Ligas forjadas de alta temperatura para turbinas a gás: classes de materiais e requisitos de qualidade

Um disco de turbina a gás gira durante dezenas de milhões de ciclos a temperaturas que amoleceriam o aço comum. A qualidade da peça depende da liga e, igualmente importante, do forjamento, do tratamento térmico e da inspeção por trás dela.

Este guia cobre os tipos de superligas de níquel usadas para forjamentos de turbinas -Inconel 718, Waspaloy, Rene 41, X-750, 706, 625 e Hastelloy X - e os requisitos de qualidade (graus ASTM e AMS, redução de forjamento, fluxo de grãos, NDT e rastreabilidade) que separam um forjamento aeroespacial de uma barra semelhante.

Por que os forjados são escolhidos em vez de fundidos ou placas para peças rotativas de turbinas?

Um disco ou eixo de turbina forjado é escolhido porque o forjamento alinha o fluxo de grãos com o caminho de tensão e permite que a inspeção volumétrica 100% prove que a peça está internamente sólida – duas coisas que a fundição não pode oferecer com o mesmo custo e risco para um componente crítico para fadiga.

Um disco de turbina é uma massa rotativa que apresenta fadiga de baixo ciclo em cada partida-parada, fadiga de alto ciclo na passagem da pá e carga centrífuga constante. A fundição pode reproduzir uma forma complexa perto da rede, mas seu grão grosso e equiaxial e possível porosidade de contração são pontos fracos para fadiga e para inspecionabilidade ultrassônica. O forjamento em matriz aberta e fechada quebra a estrutura dendrítica fundida, refina o grão e - através da deformação controlada - direciona o fluxo do grão ao redor da borda e do furo onde a tensão é mais alta. Essa estrutura granular trabalhada também é o que torna o teste ultrassônico subsequente significativo: um forjamento limpo fornece um traço UT limpo e legível.

A placa ou barra cortada no formato perde em ambos os aspectos: o grão corre direto pela seção em vez de seguir o contorno, e o material não é trabalhado da mesma forma que um forjamento. Para hardware estático e de menor tensão, como revestimentos e dutos, placas e chapas permanecem comuns - veja nossas notas emHastelloyXeInconel 625na seção quente.

Quais superligas de níquel são usadas para forjamentos de turbinas a gás?

A família de forjamento de turbinas se divide em ligas de disco/eixo endurecidas por precipitação (Inconel 718, Waspaloy, Rene 41, X-750, 706, Incoloy 901) e ligas de caixa/combustor de solução sólida (Inconel 625, Hastelloy X) - cada uma compatível com uma faixa de temperatura e uma peça.

Peças rotativas que precisam de alta resistência à temperatura usam ligas de níquel endurecidas por precipitação gama-prime (gama') ou gama-double-prime (gama''). Peças estruturais e de seção quente que necessitam de conformabilidade, resistência à oxidação e resistência moderada utilizam ligas de solução sólida. A tabela agrupa as classes de forjamento comuns de acordo com o trabalho que realizam.

Classes de forjamento de superligas de níquel usadas em turbinas a gás

O que torna o Inconel 718 a liga de disco de turbina robusta?

O Inconel 718 ganha seu lugar porque o precipitado gama-double-prime oferece resistência muito alta, mas se forma lentamente, de modo que a liga solda sem fissuras por deformação e envelhece uniformemente através de seções espessas - exatamente o que um disco ou eixo grande precisa.

718 é uma superliga de Ni-Cr-Fe-Nb-Mo, UNS N07718 (W.Nr 2.4668), com aproximadamente 50-55% de níquel, 17-21% de cromo, ferro como equilíbrio, 4,75-5,50% de nióbio mais tântalo, 2,80-3,30% de molibdênio, 0,65-1,15% de titânio e 0,20-0,80% de alumínio; o carbono é limitado a 0,08%. Sua força vem principalmente da fase gama-duplo-principal tetragonal centrada no corpo Ni3Nb, com uma contribuição gama'(Ni3(Al,Ti)) menor. A densidade é 8,19 g/cm3.

Na condição tratada com solução e envelhecida, o 718 atinge uma resistência à tração mínima de 1.276 MPa (185 ksi) e 0,2% de rendimento de 1.034 MPa (150 ksi) com pelo menos 12% de alongamento (AMS 5662), e mantém resistência útil de temperaturas criogênicas até cerca de 650 C (1.200 F) contínuas, com capacidade de curto prazo até 700 C (1.290 F). Acima de aproximadamente 700 C, o gama-duplo-principal torna-se mais grosseiro e converte-se na fase delta incoerente e a liga perde sua vantagem.

