الكشف عن سر تزوير السبائك الفائقة: إنشاء مادة خارقة للصناعة
تعد السبائك الفائقة، والمعروفة أيضًا باسم السبائك المقاومة للحرارة أو السبائك الفائقة، مادة معدنية أساسية لمحركات الطيران الحديثة ومحركات الصواريخ وتوربينات الغاز والمعدات الكيميائية. يمكن أن يتحمل الضغط المعقد تحت ظروف الأكسدة وتآكل الغاز من 600 إلى 1100 درجة، ويمكن أن يعمل بشكل موثوق لفترة طويلة.
في الوقت الحاضر، من بين السبائك الفائقة للتشوه، الأكثر استخدامًا على نطاق واسع هي السبائك الفائقة القائمة على الحديد والسبائك الفائقة القائمة على النيكل. تُستخدم السبائك ذات الأساس الحديدي بشكل أكبر كأقراص توربينية، وأقراص ضاغطة، وغرف وشفرات احتراق حلقية، وخصائص تركيبها هي الحديد بشكل أساسي، حيث تحتوي على كمية كبيرة من النيكل والكروم وعناصر أخرى. وفقًا لخصائص التقوية، يمكن تقسيمها إلى نوع تصلب العمر الضعيف، ونوع تصلب المحلول الصلب، ونوع تصلب العمر بالكربيد، ونوع تصلب العمر المركب بين المعادن.
تُستخدم السبائك القائمة على النيكل بشكل أكبر في صناعة شفرات التوربينات وغرف الاحتراق وأقراص التوربينات وأقراص الضاغط وشفرات الضاغط، والتي يتميز تركيبها بقاعدة النيكل، التي تحتوي على ω (Cr) بنسبة 10% إلى 20%، مكونة أساسًا من النيكل. مصفوفة الأوستينيت. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي بعض السبائك أيضًا على 10% إلى 20% من ω (Co)، مما يشكل مصفوفة أوستنيت من النيكل والكروم والكوبالت. وفقًا لنوع التقوية، يمكن تقسيمها إلى نوع تقوية المحلول الصلب ونوع تقوية الشيخوخة.
تعتمد خصائص السبائك الفائقة بشكل أساسي على التركيب والبنية المجهرية للسبائك. يعد نوع الطور المترسب وبنيته وشكله وحجمه وكميته وتوزيعه ذا أهمية خاصة في البنية المجهرية. الرواسب الشائعة في سبائك الحديد والنيكل هي مركبات بين المعادن، كربيدات وبوريدس. يمكن تنظيم كل هذه المركبات والتحكم فيها عن طريق المعالجة الحرارية، ويمكن أيضًا تغيير شكلها وتوزيعها عن طريق التشوه.
تتكون المعالجة الحرارية للسبائك الفائقة المشوهة عمومًا من معالجة المحاليل الصلبة، والمعالجة الوسيطة (المعروفة أيضًا باسم معالجة المحاليل الصلبة الثانوية) ومعالجة الشيخوخة. الغرض من معالجة المحلول هو الحصول على محلول صلب مفرط التشبع وموحد والتحكم في حجم الحبوب المناسب. الغرض من المعالجة الحرارية المتوسطة هو تغيير حالة الكربيد والحصول على مرحلتين مختلفتين بأحجام مختلفة. الغرض من معالجة الشيخوخة هو جعل الطور المعزز يترسب بشكل كامل ومتساوي، لتحقيق تأثير تصلب الهطول، واختيار درجة الحرارة والوقت والتردد، للحصول على عدد الطور المعزز والشكل والتوزيع المناسب كمعيار. جوهر عملية التشوه الساخنة للسبائك الفائقة المشوهة هو عملية اللدونة والتشوه الحرج للبلورات الخشنة.
