Forjas de superaleaciones a base de níquel: tratamiento térmico para el control del tamaño de grano en piezas giratorias críticas

Los discos de turbina, los discos de compresor, los ejes y las piezas forjadas de rotor giran a alta velocidad y alta temperatura durante miles de horas. Un fracaso no es una fuga; es un evento catastrófico. Para estas piezas, el tamaño de los granos del metal no es un detalle cosmético. Decide cómo la pieza resiste las grietas por fatiga, la fluencia y el crecimiento lento de las grietas. Esta guía explica cómo el tratamiento térmico determina el tamaño de grano en las superaleaciones forjadas a base de níquel, cómo se comparan las rutas principales y qué deben especificar y verificar los compradores.

El tamaño del grano en una superaleación forjada está determinado por dos cosas que trabajan juntas: la historia de trabajo en caliente que crea los granos y la temperatura del tratamiento térmico en relación con la temperatura a la que se disuelven las partículas de refuerzo o fijación. La solución por debajo de esa temperatura mantiene los granos finos (mejor resistencia a la tracción y a la fatiga); la solución por encima permite que los granos se vuelvan gruesos (mejor resistencia al crecimiento de grietas por fluencia y permanencia). Los tratamientos de microestructura dual intentan darle a cada parte de un disco el tamaño de grano que necesita.

¿Por qué es importante el tamaño del grano en las piezas giratorias críticas?

Porque los granos finos y gruesos protegen contra diferentes modos de falla. Los granos finos brindan mayor resistencia a la tracción y mejor resistencia a la fatiga de ciclo bajo; Los granos gruesos brindan una mejor resistencia al crecimiento de grietas por fluencia y permanencia a altas temperaturas. Ningún tamaño de grano es mejor en todas partes de una pieza giratoria.

Un grano es un cristal diminuto. Los límites entre los granos son puntos débiles a altas temperaturas, donde el metal puede deformarse (deslizarse) lentamente a lo largo de ellos. A temperaturas más bajas ocurre lo contrario: los límites bloquean las grietas, por lo que más límites (granos más finos) significan un metal más fuerte y resistente a la fatiga. Un disco tiene ambas condiciones a la vez. El orificio (centro) es más frío y soporta ciclos de tensión elevados. La llanta se calienta más y soporta una carga sostenida.

Tabla 1. Compensación del tamaño de grano en aleaciones de discos, como se describe en la literatura publicada sobre tratamiento térmico de discos de turbinas de gas.

¿Qué controla el tamaño de grano en una forja de superaleación a base de níquel?

Tres palancas lo controlan: cuánto y con qué temperatura se deforma el metal durante la forja, qué partículas están presentes para fijar los límites de los granos y la temperatura final de tratamiento de la solución en relación con el solvus (la temperatura a la que esas partículas se disuelven).

Durante la forja, la deformación crea nuevos granos pequeños por recristalización. Durante el calentamiento posterior, esos granos tienden a crecer, porque los granos grandes tienen menos área límite y, por lo tanto, menos energía. Las partículas duras que se asientan en los límites de los granos actúan como anclas y detienen este crecimiento. EnAleación 718la fase de anclaje es delta (δ); en aleaciones de discos de polvo y metal es gamma prima primaria gruesa (′). Una vez que la temperatura del tratamiento térmico pasa el punto donde los anclajes se disuelven, los granos pueden crecer rápidamente. Por este motivo, la temperatura del solvus es el número más importante en el control del tamaño de grano.

¿Cómo controla la fase Delta el tamaño del grano en Inconel 718?

La fase delta es una fase rica en niobio que se forma en los límites de los granos entre aproximadamente 800 y 1000 grados. Fija los límites durante la forja y el tratamiento de la solución, por lo que la aleación 718 permanece de grano fino siempre que la temperatura de la solución se mantenga por debajo del delta solvus, aproximadamente entre 1010 y 1020 grados.

Los falsificadores aprovechan esto a propósito. En el "procesamiento delta", el material se mantiene para precipitar la fase delta antes y durante la forja, de modo que los granos permanezcan pequeños cuando la pieza se caliente posteriormente. Los datos publicados muestran cuán sensible es el tamaño del grano a la temperatura y al contenido del delta. En un estudio de palanquilla 718 de grano ultrafino, una solución de 1800 grados F (aproximadamente 980 grados) durante 5 horas dejó aproximadamente un 2,6 % de delta y dio un tamaño de grano ASTM 9, mientras que 1850 grados F (aproximadamente 1010 grados) durante 1 hora dejó aproximadamente un 4,6 % de delta y dio un tamaño de grano ASTM 10. En un estudio separado de disco a gran escala, la solución estándar a 954 grados produjo un ASTM uniforme 11-12 estructura en material procesado delta.

