Tratamentul termic al superaliajelor cu bază de nichel

Rezumat

În lucrare sunt prezentate câteva aspect teoretice si practice privind tratamentul termic al unor superaliaje cu baza de nichel, influenta procedeelor de elaborare al semifabricatelor asupra tratamentului termic aplicat ulterior si implicit al structurii metalografice si proprietătilor finale urmărite.

Sunt explicate într-un mod particular efectele modificării parametrilor tehnologici ai operatiilor de tratament termic si al modului de obtinere al acestor aliaje asupra rezistentei mecanice si al fluajului la temperaturi înalte.

1. Introducere

Se poate afirma că în ultimii 40 de ani, prin modificarea compozitiei chimice si ameliorarea tehnologiilor de elaborare, turnare, deformare plastică si tratamente termice, rezistenta la rupere si fluaj a superaliajelor a crescut continuu.

Temperatura la care aceste proprietăti ating valori extrem de ridicate a crescut în medie cu aprox. 10°C/an, atingând, în prezent, temperaturi ce depăsesc 900÷1000°C.

Superaliajul Nimonic 80 (tabelul 1) este unul dintre primele superaliaje utilizate în anii patruzeci, el fiind apoi la originea unor întregi familii de aliaje

cu baza de nichel utilizate pentru turbinele terestre si cele folosite la motoarele cu reactie.

Alegerea calitătii superaliajelor pentru discurile si paletele turbinelor depinde de dimensiunile acestora si conditiile de functionare.

Pentru temperature mai ridicate si dimensiuni mai mari de 1 m, în prezent se utilizează aliajul Waspaloy sau Udimet 720 forjat, înlocuit după 1980 de Udimet 720LI, obtinut fie prin forjare, fie prin metalurgia pulberilor si compactare izostatică.

Componentele turbinelor supuse la eforturi mecanice ridicate, utilizate în aplicatiile militare si diametre de 0,4 ÷ 1 m, sunt executate în prezent din superaliaje obtinute prin metalurgia pulberilor: N18, Udimet 720LI, Astroly (tabelul 1).

2. Tratamentele termice aplicate superaliajelor

Toate aceste superaliaje au ca bază metale, care asigură o matrice austenitică, cel mai adesea nichelul, dar contin si elemente precum Mo, Cr, W, Nb, Al, Ti, Re, Ta, Hf.

Tabelul 1. Compozitiile chimice ale unor superaliaje cu baza de nichel

COMPOZITIA CHIMICA, max., %

Tipul Fe Cr Ni Co Mo W Nb Ti Al Ta

N18 - 11.5 Rest 15.7 6.5 4.7 - 4.3 4.3 Hf0.5

Nimonic 80A <5 20 Rest <2 - - - 2 1.2 -

Astroloy - 15 Rest 17 5 - - 3.5 4 -

Waspaloy <2 19.5 Rest 13.5 4.3 - - 3 1.4 -

Udimet700 <1 15 55 18.5 3.5 1.25 - 3.5 4.25 -

Udimet720LI - 16 57 15 3 1.25 - 5 2.5 -

NR3 - 12.3 Rest 14.7 3.5 - - 5.5 3.8 Hf0.3

În principiu, structura de echilibru a superaliajelor este formată dintr-o matrice austenitică γ si din faze intermetalice ordonate γ’, cum sunt: Ni3(TiAl) sau (Ni3Nb), precum si carburi primare de tip (MC) sau secundare de tip (M6C, M23C6) ale cromului, molibdenului, wolframului sau titanului.

Comună tuturor acestor superaliaje, indiferent de modul de obtinere (forjare izotermă sau compactare izostatică a pulberilor CIP), este succesiunea

operatiilor de călire urmată de îmbătrânire artificială.

Tratamentul termic de punere în solutie presupune dizolvarea la încălzire a fazelor generic numite γ’, respectiv a carburilor, astfel încât acestea să poată fi

redistribuite, într-un mod controlat, prin operatiile ulterioare de îmbătrânire artificială repetate, effectuate la temperaturi diferite.

2.1. Punerea în solutie

Temperatura de punere în solutie aleasă este situată cel mai frecvent deasupra celei care marchează dizolvarea fazelor intermetalice, numită solvus γ’, dar poate fi si sub această temperatură, când dizolvarea fazelor primare γ’ este partială.

Temperaturile de dizolvare a carburilor sunt situate în general la valori mai mari decât ale fazei γ’ (tabelul 2) si sunt dependente de continutul în carbon, în titan, molibden sau niobiu.

Astfel, punerea totală în solutie a fazelor γ’ si a carburilor intervine la temperaturi ce depăsesc 1150-1250°C si câteodată chiar mai mult, atunci când granulatia matricei austenitice creste si când se poate atinge local si nedorit temperatura de topire, compromitând integritatea piesei.

În functie de temperatura la care sunt solicitate ulterior piesele executate din aceste superaliaje si de tipul solicitării ulterioare (rezistenta mecanică si/sau

rezistenta la fluaj), temperatura de încălzire pentru punerea în solutie este aleasă în mod diferit.