ЭВОЛЮЦИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА INCONEL718

MICROSTRUCTURE EVOLUTION OF HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOY INCONEL718

Alexey Pchelnikov

Stupinsky Metallurgical Company,

Russia, Stupino

АННОТАЦИЯ

В процессе создания полуфабрикатов из жаропрочного никелевого сплава INCONEL718 с регламентированным размером микроструктуры необходимо учитывать особенности эволюции микроструктуры данного сплава. Влияние температур и времени нагрева заготовок на протекание процессов рекристаллизации возможно спрогнозировать при моделировании процессов создания полуфабрикатов. В данной статье показано моделирование эволюции микроструктуры с использованием уравнения JMAK, а так же приведены результаты исследования микроструктуры образцов.

ABSTRACT

In the process of creating semi-finished products from heat-resistant nickel alloy INCONEL 718 with a regulated microstructure size necessary to take into account the peculiarities of the microstructure evolution. The effect of temperatures and heating time on the recrystallization process can be predicted by modeling the processes of semi-finished products development. This article shows the simulation of microstructure evolution using the JMAK equation and results of the microstructure study of the samples.

Ключевые слова: моделирование, микроструктура, рекристаллизация, рост зерна, QForm, INCONEL718.

Keywords: simulation, microstructure, recrystallization, grain grows.

При деформировании металлов при высокой температуре, внутри происходят изменения структуры материала. Начинают происходить процессы зарождения и роста новых зерен. Эти изменения зависят от температуры, степени и скорости деформации. При горячей объемной штамповке различные зоны поковки подвергаются различному влиянию этих условий. В результате этого во всем объеме поковки формируется различная структура. Эти различия заметны при исследовании микроструктуры различных зон поковки. При моделировании процессов деформирования в таких программах как Deform, Qform или других программ, основанных на численных методах расчета пластической деформации, возможно спрогнозировать температурное и деформационное состояние материала поковки в различных ее зонах. Одной из задач моделирования при этом может является и расчет размера структуры поковки в различных ее зонах. Эта задача является важной при проектировании технологии деформирования поковок и расчета промежуточных форм заготовки. Одной из актуальных задать является прогнозирование микроструктуры поковок из никелевого сплава INCONEL 718 для дисков газотурбинных двигателей.

Никелевые сплавы широко применяются для изготовления дисков газотурбинных двигателей. Элементы газотурбинного двигателя из сплава INCONEL 718 способны работать при температурах до 650°С и этот жаропрочный сплав является наиболее используемым. Обеспечение требуемого размера зерна является одним из условий получения требуемого уровня свойств кованной или штампованной поковки. Спрогнозировать процесс штамповки без моделирования практически не возможно и повлечет за собой увеличение затрат на изготовление опытных изделий. Моделирование в этом случае позволяет значительно сократить время на проектирование и затраты на освоение изделий с требуемой структурой.

В литературе можно найти разные модели для прогнозирования эволюции микроструктуры металлов. Наиболее распространенной моделью для расчета процессов рекристаллизация является модель Джонсона-Мейла-Аврами-Колмогорова (Johnson-Mahl-Avrami-Kolmogorov, JMAK), которая подробно описана в работах [1, 2] и представлена ниже. Уравнения этой модели описывают влияние всех основных факторов влияющих на формирование структуры: температуры, степени, скорости деформации и др.

Этапы эволюции структуры разделяют на динамическую рекристаллизацию, протекающую в процессе деформации, метадинамическую и статическую рекристаллизации, которые протекают после деформирования и рост зерен.

Кинетика динамической рекристаллизации описывается уравнением экспоненциального типа:

                                                         (1)

                                                             (2)

где: X_drx – объемная доля рекристаллизованного зерна;

e_0.5 – степень деформации при 50%-ой рекристаллизации;

коэффициенты уравнения: k_d=2, a₁₀ = 0.8, a₅=5.043·е ^-9, h₅= 0; n₅=1.42, m₅=0.408, Q₅=196.000, c₅=0.

Размер динамически рекристаллизованного зерна может быть рассчитан по формуле:

                                                                  (3)

где коэффициенты уравнения: a₈=4.85·е¹⁰, h₈=0, n₈=0.4, m₈=0.028, Q₈=240.000, c₈=0.