Dados de forjamento do Inconel 718 (UNS N07718, conforme AMS 5662 / ASTM B637)

Como a precipitação gama-duplo-prime é lenta, o 718 pode ser soldado na condição de solução tratada e posteriormente envelhecido sem a fissuração por deformação que afeta as ligas gama-prime, como Waspaloy e Rene 41. Essa soldabilidade, além da resposta uniforme da seção transversal, é o motivo pelo qual o 718 é especificado desde hardware de cabeça de poço até turbobombas de foguete e, é claro, discos e eixos de turbina. Veja nossoPropriedades do material Inconel 718página eInconel 718 na indústria aeroespacialpara mais.

Quando o Waspaloy é a melhor escolha do que o 718 para discos e eixos?

Escolha Waspaloy (UNS N07001) quando a peça funcionar acima de aproximadamente 620-650 C e precisar de uma vida útil de ruptura que o 718 não pode oferecer; escolha 718 quando precisar da maior resistência à temperatura ambiente e fácil soldabilidade abaixo de cerca de 650 C.

Waspaloy é uma superliga de níquel-cromo-cobalto reforçada com gama-prime: cerca de 58% de níquel, 18-21% de cromo, 12-15% de cobalto, 3,5-5,0% de molibdênio, 2,75-3,25% de titânio e 1,20-1,60% de alumínio, com ferro limitado a 2%. O cobalto e o molibdênio conferem resistência à solução sólida; o titânio e o alumínio precipitam o Ni3(Al,Ti) gama-prime que carrega resistência a altas temperaturas. Gamma-prime é muito mais estável do que o gama-double-prime que fortalece 718, então Waspaloy mantém a resistência útil em cerca de 650 C (1200 F) em peças rotativas e em cerca de 870 C (1600 F) em peças estáticas de menor estresse, e sua resistência à ruptura por fluência bate 718 acima de aproximadamente 620-650 C.

O comércio é duplo. A resistência mínima à tração envelhecida do Waspaloy é de cerca de 1.441 MPa (209 ksi) com rendimento de 0,2% de cerca de 1.076 MPa (156 ksi) - inferior a 718 à temperatura ambiente - e seu gama-prime o torna propenso a trincas por deformação, portanto a soldagem é mais difícil. Um tratamento térmico típico de três estágios é a solução a cerca de 1.080 C (1.975 F) por 4 horas, resfriado ao ar; estabilizar a cerca de 845 C (1550 F) por 4 h, resfriado ao ar; em seguida, envelheça a cerca de 760 C (1400 F) por 16 horas, resfrie ao ar (verifique o ciclo exato em relação à liberação vigente do AMS). As especificações são ASTM B637 e a série AMS 5704/5706/5708.

Inconel 718 vs Waspaloy para peças forjadas de turbina

Como as ligas de solução sólida atendem à seção quente?

O Inconel 625 e o Hastelloy X não são endurecidos pelo envelhecimento, por isso trocam a resistência máxima pela conformabilidade e resistência à oxidação/corrosão - que é exatamente o que os invólucros, anéis, vedações e hardware do combustor precisam.

O reforço em solução sólida vem de molibdênio, nióbio e cromo dissolvidos, em vez de uma fase precipitada, de modo que essas ligas permanecem dúcteis e soldáveis ​​e podem ser formadas em formatos grandes ou finos. Inconel 625 (UNS N06625: equilíbrio de Ni, 20-23% Cr, 8-10% Mo, 3,15-4,15% Nb) é a escolha padrão para caixas, anéis, vedações e dutos até cerca de 650 C, e sua resistência à corrosão por cloretos é um bônus em turbinas marítimas e offshore.

Hastelloy X (UNS N06002: equilíbrio de Ni, 20,5-23% Cr, 17-20% Fe, 8-10% Mo, 0,2-1,0% W) carrega o combustor: revestimentos, dutos de transição e hardware de pós-combustão onde a resistência à oxidação até cerca de 870 C (1600 F) é mais importante do que a resistência. O estoque de forjamento e os forjados de ambos são cobertos pela ASTM B564; veja nossas páginas forjadas Inconel 625 B564 e Hastelloy X.