Tabla 2. Efecto de la temperatura de la solución y la fase delta sobre el tamaño de grano de la Aleación 718. Fuentes: Procedimientos de TMS Superalloys (1992, 2001) y literatura de patentes sobre el tratamiento térmico de la aleación 718. Los números ASTM son números de tamaño de grano ASTM E112; más alto significa más fino.

La conclusión es una compensación. La fase delta ayuda a mantener el tamaño del grano, pero en los límites del grano también puede afectar la ductilidad y el comportamiento de corrosión bajo tensión, por lo que algunas aplicaciones la disuelven deliberadamente. Una patente publicada sobre resistencia a la corrosión por tensión informa que el recocido por encima del delta solvus eliminó el delta límite pero engrosó los granos de ASTM 8 a ASTM 3. Es por eso que la temperatura de la solución se elige para la aplicación, no se copia de una tabla genérica.

¿Cuál es la diferencia entre el tratamiento térmico Subsolvus y Supersolvus?

El tratamiento con solución Subsolvus se realiza debajo del solvus gamma prime, deja partículas primarias gruesas que fijan los granos y produce granos finos. El tratamiento con Supersolvus se realiza encima del solvus, disuelve esas partículas y permite que los granos se vuelvan más gruesos. El primero favorece la fuerza y ​​la fatiga; el segundo favorece la resistencia al crecimiento a la fluencia y al agrietamiento.

Esta elección se aplica principalmente a aleaciones de discos de polvo metálico reforzados con gamma-prime, altamente aleados, como René 88DT, cuyo solvus gamma-prime se ha informado en aproximadamente 1110-1116 grados (2030-2040 grados F). El trabajo publicado sobre estas aleaciones señala que los tratamientos subsolvus retienen aproximadamente entre el 10% y el 20% de las partículas primarias gruesas que restringen el crecimiento de los granos, mientras que los tratamientos supersolvus pierden esta restricción y permiten que los granos crezcan.

Tabla 3. Tratamiento con solución subsolvus versus supersolvus para aleaciones de disco reforzadas con gamma-prime. Fuentes: actas de TMS Superalloys, estudios de discos de la NASA y literatura sobre patentes de GE.

El procesamiento Supersolvus fue fundamental para el desarrollo de René 88DT, donde se esperaba que el tamaño de grano más grueso desarrollado por el tratamiento con solución supersolvus beneficiara la fluencia, y el programa apuntaba a una gran reducción en la tasa de crecimiento de grietas por fatiga en comparación con René 95. El tratamiento Supersolvus de esta clase de aleación puede producir tamaños de granos gruesos cercanos a ASTM 6 para mejorar la resistencia al crecimiento de grietas por fatiga de permanencia.

¿Cuál es el tratamiento térmico estándar para las piezas forjadas de Inconel 718?

La solución se recoce a aproximadamente 925-1010 grados, seguido de un enfriamiento rápido, luego un envejecimiento en dos pasos: 718 grados durante 8 horas, se enfría en el horno hasta aproximadamente 620 grados, se mantiene hasta un tiempo total de envejecimiento de 18 horas y luego se enfría al aire. Mantener el paso de solución por debajo del delta solvus preserva el grano fino.

Tabla 4. Ciclo típico de solución y envejecimiento de la aleación 718. Fuentes: hojas de datos de proveedores que hacen referencia a la práctica AMS 5662/5663. Siga siempre las especificaciones vigentes y la orden de compra.

Los pasos de envejecimiento no cambian mucho el tamaño del grano, porque 718 grados y 620 grados están muy por debajo de las temperaturas de la solución. Lo que hacen es precipitar las fases de fortalecimiento (″ y ′). Por lo tanto, el tamaño del grano está determinado por la ruta de forjado y el paso de solución; el envejecimiento fortalece.

¿Qué es el tratamiento térmico de microestructura dual y por qué se utiliza para los discos?

El tratamiento térmico de microestructura dual le da al disco un orificio de grano fino y alta resistencia y un borde de grano grueso resistente a la fluencia al calentar las dos regiones a diferentes temperaturas en relación con el solvus. Su objetivo es eliminar el compromiso único que sirve para todos.