1. خصائص تشوه السبائك الفائقة
1) اللدونة المنخفضة، السبائك الفائقة بسبب الدرجة العالية من صناعة السبائك، لها بنية غير متجانسة وتكوين طور معقد، وبالتالي، فإن اللدونة العملية منخفضة. خاصة في درجات الحرارة المرتفعة، عندما يتم احتواء عناصر الشوائب مثل S، Pb، Sn، غالبًا ما تضعف قوة الارتباط بين الحبوب وتنخفض اللدونة. تستخدم السبائك الفائقة عمومًا المحتوى الإجمالي لعناصر تقوية الألومنيوم والتيتانيوم لتحديد مستوى اللدونة، عندما يكون المحتوى الإجمالي أكبر من أو يساوي 6٪، ستكون اللدونة منخفضة جدًا. إن ليونة عملية السبائك الفائقة القائمة على النيكل أقل من تلك الخاصة بالسبائك الفائقة القائمة على الحديد. إن عملية اللدونة للسبائك الفائقة حساسة للغاية لمعدل التشوه وحالة الإجهاد. بعض سبائك السبائك والقضبان الوسيطة تحتاج إلى أن يتم تشكيلها عن طريق التشوه والخلط والتدحرج وحتى البثق بسرعة منخفضة.
2) مقاومة التشوه الكبيرة، بسبب التركيب المعقد للسبائك الفائقة، درجة حرارة إعادة التبلور العالية، السرعة البطيئة، لديها مقاومة تشوه عالية وميل للتصلب عند درجة حرارة التشوه، مقاومة التشوه بشكل عام 4 إلى 7 مرات من الفولاذ الهيكلي العادي.
3) نطاق درجة حرارة الحدادة ضيق، ونقطة انصهار السبائك الفائقة منخفضة مقارنة بالفولاذ، ودرجة حرارة التسخين مرتفعة جدًا بحيث لا تسبب ارتفاع درجة الحرارة والحرق الزائد. إذا كانت درجة حرارة إيقاف الحدادة منخفضة جدًا، تكون اللدونة منخفضة، ومقاومة التشوه كبيرة، ومن السهل أن يؤدي التشوه المختلط البارد والساخن إلى إنتاج بلورات خشنة غير متساوية. لذلك، فإن نطاق درجة حرارة تزوير السبائك الفائقة ضيق جدًا، بشكل عام حوالي 200 درجة مئوية فقط. نطاق درجة حرارة تزوير السبائك المقاومة للحرارة القائمة على النيكل أضيق، معظمها من 100 إلى 150 درجة مئوية، وبعضها أقل من 100 درجة مئوية.
4) الموصلية الحرارية سيئة، والتوصيل الحراري للسبائك الفائقة عند درجة حرارة منخفضة أقل بكثير من الفولاذ الكربوني، لذلك من الضروري عمومًا إبطاء التسخين المسبق في حدود 700 ~ 800 درجة مئوية، وإلا فإنه سوف يسبب درجة حرارة كبيرة الإجهاد، بحيث يكون معدن التسخين في حالة هشة.
2. معالجة اللدونة للسبائك الفائقة
1) بسبب إضافة عدد كبير من عناصر صناعة السبائك، تم تحسين المقاومة الحرارية للسبائك الفائقة، ولكن تم تقليل مرونة العملية بشكل كبير. تؤدي صناعة السبائك العالية إلى فصل شديد وبلورات عمودية خشنة. عند الحلقة الضعيفة لحدود التغصنات الأولية للحبوب، من السهل أن تحدث شقوق على طول حدود الحبوب. بسبب فصل التشعبات، يكون محتوى عناصر السبائك في الجزء المتبلور الأول منخفضًا، ومحتوى عناصر السبائك في جزء حافة التشعبات مرتفع، لذلك تتركز الكربيدات والمركبات بين الفلزات في جزء حافة التشعبات، مما يقلل من قابلية التحمل من السبائك.
2) إن السبائك العالية تجعل مرونة شريط السبائك الفائقة أقل بكثير من تلك الموجودة في سبائك الفولاذ العادية. نظرًا لإثراء عدد كبير من عناصر صناعة السبائك في منطقة حدود الحبوب، تكون قوة حدود الحبوب أقل من القوة داخل الحبوب عند درجة حرارة عالية، والعديد من جزيئات الطور المعززة لا تذوب جميعها في المحلول الصلب ضمن درجة حرارة التشوه النطاق، مثل الكربيد والبوريد، وما إلى ذلك، بحيث بالإضافة إلى ذلك، هناك أيضًا مراحل معززة تشارك في التشوه، أي أن التشوه لا يتم تنفيذه في حالة أحادية الطور. ولذلك، فإن اللدونة العملية لقضبان درفلة السبائك الفائقة منخفضة نسبيًا أيضًا. ولذلك، في صياغة إجراءات عملية تزوير السبائك الفائقة، يجب قياس اللدونة العملية للسبائك أولاً.