Além do níquel: onde a turbina precisa de resistência à oxidação acima de 900 C, ligas à base de cobalto, como UNS R30188 (cobalto-níquel-cromo-tungstênio com lantânio) estendem o serviço para 980 C (1800 F) para combustores e revestimentos de transição. Eles são fornecidos mediante solicitação e não como estoque padrão.

Quais limites de temperatura se aplicam a cada liga em serviço de turbina?

A 'temperatura de serviço' de um forjamento de turbina não é um número - é o menor entre o limite de resistência da liga na tensão e o limite de oxidação do componente, e difere em dezenas a centenas de graus entre peças rotativas e estáticas.

Use a tabela como um guia de planejamento e não como um valor de projeto. O limite governante para uma peça rotativa tensionada é a resistência à ruptura por fluência na tensão de serviço; para um revestimento de combustor levemente carregado, é oxidação. Sempre confirme a tensão permitida com base na folha de dados ASME ou OEM atual para a condição exata.

Limites de temperatura contínuos versus limites de temperatura de curto prazo para ligas de forjamento de turbinas

Como o precipitado de reforço difere entre as ligas 718 e gama-prime?

718 é reforçado com gama-double-prime (Ni3Nb), que se forma lentamente e proporciona boa soldabilidade; Waspaloy, Rene 41 e X-750 são reforçados com gama-prime (Ni3(Al,Ti)), que é mais estável à temperatura, mas dificulta a soldagem e o reparo.

Gamma-double-prime é uma fase tetragonal ordenada centrada no corpo. Como ele nuclea e cresce lentamente, um forjamento 718 pode ser soldado na condição tratada com solução macia e depois envelhecido até a resistência total, sem a trinca intergranular que as ligas gama-prime sofrem durante o envelhecimento pós-soldagem (fissuração por deformação). Gamma-prime, por outro lado, é coerente e extremamente estável à temperatura, razão pela qual as ligas gama-prime duram mais de 718 em fluência e ruptura acima de cerca de 620-650 C - mas suas janelas de soldagem são estreitas e os reparos precisam de um controle térmico cuidadoso. O tipo de precipitado, e não o teor de níquel, é o que decide tanto a temperatura máxima quanto a rota de fabricação.

Qual processo de forjamento transforma um tarugo em um disco de turbina?

Os discos de turbina são feitos por forjamento em matriz aberta ou fechada (muitas vezes forjamento isotérmico de 718) a partir de um tarugo refundido, com a temperatura de forjamento escolhida abaixo do delta solvus para grãos finos ou acima dele para grãos grossos - uma escolha deliberada, não um acidente.

O ponto de partida é um tarugo VIM+ESR (ou VIM+ESR+VAR de fusão tripla) cuja química e limpeza são documentadas para o calor. O tarugo é aquecido e trabalhado - matriz aberta para anéis, blocos e pré-formas; forjamento em matriz fechada (e cada vez mais isotérmica) para discos quase perfeitos que minimizam o estoque de usinagem. Para 718 a janela de forjamento é de aproximadamente 950-1150 C (1750-2100 F); os discos de turbina são comumente forjados perto de 1000-1025 C.

Um controle chave é o forjamento sub-solvus versus super-solvus. Forjar abaixo do solvus delta (Ni3Nb) proporciona uma estrutura de grão fino e recristalizado com alta resistência, ductilidade e vida útil em fadiga de baixo ciclo - a escolha para a maioria dos discos 718. Forjar acima do solvus fornece uma estrutura de grão grosso que troca alguma resistência por melhor vida útil de fluência/ruptura e crescimento mais lento de trincas por fadiga permanente, usado onde a fluência de longo prazo governa. O tamanho do grão definido pelo processo é posteriormente verificado em relação à ASTM E112 e faz parte do registro de aceitação do forjamento.

A relação buy-to-fly é o fator de custo silencioso. Um disco 718 isotérmico de precisão pode ter uma proporção buy-to-fly próxima de 1,3:1 (pouca sucata), enquanto uma grande pré-forma de matriz aberta pode começar com 4:1 ou mais de tarugo que é usinado. A superliga bruta pela qual você paga, mas nunca voa, representa uma grande parte do preço da peça - e é por isso que vale a pena buscar o forjamento quase final e o HIP de material premium.

De que taxa de redução e requisitos de fluxo de grãos as peças forjadas de turbina precisam?

