Forjados de superligas à base de níquel: tratamento térmico para controle de tamanho de grão em peças rotativas críticas

Discos de turbina, discos de compressor, eixos e peças forjadas de rotor giram em alta velocidade e alta temperatura por milhares de horas. Uma falha não é um vazamento; é um evento catastrófico. Para estas peças, o tamanho dos grãos do metal não é um detalhe cosmético. Ele decide como a peça resiste a trincas por fadiga, fluência e crescimento lento de trincas. Este guia explica como o tratamento térmico define o tamanho do grão em peças forjadas de superligas à base de níquel, como as principais rotas se comparam e o que os compradores devem especificar e verificar.

O tamanho do grão em um forjamento de superliga é definido por duas coisas trabalhando juntas: a história do trabalho a quente que cria os grãos e a temperatura do tratamento térmico relativa à temperatura na qual as partículas de reforço ou fixação se dissolvem. A solubilização abaixo dessa temperatura mantém os grãos finos (melhor resistência à tração e à fadiga); a solução acima permite que os grãos cresçam grossos (melhor resistência à fluência e ao crescimento de fissuras). Os tratamentos de microestrutura dupla tentam dar a cada parte de um disco o tamanho de grão necessário.

Por que o tamanho do grão é importante em peças rotativas críticas?

Porque grãos finos e grossos protegem contra diferentes modos de falha. Os grãos finos proporcionam maior resistência à tração e melhor resistência à fadiga de baixo ciclo; grãos grossos proporcionam melhor fluência e resistência ao crescimento de fissuras em altas temperaturas. Nenhum tamanho de grão único é melhor em qualquer parte de uma peça rotativa.

Um grão é um minúsculo cristal. Os limites entre os grãos são pontos fracos em altas temperaturas, onde o metal pode deformar-se lentamente (rastejar) ao longo deles. Em temperaturas mais baixas, o oposto é verdadeiro: os limites bloqueiam as fissuras, portanto, mais limites (grãos mais finos) significam um metal mais forte e mais resistente à fadiga. Um disco possui as duas condições ao mesmo tempo. O furo (centro) é mais frio e suporta ciclos de alta tensão. O aro esquenta mais e fica sob carga sustentada.

Tabela 1. A compensação de tamanho de grão em ligas de disco, conforme descrito na literatura publicada sobre tratamento térmico de disco de turbina a gás.

O que controla o tamanho do grão em um forjamento de superliga à base de níquel?

Três alavancas controlam isso: quanto e quão quente o metal é deformado durante o forjamento, quais partículas estão presentes para fixar os limites dos grãos e a temperatura final do tratamento da solução em relação ao solvus (a temperatura na qual essas partículas se dissolvem).

Durante o forjamento, a deformação cria novos grãos pequenos por recristalização. Durante o aquecimento posterior, esses grãos tendem a crescer, porque os grãos grandes têm menos área limite e, portanto, menor energia. Partículas duras depositadas nos limites dos grãos agem como âncoras e impedem esse crescimento. EmLiga 718a fase de ancoragem é delta (δ); em ligas de disco de metal em pó, é primário gama primário grosso (′). Uma vez que a temperatura do tratamento térmico ultrapasse o ponto onde as âncoras se dissolvem, os grãos podem crescer rapidamente. É por isso que a temperatura solvus é o número mais importante no controle do tamanho do grão.

Como a fase Delta controla o tamanho do grão no Inconel 718?

A fase Delta é uma fase rica em nióbio que se forma nos limites dos grãos entre aproximadamente 800 e 1000 graus. Ele fixa os limites durante o forjamento e o tratamento da solução, de modo que a Liga 718 permanece de granulação fina enquanto a temperatura da solução permanecer abaixo do delta solvus, cerca de 1010–1020 graus.