3. تحديد درجة حرارة التشوه للسبائك الفائقة
1) مبدأ تحديد درجة حرارة تشوه السبائك الفائقة، نظرًا لتعقيد درجة صناعة السبائك للسبائك الفائقة، تنخفض درجة حرارة الانصهار الأولية للسبائك، وتزداد درجة حرارة انحلال إعادة البلورة ومرحلة التعزيز، مما يؤدي إلى تضييق درجة حرارة التشوه وأضيق. لذلك، عند تحديد درجة حرارة التشوه، بالإضافة إلى ضمان مرونة العملية وتلبية التشكيل، يجب أيضًا أن تلبي الحاجة إلى الحصول على تنظيم وخصائص جيدة. من أجل الحفاظ على شبكة التفكك الخلوي في البنية المجهرية للمطروقات من السبائك الفائقة والحصول على حبيبات دقيقة وموحدة وخصائص جيدة، يجب أن تكون درجة حرارة تشوه الحدادة أقل من درجة حرارة نمو الحبوب، ويجب أن تكون درجة حرارة الحدادة النهائية قريبة من (أعلى قليلاً) درجة حرارة ذوبان جسيم الطور الثاني في المحلول الصلب ودرجة حرارة إعادة التبلور.
الكشف عن سر تزوير السبائك الفائقة: إنشاء مادة خارقة للصناعة
2) مواصفات التسخين للسبائك الفائقة، ينقسم تسخين السبائك الفائقة إلى مرحلتين للتسخين المسبق والتسخين. من أجل تقليل وقت الاحتفاظ بالسبائك الفائقة عند درجة حرارة تسخين الحدادة، تجنب الإفراط في خشونة الحبوب واستنفاد عناصر صناعة السبائك؛ في الوقت نفسه، من أجل تقليل الضغط الحراري الناجم عن ضعف التوصيل الحراري ومعامل التمدد الحراري العالي للسبائك الفائقة، يجب تسخين الفراغ قبل الحدادة. درجة حرارة التسخين المسبق هي 750 ~ 800 درجة، ويتم حساب وقت الاحتفاظ كـ 0.6 ~ 0.8min/mm. درجة حرارة التسخين بشكل عام هي 1100 ~ 1180 درجة مئوية، ووقت الاحتفاظ هو 0.4 ~ 0.8 دقيقة/مم. يمكن لمعدات التسخين استخدام فرن المقاومة، المجهز بمقياس حرارة وجهاز التحكم التلقائي في درجة الحرارة من أجل التحكم الدقيق. عند اختيار فرن اللهب، يجب التحكم بشكل صارم في محتوى الكبريت في الوقود: يجب أن يكون محتوى الكبريت في الديزل أو الزيت الثقيل أقل من 0.5%؛ يجب أن يكون محتوى الكبريت في الغاز أقل من 0.7 جم/م3. سوف يشكل محتوى الكبريت الزائد في الوقود Ni-Ni3S3 سهل الانصهار مع نقطة انصهار منخفضة (≈650 درجة) عندما يخترق سطح البليت، مما يجعل السبائك الساخنة هشة. من الضروري اتخاذ تدابير تسخين أقل وبدون أكسدة لتجنب استنفاد الكروم والألمنيوم والتيتانيوم والعناصر الأخرى على سطح الفراغ، وتقليل قوة الكلال وقوة تحمل درجة الحرارة العالية للسبائك. يمكن استخدام التسخين بالحث المحلي في التشكيل المسبق للفراغات. قبل التسخين، يجب تنظيف الفراغ لإزالة الأوساخ وتجنب عيوب السطح بسبب التآكل. عند الحدادة بحرائق متعددة، يجب تقليل درجة حرارة تسخين الحدادة مع تمديد الفاصل الزمني بين النارين لتجنب نمو الحبوب التي حدثت إعادة بلورة ثابتة، وفي الوقت نفسه، يجب أيضًا أن تكون درجة حرارة إعادة التسخين أقل مع الاقتراب إلى منتج الحدادة النهائي، كلما كان التشوه أصغر.