Uma taxa mínima de redução de forjamento de cerca de 4:1 é típica, aumentando para 6:1-8:1 para peças rotativas, e o fluxo de grãos deve seguir o contorno da peça - ambos são verificados, não assumidos.

A taxa de redução é a relação entre a seção transversal inicial e a seção final. Deve ser suficientemente alto para fechar a porosidade do fundido e romper a estrutura dendrítica do lingote; um mínimo comum é 4:1, e as peças rotativas aeroespaciais são frequentemente especificadas em 6:1 a 8:1. Mas a redução por si só não é suficiente: a direção do trabalho deve colocar o fluxo dos grãos ao longo do caminho da tensão. Um aro de disco carregado com tensão circular deve apresentar fluxo circunferencial de grãos; um eixo em torção e flexão deve apresentar fluxo axial. Uma macroetch (veja abaixo) é a prova.

• Redução mínima: cerca de 4:1 típica; 6:1-8:1 para discos e eixos rotativos.
• Fluxo de grão: deve seguir o contorno da peça e não passar direto por ela.
• Estrutura dendrítica: totalmente fragmentada, sem segregação ou faixas na linha central.
• Tamanho do grão: controlado e verificado de acordo com o requisito ASTM E112.
• Forjamento multidirecional: usado para formas complexas para alinhar o fluxo em mais de uma direção.

Quais tratamentos térmicos são especificados para peças forjadas de turbina endurecidas por precipitação?

As peças forjadas de turbina endurecidas por precipitação são fornecidas tratadas com solução (e, para ligas de disco, duplamente envelhecidas até o ciclo AMS/B637); as temperaturas e limites exatos estão escritos nas especificações de compra e registrados no gráfico de tratamento térmico.

718 é normalmente entregue com solução tratada a 925-1010 C (1700-1850 F), resfriada a ar ou mais rápido, depois duplamente envelhecida: 720 C (1325 F) por 8 h, forno resfriado a 620 C (1150 F) e mantido por um total de 18 h, depois resfriado a ar. Waspaloy usa uma sequência de solução-estabilização-idade conforme descrito acima. O ciclo do forno de tratamento térmico é mapeado e retido como parte do registro de qualidade, e espera-se que processos especiais, como o tratamento térmico, possuam acreditação NADCAP para peças críticas de voo. O envelhecimento excessivo ou uma solução fora da janela pode alterar o tamanho do grão e a distribuição do precipitado o suficiente para falhar nos testes mecânicos, portanto o ciclo não é negociável.

Quais especificações ASTM e AMS regem essas peças forjadas?

ASTM B637 rege barras de liga de níquel com endurecimento por precipitação, peças forjadas e material forjado (718, X-750, 706, Waspaloy e similares); ASTM B564 rege a família mais ampla de forjamento de liga de níquel (625, 600, 825, X-750, 718, C-276 e outros). Os lançamentos da AMS nomeiam o tratamento térmico exato e os detalhes do teste.

Especificar apenas o grau ASTM não é suficiente – a versão AMS ou OEM decide a têmpera, o ciclo de tratamento térmico e os testes de aceitação. As liberações mais utilizadas para peças forjadas de turbinas estão listadas abaixo; nossas páginas de flanges Inconel 718 ASTM B637 e Inconel 718 B564 apresentam detalhes de nível de classificação.

Especificações principais para ligas forjadas de turbinas a gás

Quais testes não destrutivos são obrigatórios para peças forjadas de turbinas?

Um forjamento de turbina de voo ou de potência crítica recebe 100% de testes ultrassônicos volumétricos, testes de penetração de superfície ou de partículas magnéticas e um macro-etch para comprovar o fluxo de grãos - cada um para uma classe de aceitação nomeada.

Nenhum teste vê tudo: uma superfície limpa não prova a integridade interna e um UT limpo não prova o material de usinagem ou a condição da superfície. As três camadas são complementares. A tabela mapeia cada teste de acordo com seu padrão usual para peças forjadas de superligas.

Pilha de testes não destrutivos para peças forjadas de turbinas

Um teste de superfície aprovado não estabelece solidez interna e um UT aprovado não estabelece estoque de usinagem. A cotação mais barata é muitas vezes aquela que deixa de fora a inspeção que detectaria o defeito que o preço já esconde - então nomeie a classe de aceitação, não apenas 'testado UT'.

Como o fluxo de grãos é verificado e por que isso é importante para a fadiga?

