Tempa Superalloy Berbasis Nikel: Perlakuan Panas untuk Kontrol Ukuran Butir pada Bagian Berputar Kritis

Cakram turbin, cakram kompresor, poros, dan tempa rotor berputar dengan kecepatan tinggi dan suhu tinggi selama ribuan jam. Kegagalan bukanlah kebocoran; itu adalah peristiwa bencana. Untuk bagian ini, ukuran butiran logam bukanlah detail kosmetik. Ini menentukan bagaimana bagian tersebut menahan retak lelah, mulur, dan memperlambat pertumbuhan retakan. Panduan ini menjelaskan bagaimana perlakuan panas menentukan ukuran butiran pada tempa superalloy berbasis nikel, bagaimana perbandingan rute utama, dan apa yang harus ditentukan dan diverifikasi oleh pembeli.

Ukuran butir dalam penempaan superalloy ditentukan oleh dua hal yang bekerja sama: riwayat pengerjaan panas yang menghasilkan butir, dan suhu perlakuan panas relatif terhadap suhu di mana partikel penguat atau penyemat larut. Larutan di bawah suhu tersebut menjaga butiran tetap halus (kekuatan tarik dan lelah lebih baik); larutan di atasnya membuat butiran menjadi kasar (lebih baik dalam ketahanan terhadap pertumbuhan retakan dan retakan). Perawatan struktur mikro ganda mencoba memberikan setiap bagian disk ukuran butir yang dibutuhkan.

Mengapa Ukuran Butir Penting pada Bagian Berputar Kritis?

Karena butiran halus dan kasar melindungi terhadap mode kegagalan yang berbeda. Butiran halus memberikan kekuatan tarik yang lebih tinggi dan ketahanan lelah siklus rendah yang lebih baik; butiran kasar memberikan ketahanan terhadap pertumbuhan retakan dan retakan yang lebih baik pada suhu tinggi. Tidak ada ukuran butir tunggal yang terbaik di semua bagian yang berputar.

Butir adalah kristal kecil. Batas antar butir merupakan titik lemah pada suhu tinggi, tempat logam perlahan-lahan dapat berubah bentuk (merangkak) di sepanjang butir tersebut. Pada suhu yang lebih rendah, yang terjadi justru sebaliknya: batas menghalangi retakan, sehingga batas yang lebih banyak (butiran yang lebih halus) berarti logam yang lebih kuat dan tahan lelah. Sebuah disk memiliki kedua kondisi tersebut sekaligus. Lubang (tengah) lebih dingin dan membawa siklus tegangan tinggi. Pelek menjadi lebih panas dan berada di bawah beban yang berkelanjutan.

Tabel 1. Pertukaran ukuran butir pada paduan cakram, seperti yang dijelaskan dalam literatur perlakuan panas cakram turbin gas yang diterbitkan.

Apa yang Mengontrol Ukuran Butir dalam Penempaan Superalloy Berbasis Nikel?

Tiga tuas mengendalikannya: berapa banyak dan seberapa panas logam berubah bentuk selama penempaan, partikel mana yang ada untuk menentukan batas butir, dan suhu perlakuan larutan akhir relatif terhadap solvus (suhu di mana partikel-partikel tersebut larut).

Selama penempaan, deformasi menghasilkan butiran kecil baru melalui rekristalisasi. Selama pemanasan selanjutnya, butir-butir tersebut cenderung tumbuh, karena butir-butir yang besar memiliki luas batas yang lebih kecil sehingga energinya lebih rendah. Partikel keras yang berada pada batas butir bertindak seperti jangkar dan menghentikan pertumbuhan ini. Di dalamPaduan 718fase penahannya adalah delta (δ); pada paduan cakram logam serbuk, ia merupakan gamma primer kasar ( ′). Setelah suhu perlakuan panas melewati titik di mana jangkar larut, butiran dapat tumbuh dengan cepat. Inilah sebabnya mengapa suhu solvus merupakan angka terpenting dalam pengendalian ukuran butir.

Bagaimana Fase Delta Mengontrol Ukuran Butir di Inconel 718?

Fase Delta adalah fase kaya niobium yang terbentuk pada batas butir antara sekitar 800 dan 1000 derajat. Ini menentukan batas selama penempaan dan pengolahan larutan, sehingga Paduan 718 tetap berbutir halus selama suhu larutan tetap di bawah delta solvus, sekitar 1010–1020 derajat.