4. تحديد درجة تشوه السبائك الفائقة
1) مبدأ تحديد درجة تشوه السبائك الفائقة
نظرًا للدرجة العالية من السبائك، فإن نطاق درجة حرارة التشوه للسبائك الفائقة ضيق، ولا يوجد هامش تعديل كبير. بالإضافة إلى ذلك، لا تحتوي السبائك الفائقة على انتقال أيزومري، ويتم التحكم في حجم حبيبات السبائك بشكل أساسي عن طريق تشوه الحدادة. لذلك، بعد تحديد درجة حرارة التشوه، فإن اختيار درجة التشوه مهم جدًا. عند درجة حرارة تزوير معينة، يجب أن يكون تشوه كل أمر تسخين أكبر من درجة التشوه الحرجة وأصغر من درجة التشوه المقابلة لمنطقة نمو الحبوب الثانية. في إطار فرضية تلبية متطلبات مرونة العملية وترتيب العملية (التزوير المسبق)، يجب أن يكون كل تشوه عميقًا وموحدًا، ويحاول تجنب التشوه غير المتساوي، وإلا فإنه سينتج بلورات خشنة ذات نطاقات وبلورات خشنة محلية. تتمتع البلورات الخشنة للسبائك الفائقة بعناد وراثي معين، ومن الصعب تغيير البلورات الخشنة الناتجة عن تشوه واحد غير منتظم عندما لا تكون درجة التشوه كبيرة بدرجة كافية في التشوه الفوري. من أجل الحصول على بنية مجهرية وخصائص مرضية، يجب استخدام درجة حرارة تسخين منخفضة ودرجة تشوه أكبر ومرحلة هطول الأمطار للتحكم في البنية المجهرية وتحسين حجم الحبوب وحالة حدود الحبوب أثناء التشوه النهائي للتزوير.
بالإضافة إلى حجم الحبوب، تعد حالة حدود الحبوب أيضًا عاملاً مهمًا في البنية المجهرية. من وجهة نظر تعزيز وتشديد حدود الحبوب، فإن مراقبة تنظيم حدود الحبوب لها القوانين التالية:
(1) من السهل أن يؤدي عدم وجود مرحلة هطول الأمطار عند حدود الحبوب إلى حدوث قناة صدع.
(2) يتم توزيع الطور الخشن والكربيد بشكل موحد على حدود الحبوب، مما سيعزز ويقوي حدود حبيبات السبائك.
(3) هناك أجزاء تخفيف الإجهاد في المنطقة المستنفدة لحدود الحبوب، والتي يمكن أن تقلل من مقاومة القص وتوسع منطقة تركيز الإجهاد. لذلك، عندما تكون قوة حدود الحبوب عالية جدًا، تلعب المنطقة المستنفدة دورًا مفيدًا.
(4) تشكيل مراحل كربيد الأغشية الرقيقة المستمرة على حدود الحبوب يجعل درجة السبائك حساسة.
(5) إن تكوين الكربيدات الخلوية على حدود الحبوب له تأثير سلبي على قوة وتشديد حدود حبيبات السبائك.
لذلك، بالإضافة إلى نظام المعالجة الحرارية المعقول، في عملية الحدادة، من خلال التوزيع المعقول للتشوه، خاصة لزيادة درجة التشوه النهائي للنار الأخير، لتحسين حالة حدود الحبوب، ومطابقة قوة حدود الحبوب والحبوب للحصول على خصائص تنظيمية جيدة، هو بلا شك أمر مهم للغاية.
2)تكون السبائك الفائقة المشوهة عمومًا أكثر حساسية للتشوه الحرج، وتختلف درجة التشوه الحرجة عادة ضمن نطاق واسع ({{0}}.5% ~ 20%)، وتختلف القيمة المحددة باختلاف السبيكة، ودرجة التشوه الحرجة للسبائك تختلف نفس السبيكة عند درجات حرارة تسخين مختلفة. على سبيل المثال، إجمالي درجة التشوه الحرجة لسبيكة GH4049 هي 0.1% ~ 7%. إجمالي درجة التشوه الحرجة لسبائك GH4220 هي 0.6%-4.7% عند 1150 درجة و0.1%-3% عند 1180 درجة، ولكن درجة التشوه الحرجة عند درجات حرارة تزوير مختلفة، ودرجة التشوه عند الحد الأقصى للحبوب والحد الأقصى لقطر التشوه الحرج ليسا متماثلين. يبلغ قطر البلورة الخشنة ذات التشوه الحرج أكبر بعدة مرات من قطر الحبيبات العادية، حيث يبلغ أكبرها 10 مم وأصغرها 1 مم.