O fluxo de grãos é verificado por um macro-etch de uma seção representativa, e isso é importante porque as trincas por fadiga seguem o caminho de menor resistência - um fluxo de grãos que segue o contorno afasta as trincas da superfície de alta tensão.

Um macro-etch (ASTM E381 para peças forjadas, ASTM E340 geralmente) dissolve uma seção transversal preparada para revelar o padrão de grão deformado. O relatório mostra se as linhas de fluxo envolvem a borda do disco, correm axialmente ao longo de um eixo ou cortam diretamente em um recurso crítico. Onde o fluxo é interrompido ou corre transversalmente à tensão, esse local torna-se o candidato ao início da fadiga. Por esta razão, o desenho do forjamento - e não apenas a química - define a direção de fluxo necessária, e a macrogravação é a evidência de que o forjamento atende a essa direção.

Que prática de fusão é necessária para peças forjadas de superligas de qualidade aeroespacial?

As peças forjadas de turbina com qualidade aeroespacial começam com fusão por indução a vácuo mais refusão por eletroescória (VIM+ESR), e as peças rotativas são geralmente fundidas triplamente (VIM+ESR+VAR); a rota de fusão é rastreável desde a peça acabada até o calor.

A refusão é o que dá às superligas forjadas sua limpeza e ausência de segregação na linha central e inclusões de longarinas que nuclearizariam rachaduras por fadiga. A fusão por indução a vácuo controla a química e os gases dissolvidos; a refusão por eletroescória refina a estrutura do lingote; a refusão por arco a vácuo (a etapa VAR na fusão tripla) aumenta a uniformidade da composição ao longo do lingote. O número de calor viaja com o tarugo, o forjamento e cada cupom de teste, de modo que um resultado suspeito pode ser atribuído ao fundido exato. Nossa visão geral da liga de níquel abrange as famílias de classes que esta prática de fusão atende.

Que defeitos podem aparecer em peças forjadas de superligas e como podem ser evitados?

Os defeitos que importam nas peças forjadas de turbina são dobras e dobras, microfissuras de taxa de deformação, segregação e faixas, flocos de hidrogênio (manchas brancas) e inclusões - cada um deles pode ser evitado pela taxa de redução, controle de temperatura e inspeção.

As superligas são implacáveis: elas mantêm sua resistência na temperatura de forjamento, têm uma janela de trabalho estreita e são sensíveis à taxa de deformação, portanto, temperaturas erradas ou rampas causam microfissuras. Os lingotes podem conter segregação da linha central e, em grandes seções, flocos de hidrogênio – microfissuras internas que podem sobreviver à usinagem e causar falhas repentinas. A pilha de prevenção está bem estabelecida.

Defeitos comuns no forjamento de turbinas e seus controles

Quais testes de propriedades mecânicas comprovam que um forjamento atende às especificações?

A aceitação é comprovada por testes de tração e dureza no mínimo, além de ruptura por tensão ou fluência e impacto quando a tarefa exigir, todos obtidos a partir de uma localização e orientação de cupom especificadas.

O relatório de teste de material registra propriedades de tração de acordo com ASTM E8, dureza de acordo com ASTM E18 e - para serviços em altas temperaturas - dados de ruptura por tensão ou fluência de acordo com ASTM E139 e frequentemente impacto Charpy de acordo com ASTM E23. Criticamente, o cupom é obtido na orientação e na localização dos nomes das especificações (geralmente um prolongamento do forjamento), de modo que os números representam a peça, e não um recorte conveniente. O tamanho do grão é relatado pela ASTM E112 e a química ao calor pela ASTM E1473. Um forjamento que passa na química, mas falha na tração orientada, é rejeitado - o teste é a prova, não apenas o certificado.

• Tração: ASTM E8 (final, rendimento, alongamento).
• Dureza: ASTM E18 (frequentemente usada para verificação de tratamento térmico).
• Ruptura por tensão/fluência: ASTM E139 (serviço em altas temperaturas).
• Impacto: ASTM E23 (casos de baixa temperatura ou tolerância a defeitos).
• Tamanho do grão: ASTM E112 (específico para cupom).
• Química: ASTM E1473 / espectro, ao calor.

Como a rastreabilidade e a documentação são tratadas para peças forjadas de turbinas?

O forjamento de uma turbina aeroespacial é comprovado tanto por sua documentação quanto por seu metal - um relatório de teste de material EN 10204 3.1 com rastreabilidade de número de calor, um certificado de conformidade, inspeção de primeiro artigo e registros NADCAP.