Os falsificadores exploram isso de propósito. No “processamento delta”, o material é mantido para precipitar a fase delta antes e durante o forjamento, de modo que os grãos permaneçam pequenos quando a peça for aquecida posteriormente. Os dados publicados mostram quão sensível o tamanho do grão é à temperatura e ao conteúdo delta. Em um estudo de tarugo 718 de grão ultrafino, uma solução de 1.800 graus F (cerca de 980 graus) por 5 horas deixou cerca de 2,6% delta e deu tamanho de grão ASTM 9, enquanto 1.850 graus F (cerca de 1.010 graus) por 1 hora deixou cerca de 4,6% delta e deu ASTM 10. Em um estudo de disco separado em escala real, a solução padrão a 954 graus produziu um uniforme Estrutura ASTM 11–12 em material processado em delta.

Tabela 2. Efeito da temperatura da solução e fase delta no tamanho de grão da Liga 718. Fontes: Procedimentos TMS Superalloys (1992, 2001) e literatura de patentes sobre tratamento térmico da Liga 718. Os números ASTM são números de tamanho de grão ASTM E112; mais alto significa mais fino.

A conclusão é uma troca. A fase delta ajuda a manter o tamanho do grão, mas nos limites do grão também pode afetar a ductilidade e o comportamento de corrosão sob tensão, portanto, algumas aplicações a dissolvem deliberadamente. Uma patente publicada sobre resistência à corrosão sob tensão relata que o recozimento acima do delta solvus removeu o delta limite, mas tornou os grãos grosseiros de ASTM 8 a ASTM 3. É por isso que a temperatura da solução é escolhida para a aplicação, e não copiada de uma tabela genérica.

Qual é a diferença entre o tratamento térmico Subsolvus e Supersolvus?

O tratamento da solução Subsolvus é feito abaixo do gama prime solvus, deixa partículas ′ primárias grosseiras que fixam os grãos e dá grãos finos. O tratamento com Supersolvus é feito acima do solvus, dissolve essas partículas e deixa os grãos mais grossos. A primeira favorece a força e o cansaço; o segundo favorece a resistência à fluência e ao crescimento de fissuras.

Esta escolha se aplica principalmente a ligas de disco de metal em pó altamente ligadas e reforçadas com gama prime, como René 88DT, cujo solvus gama prime foi relatado em cerca de 1110–1116 graus (2030–2040 graus F). O trabalho publicado sobre essas ligas observa que os tratamentos subsolvus retêm cerca de 10-20% de partículas primárias grossas que restringem o crescimento dos grãos, enquanto os tratamentos supersolvus perdem essa restrição e permitem que os grãos cresçam.

Tabela 3. Tratamento com solução Subsolvus versus supersolvus para ligas de disco reforçadas com gama-prime. Fontes: procedimentos da TMS Superalloys, estudos de disco da NASA e literatura de patentes da GE.

O processamento Supersolvus foi fundamental para o desenvolvimento do René 88DT, onde se esperava que o tamanho de grão mais grosso desenvolvido pelo tratamento com solução supersolvus beneficiasse a fluência, e o programa visava uma grande redução na taxa de crescimento de trincas por fadiga em comparação com René 95. O tratamento Supersolvus desta classe de liga pode produzir tamanhos de grãos grossos próximos da norma ASTM 6 para maior resistência ao crescimento de trincas por fadiga permanente.

Qual é o tratamento térmico padrão para peças forjadas de Inconel 718?

Recozimento da solução a cerca de 925–1010 graus, seguido por um resfriamento rápido e, em seguida, um envelhecimento em duas etapas: 718 graus por 8 horas, resfriamento do forno a cerca de 620 graus, manutenção até um tempo total de envelhecimento de 18 horas e, em seguida, resfriamento ao ar. Manter o passo da solução abaixo do delta solvus preserva a granulação fina.

Tabela 4. Ciclo típico de solução e envelhecimento da liga 718. Fontes: folhas de dados do fornecedor referenciando a prática AMS 5662/5663. Sempre siga as especificações vigentes e o pedido de compra.

As etapas de envelhecimento não alteram muito o tamanho do grão, porque 718 graus e 620 graus estão bem abaixo das temperaturas da solução. O que fazem é precipitar as fases de fortalecimento (″ e ′). O tamanho do grão é, portanto, fixado pela rota de forjamento e pela etapa de solução; o envelhecimento então define a força.

O que é tratamento térmico de microestrutura dupla e por que ele é usado para discos?