Метадинамическая рекристаллизация, протекающая после деформации, в JMAK описывается следующими уравнениями:

                                                                   (4)

                                                                    (5)

                                                           (6)

где: X_mrx – объемная доля рекристаллизованного зерна;

t_0.5 – время для протекания 50% рекристаллизации;

d_mrx – размер рекристаллизованного зерна;

коэффициенты уравнения: a₄=5.043·е^-9, h₈=0, n₄=1.42, m₄=0.408, Q₄=196.000, a₇=4.85·е¹⁰, h₇=0, n₇=0.4, m₇=0.028, Q₇=240.000, c₇=0.

Статическая рекристаллизация:

                                                                  (7)

                                                                   (8)

                                                            (9)

где X_srx – объемная доля статически рекристаллизованного зерна;

d_srx – размер рекристаллизованного зерна;

коэффициенты уравнения: a₃=3.16, h₃=0, n₃=0.73, m₃=0, Q3 = 74.790, a₆=678, h₆=0, n₆=0, m₆=0, Q₆=31.694, C₆=0, k_m=1, k_s=0.3.

Модель роста зерна применяется, как правило, для недеформированной части заготовки и той части, где рекристаллизация завершилась. Описывается рост зерна следующим выражением:

                                                              (10)

где коэффициенты уравнения: a₉=1.58·е¹⁶, Q₉=390.753, m=2.

Наглядное представление эволюции микроструктуры можно увидеть на примере проведенного эксперимента с осадкой образца. Для деформации взят цилиндрический образец из никелевого сплава Inconel718. Образец был нагрет до температуры 990°С и осажен со степенью осадки 80%. Скорость деформации при этом составила 0,25с^-1. Температура инструмента 400°С. Далее в центре образца была исследована микроструктура. Микроструктура заготовки до и после деформации показана на рис.1.

Рисунок 1. Микроструктура образца до деформации (а) и после (б)

Из осаженной заготовки были вырезаны образцы и нагреты в электрической печи в течение 15 минут до температур: 930, 960, 990 и 1050°С. Микроструктура образцов показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Микроструктура образцов, нагретых до температур: а - 930ºС, б - 960 ºС, в - 990 ºС, г - 1050 ºС

На снимке структуры образца после осадки, показанной на рис. 1 , видно, что при осадке активно протекала динамическая рекристаллизация, при которой произошло значительное измельчение структуры на границах исходных зерен. Однако, рекристаллизация произошла не полностью.

При изучении микроструктуры образцов после нагрева (рис.2) видно, что в образцах, нагретых до температуры 930°С, статическая рекристаллизация в процессе нагрева прошла не полностью и остались отдельные нерекристаллизованные зерна размером около 140мкм. При нагреве образца до температуры 960°С статическая рекристаллизация прошла полностью и образец имеет однородную мелкую структуру с размером зерна 11 мкм.  На образце нагретом до температуры 990°С видно, что рекристаллизация завершилась полностью и также видны области где начался рост зерна. В образце нагретом до температуры 1050°С произошло значительное укрупнение структуры. Размер зерна в этом случае соизмерим с размером исходной структуры.

Для прогнозирования размера зерна моделированием по модели JMAK в программе QForm была создана пользовательская подпрограмма. Результаты моделирования расчёта среднего размера зерен в сечении заготовки приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Прогнозируемый размер зерен в мкм после осадки со степенью деформации 80% и нагрева до температур: 930 ºС, 960 ºС и 990 ºС соответственно

Прогнозируемый при моделировании размер динамически рекристаллизованного зерна составляет порядка 5мкм, а объемная доля динамически рекристаллизованного зерна 0.6, что достаточно близко к результатам, описанным выше. При увеличении температуры последующего нагрева средний размер зерна увеличивается. При этом увеличение температуры на 30 градусов значительно влияет на размер зерна, как было видно на микроструктуре образцов, показанных выше. Результат прогнозируемого среднего размера зерна при нагреве после деформации показан на рисунке 4. На графике показан средний размер зерен в случае выдержки при различных температурах.