O pacote de documentação mapeia todas as variáveis ​​que podem arruinar silenciosamente uma peça: identidade do material inicial e rota de fusão, sequência de deformação, controle térmico, gráficos de tratamento térmico, endireitamento, condicionamento de superfície, resultados de END e evidências de testes. O NADCAP (administrado pelo Performance Review Institute) audita processos especiais, como tratamento térmico e END, em relação aos requisitos aeroespaciais, e os resultados da auditoria são públicos. Um comprador deve esperar, no mínimo, um MTR, um COC e um relatório de inspeção do primeiro artigo apoiado por gráficos de tratamento térmico e relatórios de END.

• Relatório de teste de material (MTR) com rastreabilidade de número de calor - EN 10204 3.1 (3.2 com testemunha).
• Certificado de conformidade (COC).
• Inspeção do primeiro artigo (FAI) para novos projetos.
• Gráficos de tratamento térmico mostrando os ciclos reais do forno.
• Relatórios de END com critérios de aceitação e resultados.
• Credenciamento NADCAP para tratamento térmico e END quando for crítico para o voo.

Quais documentos de qualidade o comprador deve exigir na RFQ?

Escreva a classe, a peça, o caminho de carga, a rota de fusão, a taxa de redução, a direção do fluxo de grãos, a condição de tratamento térmico, o escopo do END e a documentação na RFQ e, em seguida, verifique o primeiro artigo antes de liberar a produção.

Um convite vago de 'forja de Inconel' produz uma barra que parece correta e falha mais tarde. A lista de verificação abaixo é a mesma que um OEM de turbina usa; ele é reproduzido como um procedimento passo a passo para que possa ser copiado diretamente em uma solicitação de cotação.

Etapa 1. Nomeie o grau exato e a especificação do produto:Não escreva 'Inconel'. Especifique Inconel 718 para AMS 5662 ou AMS 5663, ou Waspaloy para AMS 5708 - a nota e a especificação de emissão decidem cada teste downstream.

Passo 2. Indique a peça, seu caminho de carga e a temperatura operacional:Disco, eixo, caixa, vedação ou hardware do combustor apresentam tensões e temperaturas diferentes; o dever define a liga e a direção do fluxo de grãos que o forjamento deve seguir.

Etapa 3. Especifique a rota de fusão:Declare VIM+ESR para serviço geral ou VIM+ESR+VAR (fusão tripla) para peças rotativas e exija rastreabilidade do número de calor até a fusão original.

Passo 4. Defina a taxa de redução de forjamento e a direção do fluxo de grãos:Indicar uma redução mínima de 4:1 (6:1-8:1 para peças rotativas) e o contorno que o fluxo de grãos deve seguir; isto é o que o relatório macroetch deve provar.

Passo 5. Defina a condição de tratamento térmico:Nomeie a condição de entrega - solução tratada ou solução tratada e envelhecida até o ciclo AMS/B637 - e quem a executa e certifica.

Etapa 6. Defina o escopo do END e a classe de aceitação:Exigir 100% de testes ultrassônicos de acordo com AMS 2154 Classe AA (ou ASTM A388/E2375), superfície PT (ASTM E165) ou MT (ASTM E1444) e um macroetch de acordo com ASTM E381/E340; nomeie o nível de aceitação de cada um.

Passo 7. Exija o pacote de documentação:Exija um MTR EN 10204 3.1, certificado de conformidade, relatório de inspeção do primeiro artigo, gráficos de tratamento térmico e relatórios de END, com credenciamento NADCAP para processos especiais onde a peça é crítica para o voo.

Como você escolhe a liga e a especificação corretas para uma determinada peça de turbina?

Escolha a liga por faixa de temperatura e carregue - 718 para discos/eixos gerais até 650 C, Waspaloy ou Rene 41 onde a fluência acima de 650 C governa, 625 ou Hastelloy X para caixas e combustor - em seguida, nomeie o grau ASTM e a liberação AMS, não apenas o nome comercial.

A decisão é uma combinação tripla de temperatura, tensão e capacidade de fabricação. Abaixo de cerca de 650 C com necessidades de alta resistência e soldabilidade, 718 é o padrão. Onde a fluência acima de 620-650 C rege uma peça rotativa, mude para Waspaloy, e para as chapas/forjadas mais quentes, para Rene 41.