Para pemalsu sengaja mengeksploitasi hal ini. Dalam "pemrosesan delta", material ditahan untuk mengendapkan fase delta sebelum dan selama penempaan, sehingga butiran tetap kecil ketika bagian tersebut kemudian dipanaskan. Data yang dipublikasikan menunjukkan betapa sensitifnya ukuran butir terhadap suhu dan kandungan delta. Dalam sebuah penelitian terhadap billet 718 berbutir ultra halus, larutan 1800 derajat F (sekitar 980 derajat ) selama 5 jam menyisakan sekitar 2,6% delta dan memberikan ukuran butir ASTM 9, sedangkan 1850 derajat F (sekitar 1010 derajat ) selama 1 jam menyisakan sekitar 4,6% delta dan menghasilkan ASTM 10. Dalam studi disk skala penuh yang terpisah, larutan standar pada 954 derajat menghasilkan ASTM yang seragam Struktur 11–12 pada material olahan delta.

Tabel 2. Pengaruh suhu larutan dan fasa delta terhadap ukuran butir Alloy 718. Sumber: Proses TMS Superalloys (1992, 2001) dan literatur paten tentang perlakuan panas Alloy 718. Nomor ASTM adalah nomor ukuran butir ASTM E112; lebih tinggi berarti lebih halus.

Kesimpulannya adalah trade-off. Fase delta membantu menahan ukuran butir, namun pada batas butir hal ini juga dapat mempengaruhi keuletan dan perilaku tegangan-korosi, sehingga beberapa aplikasi sengaja menghilangkannya. Paten yang dipublikasikan mengenai ketahanan korosi tegangan melaporkan bahwa anil di atas delta solvus menghilangkan delta batas tetapi membuat butiran menjadi kasar dari ASTM 8 ke ASTM 3. Inilah sebabnya mengapa suhu larutan dipilih untuk aplikasi, bukan disalin dari tabel umum.

Apa Perbedaan Antara Perlakuan Panas Subsolvus dan Supersolvus?

Perlakuan larutan subsolvus dilakukan di bawah solvus gamma prime, meninggalkan partikel primer kasar yang menyematkan butiran, dan menghasilkan butiran halus. Perawatan supersolvus dilakukan di atas solvus, melarutkan partikel-partikel tersebut, dan membiarkan butiran menjadi kasar. Yang pertama mendukung kekuatan dan kelelahan; yang kedua mendukung ketahanan terhadap pertumbuhan mulur dan retak.

Pilihan ini berlaku terutama untuk paduan cakram logam serbuk dengan paduan tinggi dan diperkuat gamma seperti René 88DT, yang solvus gamma primanya dilaporkan pada sekitar 1110–1116 derajat (2030–2040 derajat F). Karya yang dipublikasikan mengenai paduan ini mencatat bahwa perlakuan subsolvus mempertahankan sekitar 10–20% partikel primer kasar yang membatasi pertumbuhan butiran, sedangkan perlakuan supersolvus menghilangkan batasan ini dan memungkinkan butiran tumbuh.

Tabel 3. Perlakuan larutan subsolvus versus supersolvus untuk paduan cakram yang diperkuat gamma-prima. Sumber: Proses TMS Superalloys, studi disk NASA, dan literatur paten GE.

Pemrosesan supersolvus merupakan inti dari pengembangan René 88DT, dimana ukuran butir yang lebih kasar yang dihasilkan oleh perlakuan larutan supersolvus diharapkan dapat memberikan keuntungan pada creep, dan program ini bertujuan untuk mengurangi laju pertumbuhan retak lelah dibandingkan dengan René 95. Perlakuan supersolvus pada kelas paduan ini dapat menghasilkan ukuran butir kasar yang mendekati ASTM 6 untuk meningkatkan ketahanan terhadap pertumbuhan retak lelah yang tinggal.

Apa Perlakuan Panas Standar untuk Tempa Inconel 718?

Larutan anil pada suhu sekitar 925–1010 derajat diikuti dengan pendinginan cepat, kemudian penuaan dua langkah: 718 derajat selama 8 jam, pendinginan tungku hingga sekitar 620 derajat, tahan hingga waktu penuaan total 18 jam, kemudian dinginkan dengan udara. Menjaga langkah larutan di bawah delta solvus akan mempertahankan butiran halus.

Tabel 4. Siklus larutan dan umur khas Alloy 718. Sumber: lembar data pemasok yang merujuk pada praktik AMS 5662/5663. Selalu ikuti spesifikasi yang berlaku dan pesanan pembelian.

Tahap penuaan tidak banyak mengubah ukuran butir, karena 718 derajat dan 620 derajat jauh di bawah suhu larutan. Yang mereka lakukan adalah mempercepat fase penguatan ( ″ dan ′). Oleh karena itu, ukuran butir ditentukan oleh rute penempaan dan langkah penyelesaiannya; penuaan kemudian menentukan kekuatan.

Apa Itu Perlakuan Panas Struktur Mikro Ganda, dan Mengapa Digunakan untuk Disk?

Perlakuan panas struktur mikro ganda memberikan disk lubang berbutir halus, berkekuatan tinggi, dan tepi berbutir kasar, tahan mulur dengan memanaskan kedua wilayah pada suhu berbeda relatif terhadap solvus. Hal ini bertujuan untuk menghilangkan kompromi yang bersifat universal.

