2375), PT de superficie (ASTM E165) o MT (ASTM E1444) y un macrograbado según ASTM E381/E340; nombre el nivel de aceptación para cada uno.

Paso 7. Requerir el paquete de documentación:Exija un MTR EN 10204 3.1, certificado de conformidad, informe de inspección del primer artículo, tablas de tratamiento térmico e informes NDT, con acreditación NADCAP para procesos especiales donde la pieza es crítica para el vuelo.

¿Cómo se elige la aleación y las especificaciones adecuadas para una determinada pieza de turbina?

Elija la aleación por banda de temperatura y cargue - 718 para discos/ejes generales a 650 C, Waspaloy o Rene 41 donde rige la fluencia por encima de 650 C, 625 o Hastelloy X para cajas y cámara de combustión; luego nombre el grado ASTM y la versión AMS, no solo el nombre comercial.

La decisión es una combinación de tres factores: temperatura, estrés y fabricabilidad. Por debajo de aproximadamente 650 C con necesidades de alta resistencia y soldabilidad, 718 es el valor predeterminado. Cuando la fluencia por encima de 620-650 C gobierna una pieza giratoria, pase a Waspaloy, y para las láminas/forjas sometidas a tensión más caliente a Rene 41.

Las cajas, anillos, sellos y conductos utilizan solución sólida 625; Los revestimientos de las cámaras de combustión utilizan Hastelloy X. Cada elección se resuelve en una especificación: 718 según ASTM B637/AMS 5662, Waspaloy según ASTM B637/AMS 5708, y así sucesivamente. Nuestras páginas de las familias Inconel y Hastelloy enumeran las calidades de acciones detrás de estas selecciones.

Guía de selección de aleaciones por pieza de turbina.

¿Cuáles son los factores que influyen en el costo y el tiempo de entrega de las piezas forjadas de turbinas con superaleaciones?

El precio de una turbina forjada lo fija la prima de aleación, la relación de compra-venta, la ruta de fusión, el alcance de END y las herramientas, no por el precio de la barra por kilogramo.

Las superaleaciones de níquel cuestan muchas veces más que el carbono o el acero inoxidable, por lo que la masa por la que se paga pero que nunca se vuela domina el costo. La triple fusión, 100% Clase AA UT, macrograbado y un paquete de documentación completo añaden un costo real pero son la prueba de que la pieza está calificada. Los plazos de entrega se acumulan desde la fundición de palanquillas, el recalentamiento de la forja, el tratamiento térmico y los END, con herramientas isotérmicas o de matriz cerrada en la parte superior: planifique semanas o meses, más tiempo para piezas grandes o críticas para el vuelo. Comprar con una especificación estricta y correcta y una ruta casi neta es lo que realmente controla tanto el costo como el cronograma.

Para comparar con el mundo de los productos forjados, nuestras páginas de accesorios forjados ASME B16.11 y accesorios de tuberías forjadas cubren los componentes forjados más pequeños, y nuestras páginas de Incoloy 800H / 800HT cubren las aleaciones forjadas de alta temperatura utilizadas en las zonas más cálidas y de menor tensión de la máquina.

Preguntas frecuentes

Los más comunes son discos, ejes, palas, sellos y anillos de Inconel 718; Discos y ejes de rotor Waspaloy y Rene 41 para secciones más calientes; Hojas, pernos y resortes de Inconel X-750; y cajas, anillos y sellos de Inconel 625 de solución sólida, además de revestimientos de cámara de combustión y conductos de transición de Hastelloy X. Consulte Inconel 718 y Hastelloy X para obtener detalles sobre las calificaciones.

¿Cuál es la diferencia entre Inconel 718 y Waspaloy para forjas?

718 está reforzado con gamma-doble prima (Ni3Nb) y proporciona la mayor resistencia a temperatura ambiente y fácil soldabilidad hasta aproximadamente 650 C; Waspaloy está reforzado con gamma-prime (Ni3(Al,Ti)) y mantiene la resistencia a la rotura por fluencia por encima de aproximadamente 620-650 C, hasta 870 C para piezas estáticas, pero es más difícil de soldar. Ambos están cubiertos por ASTM B637.

¿Qué temperatura puede soportar una forja de turbina Inconel 718?

Inconel 718 se utiliza continuamente hasta aproximadamente 650 C (1200 F) y durante períodos cortos hasta 700 C (1290 F). Por encima de aproximadamente 700 °C, el precipitado gamma de doble prima se vuelve más grueso y se convierte en fase delta y la aleación pierde su ventaja de resistencia.

¿Qué cubre ASTM B637?

ASTM B637 es la especificación para barras de aleación de níquel de endurecimiento por precipitación, piezas forjadas y material de forja para servicio a alta temperatura, incluidos Inconel 718, X-750, 706 y Waspaloy. Las versiones complementarias de AMS (por ejemplo, AMS 5662 para 718, AMS 5708 para Waspaloy) establecen el tratamiento térmico exacto y los detalles de prueba.

¿Qué cubre ASTM B564?

ASTM B564 cubre las piezas forjadas de aleaciones de níquel de manera más amplia (Inconel 625, 600 y X-750, Hastelloy X y C-276, Incoloy 825, Monel 400 y otros) para servicios generales resistentes a la corrosión y al calor. Es la especificación habitual para piezas forjadas y forjadas de turbinas de solución sólida.