5. تأثير معلمات عملية الحدادة على البنية المجهرية وخصائص السبائك الفائقة
يؤثر الاختيار الصحيح للتزوير ومعلمات عملية المعالجة الحرارية اللاحقة بشكل مباشر على الخواص الميكانيكية للمطروقات. تم إدراج نتائج اختبار السبائك المختلفة أدناه كمرجع عند اختيار معلمات معالجة التسخين.
1) تأثير درجة حرارة التسخين على البنية المجهرية وخصائص سبيكة GH2036
درجة حرارة التسخين المسموح بها لقرص التوربين السبائك GH2036 قبل تزوير القالب هي 1190 درجة. إذا تم تسخين السبيكة عند 1220 درجة لمدة ساعتين، فإن عينات الشد والصدم تتغير من الكسر الحبيبي إلى الكسر الحبيبي، أي أن السبيكة تسخن أكثر من اللازم. إذا تم تسخين السبيكة لمدة ساعتين عند 1250 درجة و1280 درجة، فإن حدود الحبوب للسبيكة تنتج انصهارًا أوليًا محليًا، أي أن السبيكة تحترق بشكل زائد. يحدث الكسر بين الحبيبات في كل من عينات الشد والصدمات، وتقل الخصائص العامة للسبيكة. تأثير التسخين بدرجة الحرارة العالية على خصائص سبيكة GH2036، يتدهور التأثير والشد والمتانة للسبائك مع زيادة درجة حرارة التسخين.
2) تأثير درجة حرارة التشوه النهائية على خصائص سبيكة GH4169
عندما تكون درجة التشوه النهائية 25%، يمكن التخلص من حساسية الشق عن طريق التحكم في درجة حرارة التشوه النهائية عند 900 ~ 955 درجة، وزيادة درجة حرارة التشوه النهائية ستجعل حبيبات السبيكة غير متساوية وتقلل من اللدونة، مما يؤدي إلى في حساسية الشق. 3) تأثير حجم الحبوب على الأداء
3) تأثير حجم الحبوب على الخصائص
يمكن للحبوب الخشنة أن تزيد من القوة الدائمة وقوة الزحف، في حين أن الحبوب الدقيقة يمكن أن تزيد من قوة الخضوع وقوة الكلال. حجم الحبوب الموحد مفيد لخصائص السبيكة. عمر الكسر للبلورات الخشنة أقصر من عمر البلورات الناعمة. يوضح التأثير الشامل لحجم الحبوب على خصائص سبيكة GH4169 أن قوة الخضوع وقوة الكلال لسبائك GH4169 قد تحسنت بشكل واضح عن طريق صقل الحبوب، ولكن قوة الكلال عند درجات حرارة أعلى من 600 درجة تنخفض. يعتمد التأثير على القوة الدائمة للسبيكة على شكل الكسر (كسر عبر الحبيبات أو بين الحبيبات)، أي أن درجة حرارة السبيكة مرتبطة.
4) تأثير معلمات العملية الحرارية على إعادة البلورة الديناميكية
عندما تكون درجة التشوه أكبر من 30%، عندما يتم تشكيل سبيكة GH4169 على المطرقة أو المكبس الهيدروليكي، تكون درجة حرارة بدء إعادة البلورة الديناميكية تقريبًا بين 930 ~ 960 درجة، وعندما تكون متساوية الحرارة، تكون تقريبًا 930 ~ 940 درجة.
يتم تسهيل إعادة البلورة الديناميكية لسبائك GH4169 عن طريق زيادة درجة حرارة الحدادة، وزيادة درجة التشوه، واعتماد معدل إجهاد أعلى أو أقل وتطبيق تشوه متعدد.