Perlakuan panas yang seragam memberikan ukuran butiran yang seragam di seluruh disk, baik halus maupun kasar, sehingga memaksa adanya kompromi. Dalam perlakuan ganda, pelek dibawa ke atas solvus gamma prime untuk membuatnya menjadi kasar, sedangkan lubangnya dijaga di bawah solvus. Penelitian pada paduan cakram canggih LSHR memeriksa opsi subsolvus dan supersolvus serta beberapa opsi struktur ganda, yang dirancang untuk menghasilkan lubang berbutir halus, berkekuatan tinggi, serta pelek berbutir kasar dan tahan mulur.

Metode ini memiliki tantangan tersendiri: zona transisi antara daerah halus dan kasar. Para peneliti NASA telah mempelajari mode kegagalan kelelahan di zona transisi ukuran butir dari cakram struktur mikro ganda, dan paten perlakuan panas mencatat risiko proses lebih lanjut, bahwa suhu lubang yang terlalu jauh di bawah solvus dapat membuat gamma prime menjadi terlalu tua dan membatalkan manfaatnya. Perawatan struktur mikro ganda memerlukan kontrol termal yang tepat dan pengujian menyeluruh.

Cacat Apa yang Dapat Disebabkan oleh Kontrol Ukuran Butir yang Buruk?

Cacat utama adalah butir kasar yang tidak normal (pertumbuhan butir kritis), struktur butir tercampur atau berpita, butir yang terlalu banyak tumbuh karena suhu larutan yang berlebihan, dan tegangan sisa atau keretakan quench, yang semuanya dapat mengurangi umur kelelahan atau membuat hasil tidak dapat diprediksi.

Tabel 5. Cacat umum terkait ukuran butiran pada tempa superalloy dan cara mencegahnya.

Bagaimana Seharusnya Pembeli Menentukan dan Memverifikasi Ukuran Butir?

Tentukan paduan dan spesifikasi pengaturannya, kisaran ukuran butiran ASTM E112 yang diperlukan (dan butiran kasar maksimum yang diizinkan), lokasi pengujian, dan rute perlakuan panas, kemudian memerlukan sertifikat dan metalografi yang membuktikannya.

Ukuran butiran dilaporkan pada skala ASTM E112, dimana angka yang lebih besar berarti butiran yang lebih halus. Tabel di bawah memberikan perkiraan diameter butir rata-rata untuk angka yang biasa terlihat pada tempa superalloy.

Tabel 6. Perkiraan konversi ukuran butir ASTM E112.

Tabel 7. Daftar periksa pembeli untuk tempa superalloy yang kritis terhadap ukuran butir.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Deformasi akibat penempaan menciptakan butiran, menyematkan partikel (fasa delta pada Paduan 718, gamma primer kasar pada paduan cakram) menahannya, dan suhu larutan relatif terhadap solvus menentukan apakah partikel tersebut tetap tinggal atau larut.

Berapa delta solvus Inconel 718?

Sekitar 1010–1020 derajat. Nilai yang dipublikasikan sedikit bervariasi karena solvusnya bergantung pada waktu, morfologi, dan kandungan niobium lokal; satu penelitian melaporkan nilai keseimbangan yang dihitung mendekati 1033 derajat dan nilai nyata mendekati 1020 derajat.

Apa yang dimaksud dengan perlakuan panas subsolvus versus supersolvus?

Subsolvus adalah perlakuan larutan di bawah solvus gamma prime dan memberikan butiran halus serta sifat tarik dan kelelahan yang lebih baik. Supersolvus berada di atas solvus dan memberikan butiran kasar serta ketahanan terhadap pertumbuhan rambat dan retak yang lebih baik.

Mengapa tidak membuat setiap butir menjadi kasar agar tahan terhadap mulur?

Butiran kasar menurunkan kekuatan tarik dan siklus kelelahan yang rendah, yang penting pada lubang cakram yang lebih dingin dan bertekanan tinggi. Itulah sebabnya ada perawatan struktur mikro ganda.

Apa perlakuan panas standar untuk Inconel 718?

Larutan anil sekitar 925–1010 derajat dengan pendinginan cepat, kemudian didiamkan pada suhu 718 derajat selama 8 jam, tungku didinginkan hingga sekitar 620 derajat, tahan hingga total 18 jam, dan didinginkan dengan udara.

Apa yang dimaksud dengan pertumbuhan biji-bijian yang kritis?

Butiran kasar yang tidak normal yang terbentuk di daerah dengan regangan kritis setelah perlakuan panas supersolvus pada paduan logam serbuk seperti René 88DT. Pengendalian pemrosesan dirancang untuk mencegah risiko penempaan dan perlakuan panas yang diketahui.