Caixas, anéis, vedações e dutos utilizam solução sólida 625; Os revestimentos do combustor usam Hastelloy X. Cada escolha é então resolvida para uma especificação: 718 para ASTM B637/AMS 5662, Waspaloy para ASTM B637/AMS 5708 e assim por diante. Nossas páginas da família Inconel e Hastelloy listam os tipos de ações por trás dessas seleções.

Guia de seleção de liga por peça de turbina

Quais são os fatores de custo e prazo de entrega para peças forjadas de turbinas de superligas?

O preço de um forjamento de turbina é definido pelo prêmio da liga, pela relação buy-to-fly, pela rota de fusão, pelo escopo do END e pelo ferramental - e não pelo preço da barra por quilograma.

As superligas de níquel custam muitas vezes mais do que o carbono ou o aço inoxidável, então a massa pela qual você paga, mas nunca voa, domina o custo. Fusão tripla, 100% Classe AA UT, macroetch e um pacote completo de documentação agregam custo real, mas são a prova de que a peça é qualificada. Pilhas de prazo de entrega desde fusão de tarugos, reaquecimentos de forjamento, tratamento térmico e END, com matriz fechada ou ferramentas isotérmicas no topo - planeje de semanas a meses, mais tempo para peças grandes ou críticas para o voo. Comprar com especificações rigorosas e corretas e uma rota quase líquida é o que realmente controla o custo e o cronograma.

Para comparação com o mundo dos produtos forjados, nossas páginas de acessórios forjados ASME B16.11 e acessórios para tubos forjados cobrem os componentes forjados menores, e nossas páginas Incoloy 800H / 800HT cobrem as ligas forjadas de alta temperatura usadas nas zonas mais quentes e de menor tensão da máquina.

Perguntas frequentes

Os mais comuns são discos, eixos, lâminas, vedações e anéis Inconel 718; Discos e eixos de rotor Waspaloy e Rene 41 para seções mais quentes; Lâminas, parafusos e molas de Inconel X-750; e caixas, anéis e vedações Inconel 625 de solução sólida, além de revestimentos de combustor Hastelloy X e dutos de transição. Consulte Inconel 718 e Hastelloy X para detalhes de classificação.

Qual é a diferença entre Inconel 718 e Waspaloy para peças forjadas?

718 é reforçado com gama-double-prime (Ni3Nb) e oferece a maior resistência à temperatura ambiente e fácil soldabilidade até cerca de 650 C; Waspaloy é reforçado com gama-prime (Ni3(Al,Ti)) e mantém a resistência à ruptura por fluência acima de aproximadamente 620-650 C, a 870 C para peças estáticas, mas é mais difícil de soldar. Ambos são cobertos pela ASTM B637.

Que temperatura pode suportar um forjamento de turbina Inconel 718?

O Inconel 718 é usado continuamente até cerca de 650°C (1.200°F) e por curtos períodos até 700°C (1.290°F). Acima de aproximadamente 700°C, o precipitado gama-duplo-principal torna-se mais grosso e converte-se na fase delta e a liga perde sua vantagem de resistência.

O que a ASTM B637 cobre?

ASTM B637 é a especificação para barras de liga de níquel endurecidas por precipitação, peças forjadas e materiais forjados para serviços em altas temperaturas - incluindo Inconel 718, X-750, 706 e Waspaloy. As versões complementares do AMS (por exemplo, AMS 5662 para 718, AMS 5708 para Waspaloy) definem o tratamento térmico exato e os detalhes do teste.

O que a ASTM B564 cobre?

A ASTM B564 cobre peças forjadas de liga de níquel de forma mais ampla - Inconel 625, 600 e X-750, Hastelloy X e C-276, Incoloy 825, Monel 400 e outros - para serviços gerais resistentes à corrosão e ao calor. É a especificação usual para peças forjadas e forjadas de turbinas de solução sólida.

Por que o fluxo de grãos é importante em um forjamento de disco de turbina?

As trincas por fadiga seguem o caminho de menor resistência, de modo que o fluxo de grãos que segue o contorno do disco afasta as trincas da superfície de alta tensão. Uma macroetch de acordo com ASTM E381/E340 é a evidência de que o fluxo corresponde ao desenho, e a direção do fluxo é especificada no forjamento, não assumida.

Qual taxa de redução é necessária para um forjamento de turbina?