Un tratamiento térmico uniforme proporciona un tamaño de grano uniforme en todo el disco, ya sea fino o grueso, lo que obliga a llegar a un acuerdo. En un tratamiento dual, el borde se coloca por encima del solvus gamma prime para hacerlo más grueso, mientras que el orificio se mantiene por debajo del solvus. La investigación sobre la avanzada aleación de disco LSHR examinó opciones subsolvus y supersolvus y varias opciones de estructura dual, diseñadas para ofrecer un orificio de grano fino y alta resistencia y un borde de grano grueso resistente a la fluencia.

El método tiene su propio desafío: la zona de transición entre las regiones finas y gruesas. Los investigadores de la NASA han estudiado los modos de falla por fatiga en la zona de transición del tamaño de grano de un disco de microestructura dual, y las patentes de tratamiento térmico señalan un riesgo adicional para el proceso: una temperatura del orificio demasiado por debajo del solvus puede envejecer demasiado el gamma primario y cancelar el beneficio. El tratamiento de doble microestructura requiere un control térmico preciso y pruebas exhaustivas.

¿Qué defectos puede causar un control deficiente del tamaño de grano?

Los principales defectos son granos gruesos anormales (crecimiento crítico de granos), estructuras de granos mezclados o en bandas, granos demasiado crecidos debido a una temperatura excesiva de la solución y tensión residual o agrietamiento por enfriamiento, todos los cuales pueden reducir la vida útil ante la fatiga o hacer que los resultados sean impredecibles.

Tabla 5. Defectos comunes relacionados con el tamaño de grano en piezas forjadas de superaleaciones y cómo prevenirlos.

¿Cómo deben los compradores especificar y verificar el tamaño del grano?

Especifique la aleación y la especificación rectora, el rango de tamaño de grano ASTM E112 requerido (y cualquier grano grueso máximo permitido), los lugares de prueba y la ruta de tratamiento térmico, luego solicite certificados y metalografía que lo demuestren.

El tamaño de grano se informa en la escala ASTM E112, donde un número mayor significa un grano más fino. La siguiente tabla proporciona diámetros de grano promedio aproximados para los números que se ven comúnmente en piezas forjadas de superaleaciones.

Tabla 6. Conversiones aproximadas de tamaño de grano ASTM E112.

Tabla 7. Lista de verificación del comprador para piezas forjadas de superaleaciones de tamaño de grano crítico.

Preguntas frecuentes

La deformación por forjado crea los granos, las partículas fijadas (fase delta en la aleación 718, gamma prima primaria gruesa en las aleaciones de disco) los retienen y la temperatura de la solución relativa al solvus decide si esas partículas permanecen o se disuelven.

¿Cuál es el delta solvus del Inconel 718?

Alrededor de 1010-1020 grados. Los valores publicados varían ligeramente porque el solvus depende del tiempo, la morfología y el contenido local de niobio; un estudio informa un valor de equilibrio calculado cerca de 1033 grados y un valor aparente cerca de 1020 grados.

¿Qué es el tratamiento térmico subsolvus versus supersolvus?

Subsolvus es un tratamiento en solución por debajo del solvus gamma prime y proporciona granos finos y mejores propiedades de tracción y fatiga. Supersolvus está por encima del solvus y proporciona granos gruesos y una mejor resistencia al crecimiento de grietas y fluencia.

¿Por qué no hacer que cada grano sea grueso para resistir la fluencia?

Los granos gruesos reducen la resistencia a la tracción y a la fatiga de ciclo bajo, que son importantes en el orificio más frío y altamente estresado de un disco. Por eso existen tratamientos de microestructura dual.

¿Cuál es el tratamiento térmico estándar para Inconel 718?

La solución se recoce entre 925 y 1010 grados con enfriamiento rápido, luego se envejece a 718 grados durante 8 horas, se enfría en el horno hasta aproximadamente 620 grados, se mantiene durante 18 horas en total y se enfría al aire.

¿Qué es el crecimiento crítico del grano?

Granos anormalmente gruesos que se forman en regiones de deformación crítica después del tratamiento térmico supersolvus de aleaciones de polvo metálico como René 88DT. Es un riesgo conocido de forjado y tratamiento térmico que los controles de procesamiento están diseñados para prevenir.