Рисунок 4. Средний размер зерна при выдержке с постоянной температурой

Однако если рассмотреть протекание изменения размера зерна при выдержке образца при одной температуре, например, при температуре 930 градусов, то видно, что для полного завершения процесса рекристаллизации достаточно времени порядка 10мин. На рисунке 5 показана суммарная объемная доля динамически и статически рекристаллизованного зерна на этапе выдержки при постоянной температуре 930ºС после деформации.

Рисунок 5. Средний размер зерен и объемная доля рекристаллизованных зерен

Зависимость объемной доли рекристаллизованного зерна от степени деформации при скорости 0,25с^-1 приведена на рисунке 6. Из графика на рисунке 6 видно, что рекристаллизация проходит не полностью и степень деформации больше чем 1.2-1.3 не приводит к значительному увеличению объемной доли рекристаллизованных зерен. Это необходимо учитывать при проектировании технологических процессов изготовления поковок, т.к. избыточная деформация заготовки может привести лишь к избыточной работе затраченной на деформирование и увеличению потребных усилий.

Рисунок 6. Зависимость объемной доли динамически рекристаллизованных зерен от степени деформации

Таким образом, рекристаллизация при деформации может проходить не полностью, а завершаться только при последующем нагреве или охлаждении крупных изделий при условии сохранения температуры достаточной для процессов преобразования микроструктуры. Деформация INCONEL718 при низких температурах 930 ºС и ниже, характерных для поверхностных слоев заготовки при ковке и штамповке, может привести к образованию неоднородной структуры. Низкая температура 930 ºС и ниже характерна для поверхностных слоев заготовки при ковке и штамповке. Результаты этой работы близки к исследованиям INCONEL718 опубликованным в работах [3, 4].Такие расчеты позволяют более детально понять процессы эволюции микроструктуры никелевого сплава. Моделирование процессов эволюции микроструктуры при разработке технологии позволяют учесть особенности формирования структуры сплавов. По результатам подобных экспериментов и проводимых расчетов возможно выбрать оптимальные режимы деформирования заготовок, время выдержки при нагреве или подогреве достаточной для протекания процессов рекристаллизации для формирования однородной структуры, что необходимо при предъявлении высоких требований к деталям.

Данные эксперименты показали, что сформировать мелкую структуру возможно за счет деформации и низкотемпературных отжигов. Расчеты позволяют найти оптимальное решение для построения технологии штамповки. Примером расчета и прогнозирования эволюции структуры может быть штамповка диска из сплава INCONEL718, проводимая на гидравлическом прессе. В данном случае было определено с помощью моделирования, что для получения требуемой мелкой структуры температура при деформации, может быть более 960°С при степени деформации более 0,7, что достаточно для полной рекристаллизации. Штамповка осуществлялась за один рабочий ход пресса. После штамповки заготовка подвергалась закалке при температуре 960°С в течение часа.

Рисунок 7. Средний размер зерна поковки

Как видно из рисунка 7 зона ступицы имеет более мелкую структуру, чем в зоне ступицы диска. Это объясняется различной степенью деформации. В ободе степень накопленной деформации гораздо выше при одной и той же температуре в начале деформации. Так же в зонах затрудненной деформации вверху и внизу ступицы осталась более крупная структура. При данных режимах деформирования во всем объеме поковки получен размер зерна 14-50 мкм, что можно считать достаточно мелкой структурой, достаточной для обеспечения всего комплекса механических свойств.

Таким образом, с помощью моделирования стало возможным подобрать температурные и деформационные параметры для получения изделия. Результаты моделирования и прогнозирования эволюции микроструктуры показали хорошую сходимость с производством и доказали свою пригодность при проектировании процессов деформации.

Список литературы:

1. Ву Хай Ха Компьютерное моделирование эволюции микроструктуры в процессе обратного выдавливания // Известия ТулГУ. 2012 №7. С. 85-92.
2. J.P. Thomas, F. Montheillet, and S.L. Semiatin, Modeling of Microstructure Evolution During the Thermo-Mechanical Processing of Nickel-Base Superalloys, ASM Handbook, 2009, 22A, P. 566–582
3. A. Bunsch, J. Kowalska, M. Witkowska influence of die forging parameters on the microstructure and phase composition of inconel 718. Alloy. Archives of metallurgy and ma trials, 2012, P. 929-935
4. N. A. Wilkinson forging of 718 - the importance of T.M.P. The Minerals, Metals & Materials Society, 1989, P. 119-133