Uma redução mínima de forjamento de cerca de 4:1 é típica, e peças rotativas, como discos e eixos, são comumente especificadas na proporção de 6:1 a 8:1 para quebrar a estrutura dendrítica fundida e fechar a porosidade.

O que é forjamento sub-solvus versus super-solvus?

O forjamento 718 abaixo do delta (Ni3Nb) solvus fornece um grão fino recristalizado com alta resistência e boa vida útil em fadiga de baixo ciclo; forjar acima do solvus proporciona um grão grosso com melhor vida útil de fluência/ruptura e crescimento mais lento de trincas por fadiga permanente. A escolha é deliberada e o tamanho de grão resultante é verificado de acordo com ASTM E112.

Quais testes não destrutivos são necessários para peças forjadas de turbinas?

Um forjamento de voo ou potência crítica recebe 100% de testes ultrassônicos volumétricos (AMS 2154 Classe AA ou ASTM A388 / ASTM E2375), testes de penetrante de superfície (ASTM E165) ou de partículas magnéticas (ASTM E1444) e um macroetch (ASTM E381 / E340) para provar o fluxo de grãos. Nenhum teste vê tudo, então as camadas são complementares.

O que é AMS 2154 Classe AA?

AMS 2154 é a especificação aeroespacial para inspeção ultrassônica de metal forjado; Classe AA é seu nível de aceitação mais rigoroso, usado para peças rotativas premium, como discos e eixos de turbinas, onde a solidez interna é crítica.

Qual prática de fusão é usada para peças forjadas de superligas aeroespaciais?

Forjados de qualidade aeroespacial começam com fusão por indução a vácuo e refusão por eletroescória (VIM+ESR); as peças rotativas são geralmente fundidas triplamente (VIM+ESR+VAR). O número de calor rastreia a peça acabada até o fundido original.

Por que as superligas forjadas são difíceis de forjar?

Eles retêm a resistência na temperatura de forjamento, têm uma janela de trabalho estreita e são sensíveis à taxa de deformação, portanto, temperaturas erradas ou rampas causam microfissuras. Aquecimento controlado, rampa e redução são o que torna um forjamento limpo.

Quais documentos uma remessa de forjamento de turbina deve incluir?

No mínimo, um relatório de teste de material EN 10204 3.1 com rastreabilidade de número de calor, um certificado de conformidade, inspeção do primeiro artigo, gráficos de tratamento térmico e relatórios de END; A acreditação NADCAP é esperada para processos especiais críticos de voo.

O Inconel 718 é soldável?

Sim – melhor que a maioria das superligas de alta resistência. Seu precipitado gama-duplo-primo se forma lentamente, de modo que o 718 pode ser soldado na condição de solução tratada e posteriormente envelhecido sem a fissuração por deformação que afeta ligas gama-prime, como Waspaloy e Rene 41.

O Hastelloy X pode ser forjado para peças de turbinas?

Sim. Hastelloy X (UNS N06002) é forjado para revestimentos de combustores, dutos de transição, anéis e hardware de pós-combustão onde a resistência à oxidação até cerca de 870 C (1600 F) é mais importante do que a resistência de pico. Os forjados são cobertos pela ASTM B564; veja Hastelloy X.

Qual é a proporção buy-to-fly e por que isso é importante?

Buy-to-fly é a relação entre a massa bruta do tarugo e a massa da peça acabada. O forjamento isotérmico próximo ao 718 pode atingir cerca de 1,3:1, enquanto uma grande pré-forma de matriz aberta pode começar acima de 4:1; a superliga pela qual você paga, mas nunca voa, é uma grande parte do custo da peça, portanto, vale a pena buscar rotas próximas à rede e HIP de material premium.

Quanto tempo leva para forjar uma turbina de superliga?

Os prazos de entrega desde a fusão dos tarugos, reaquecimentos de forjamento, tratamento térmico e END, com ferramentas de matriz fechada ou isotérmicas no topo - normalmente semanas a meses, e mais tempo para peças grandes ou críticas para o voo. Uma especificação rigorosa e correta e uma rota próxima da rede são o que controla o cronograma.

As peças forjadas de turbina precisam de prensagem isostática a quente (HIP)?

O HIP é usado em peças forjadas premium e formatos quase perfeitos para fechar a porosidade interna e melhorar a fadiga e a inspecionabilidade, e é comum para peças rotativas críticas; se é necessário é decidido pela especificação de compra e pela classe de aceitação do END.