¿Por qué es importante el flujo de grano en la forja de un disco de turbina?

Las grietas por fatiga siguen el camino de menor resistencia, por lo que el flujo de grano que sigue el contorno del disco aleja las grietas de la superficie de alta tensión. Un macrograbado según ASTM E381/E340 es la evidencia de que el flujo coincide con el dibujo y que la dirección del flujo se especifica en la forja, no se asume.

¿Qué relación de reducción se necesita para la forja de una turbina?

Es típica una reducción de forjado mínima de aproximadamente 4:1, y las piezas giratorias, como discos y ejes, se especifican comúnmente en una proporción de 6:1 a 8:1 para romper la estructura dendrítica fundida y cerrar la porosidad.

¿Qué es la forja sub-solvus versus super-solvus?

Forjar 718 por debajo del solvus delta (Ni3Nb) proporciona un grano fino recristalizado con alta resistencia y buena vida útil con ciclos bajos de fatiga; forjar por encima del solvus proporciona un grano grueso con mejor vida de fluencia/ruptura y un crecimiento más lento de las grietas por fatiga. La elección es deliberada y el tamaño de grano resultante se verifica según ASTM E112.

¿Qué pruebas no destructivas se requieren para las piezas forjadas de turbinas?

Una forja de vuelo o de potencia crítica se somete a pruebas ultrasónicas volumétricas al 100% (AMS 2154 Clase AA o ASTM A388/ASTM E2375), pruebas de penetración superficial (ASTM E165) o de partículas magnéticas (ASTM E1444) y un macrograbado (ASTM E381/E340) para comprobar el flujo de grano. Ninguna prueba lo ve todo, por lo que las capas son complementarias.

¿Qué es AMS 2154 Clase AA?

AMS 2154 es la especificación aeroespacial para la inspección ultrasónica de metales forjados; La clase AA es su nivel de aceptación más estricto y se utiliza para piezas giratorias de primera calidad, como discos y ejes de turbinas, donde la solidez interna es fundamental.

¿Qué práctica de fusión se utiliza para las piezas forjadas de superaleaciones aeroespaciales?

Las piezas forjadas de calidad aeroespacial comienzan con la fusión por inducción al vacío más la refundición por electroescoria (VIM+ESR); Las piezas giratorias suelen estar triplemente fundidas (VIM+ESR+VAR). El número de calor rastrea la pieza terminada hasta la masa fundida original.

¿Por qué las superaleaciones forjadas son difíciles de forjar?

Conservan la resistencia a la temperatura de forjado, tienen una ventana de trabajo estrecha y son sensibles a la velocidad de deformación, por lo que una temperatura incorrecta o una rampa provocan microfisuras. El calentamiento, la rampa y la reducción controlados son los que hacen que una forja sea limpia.

¿Qué documentos debe incluir un envío de forja de turbinas?

Como mínimo, un informe de prueba de material EN 10204 3.1 con trazabilidad del número de calor, un certificado de conformidad, inspección del primer artículo, tablas de tratamiento térmico e informes de END; Se espera la acreditación NADCAP para procesos especiales críticos para vuelos.

¿Es soldable el Inconel 718?

Sí, mejor que la mayoría de las superaleaciones de alta resistencia. Su precipitado de doble prima gamma se forma lentamente, por lo que el 718 se puede soldar en la condición de tratamiento con solución y envejecer después sin el agrietamiento por deformación que afecta a las aleaciones de prima gamma como Waspaloy y Rene 41.

¿Se puede forjar Hastelloy X para piezas de turbinas?

Sí. Hastelloy X (UNS N06002) está forjado para revestimientos de cámaras de combustión, conductos de transición, anillos y accesorios de postcombustión donde la resistencia a la oxidación hasta aproximadamente 870 C (1600 F) es más importante que la resistencia máxima. Las piezas forjadas están cubiertas por ASTM B564; ver Hastelloy X.

¿Qué es el ratio buy-to-fly y por qué es importante?

Buy-to-fly es la relación entre la masa de la palanquilla en bruto y la masa de la pieza terminada. La forja isotérmica casi neta de 718 puede alcanzar aproximadamente 1,3:1, mientras que una preforma grande de matriz abierta puede comenzar por encima de 4:1; la superaleación que usted paga pero que nunca vuela es una gran parte del costo de la pieza, por lo que vale la pena seguir rutas cercanas a la red y HIP de material premium.

¿Cuánto tiempo se tarda en fabricar una turbina de superaleación?

Los plazos de entrega se acumulan desde la fusión de palanquillas, el recalentamiento de la forja, el tratamiento térmico y los END, con herramientas isotérmicas o de matriz cerrada en la parte superior, generalmente de semanas a meses, y más para piezas grandes o críticas para el vuelo. Unas especificaciones estrictas y correctas y una ruta cercana a la red son lo que controla el cronograma.

¿Las piezas forjadas de turbinas necesitan prensado isostático en caliente (HIP)?

HIP se utiliza en piezas forjadas de primera calidad y formas casi netas para cerrar la porosidad interna y mejorar la fatiga y la inspeccionabilidad, y es común para piezas giratorias críticas; si es necesario lo deciden las especificaciones de compra y la clase de aceptación de END.