O tratamento térmico de microestrutura dupla dá ao disco um furo de grão fino e de alta resistência e um aro de grão grosso e resistente à fluência, aquecendo as duas regiões a temperaturas diferentes em relação ao solvus. O seu objectivo é eliminar o compromisso de que o tamanho único serve para todos.

Um tratamento térmico uniforme proporciona um tamanho de grão uniforme em todo o disco, seja ele fino ou grosso, o que força um acordo. Em um tratamento duplo, o aro é colocado acima do solvus gama prime para torná-lo mais grosso, enquanto o furo é mantido abaixo do solvus. A pesquisa sobre a liga de disco avançada LSHR examinou opções de subsolvus e supersolvus e várias opções de estrutura dupla, projetadas para fornecer um furo de grão fino e de alta resistência e um aro de grão grosso e resistente à fluência.

O método tem seu próprio desafio: a zona de transição entre regiões finas e grosseiras. Pesquisadores da NASA estudaram modos de falha por fadiga na zona de transição de tamanho de grão de um disco de microestrutura dupla, e patentes de tratamento térmico observam um risco adicional do processo, que uma temperatura interna muito abaixo do solvus pode envelhecer o gama prime e cancelar o benefício. O tratamento com microestrutura dupla requer controle térmico preciso e testes completos.

Que defeitos o mau controle do tamanho dos grãos pode causar?

Os principais defeitos são grãos grossos anormais (crescimento crítico de grãos), estruturas de grãos mistos ou em faixas, grãos crescidos demais devido à temperatura excessiva da solução e tensão residual ou trincas por têmpera, todos os quais podem reduzir a vida em fadiga ou tornar os resultados imprevisíveis.

Tabela 5. Defeitos comuns relacionados ao tamanho do grão em peças forjadas de superligas e como evitá-los.

Como os compradores devem especificar e verificar o tamanho do grão?

Especifique a liga e as especificações aplicáveis, a faixa de tamanho de grão ASTM E112 exigida (e qualquer grão grosso máximo permitido), os locais de teste e a rota de tratamento térmico e, em seguida, exija certificados e metalografia que comprovem isso.

O tamanho do grão é relatado na escala ASTM E112, onde um número maior significa um grão mais fino. A tabela abaixo fornece diâmetros médios aproximados de grãos para os números comumente vistos em peças forjadas de superligas.

Tabela 6. Conversões aproximadas de tamanho de grão ASTM E112.

Tabela 7. Lista de verificação do comprador para peças forjadas de superligas com granulometria crítica.

Perguntas frequentes

A deformação do forjamento cria os grãos, as partículas fixas (fase delta na liga 718, gama primária grosseira em ligas de disco) os retêm, e a temperatura da solução em relação ao solvus decide se essas partículas permanecem ou se dissolvem.

Qual é o delta solvus do Inconel 718?

Cerca de 1010–1020 graus. Os valores publicados variam ligeiramente porque o solvus depende do tempo, da morfologia e do conteúdo local de nióbio; um estudo relata um valor de equilíbrio calculado próximo a 1.033 graus e um valor aparente próximo a 1.020 graus.

O que é tratamento térmico subsolvus versus supersolvus?

Subsolvus é um tratamento de solução abaixo do gama prime solvus e proporciona grãos finos e melhores propriedades de tração e fadiga. Supersolvus está acima do solvus e fornece grãos grossos e melhor resistência à fluência e ao crescimento de trincas.

Por que não tornar cada grão grosso para resistência à fluência?

Os grãos grossos diminuem a resistência à tração e à fadiga de baixo ciclo, o que é importante no furo mais frio e altamente tensionado de um disco. É por isso que existem tratamentos de microestrutura dupla.

Qual é o tratamento térmico padrão para o Inconel 718?

A solução recoze em torno de 925–1010 graus com resfriamento rápido, depois envelhece a 718 graus por 8 horas, resfria o forno a cerca de 620 graus, mantém por 18 horas no total e esfria ao ar.

O que é o crescimento crítico de grãos?

Grãos anormalmente grossos que se formam em regiões de deformação crítica após tratamento térmico supersolvus de ligas de metal em pó, como René 88DT. É um risco conhecido de forjamento e tratamento térmico que os controles de processamento foram projetados para evitar.