1. Incoloy 901 (UNS Nr. 09901) priskiriamas nikelio -geležies superlydiniam. Dėl kokių ypatingų savybių balanso dujų turbininiams varikliams tai yra svarbiausias pasirinkimas svarbiems konstrukciniams komponentams, tokiems kaip diskai, velenai ir žiedai, o ne ašmenys?
„Incoloy 901“ dizainas skirtas svarbiai dujų turbinų inžinerijos nišai: didelio stiprumo konstrukciniai komponentai, veikiantys vidutinėje temperatūroje (1000 laipsnių F - 1200 laipsnio F / 540 laipsnių - 650 laipsnių). Jo vertės pasiūlymas yra unikalus savybių, kurios skiriasi nuo ašmenų lydinių, balansas:
Didelis išeiga ir atsparumas tempimui: naudojant sudėtingą kietėjimo mechanizmą (išsamiau aprašyta toliau), 901 pasiekia išskirtinai aukštą kambario{2}}temperatūrą ir aukštesnę-temperatūros takumo ribą (pvz., ~130 ksi / 900 MPa YS kambario temperatūroje). Tai užtikrina reikiamą diskų ir velenų atsparumą išcentrinėms ir sukimo apkrovoms.
Kontroliuojamas terminis plėtimasis: su dideliu geležies kiekiu (~36 %), jo šiluminio plėtimosi koeficientas yra mažesnis nei gryno nikelio -superlydinių, pvz., Inconel 718. Tai labai svarbu norint išlaikyti siaurus tarpus ir valdyti šiluminį įtempimą besisukančiuose mazguose, ypač kai reikia sujungti su plieniniais komponentais.
Geras pagaminamumas ir suvirinamumas: lyginant su labiau legiruotu, „-sustiprintų geležčių lydiniai, 901 išlaiko pagrįstą kalimą ir gali būti suvirintas taikant tinkamas procedūras,-būtina gaminti dideles, sudėtingas konstrukcines dalis, kurių negalima lieti.
Kaina{0}}Efektyvumas: didelis geležies kiekis sumažina priklausomybę nuo brangesnių strateginių elementų (pvz., kobalto), todėl tai yra ekonomiškesnis pasirinkimas didelės konstrukcinės masės komponentams, palyginti su lydiniais, pvz., Waspaloy ar René 41, ir tuo pat metu jis yra geresnis nei nerūdijantis plienas esant temperatūrai.
The Blade vs. Structure Distinction: Turbine blades require ultimate creep resistance and oxidation resistance at the highest possible temperatures (often >1800 F Konstrukciniai komponentai, tokie kaip diskai, veikia šiek tiek žemesnėje temperatūroje, tačiau patiria didžiulius tempimo ir trūkimo įtempius. Dėl puikios 901 stiprumo-su
2. Specifikacija AMS 5661 reglamentuoja šio lydinio lakštų, juostų ir plokščių formas. Kokius svarbius metalurginio apdorojimo etapus (nuo lydymosi iki apdailos) privalo ar numano šis aviacijos ir kosmoso medžiagų standartas, norint pasiekti reikiamas savybes?
AMS 5661 yra išsami proceso specifikacija. Nurodytų mechaninių savybių pasiekimas yra ne tik chemija, bet ir griežtai kontroliuojamas termomechaninis apdorojimas.
1. Lydymas: standartas paprastai reikalauja dvigubo lydymo-vakuuminio indukcinio lydymo (VIM), po kurio eina vakuuminis lankinis perlydymas (VAR) arba elektro-šlako perlydymas (ESR). Taip užtikrinamas ypatingas cheminis homogeniškumas, mažas dujų kiekis (O₂, H₂, N₂) ir pašalinami kenksmingi nemetaliniai intarpai, kurie yra svarbiausios besisukančių dalių nuovargio įtrūkimų atsiradimo vietos.
2. Kalimas ir valcavimas: luitas kaliamas ir valcuojamas kruopščiai kontroliuojamoje temperatūroje, kad būtų suardyta liejimo struktūra, patobulintas grūdelių dydis ir pasiekta vienoda, kaltinė mikrostruktūra. Plokštėms ir lakštams apdailos valcavimo temperatūra yra labai svarbi.
3. Tirpalo apdorojimas: medžiaga kaitinama iki aukštos temperatūros (~1900 laipsnių F / 1040 laipsnių), kad visos kietėjimo fazės (' [Ni₃(Ti,Al)] ir karbidai) ištirptų į kietą tirpalą, po to greitai atvėsinama (gesinama, paprastai vandenyje arba aliejuje). Tai sukuria persotintą, minkštą būseną, paruoštą senėjimui.
4. Sendinimas terminis apdorojimas (pagrindinis žingsnis): lydinys kaitinamas iki vidutinės temperatūros (~1325 F / 720 laipsnių) ilgą laiką (paprastai 16 valandų pagal AMS 5661). Šis kontroliuojamas nusodinimo procesas nusodina smulkią, vienodą koherentinės gama{6}}pirminės (') fazės, kuri yra pagrindinis stiprinimo mechanizmas, dispersiją. Norint optimizuoti savybes, gali sekti antras, žemesnės{8}}temperatūros amžius.
5. Galutinis apdorojimas ir patikrinimas: lakštas/lėkštė ištiesinama, marinuojama ir išvaloma. AMS 5661 įpareigoja atlikti griežtą patikrinimą, įskaitant:
Ultragarsinis vidinių nutrūkimų patikrinimas.
Mechaniniai partijos mėginių bandymai (tempimo, įtempių{0}plyšimo, šliaužimo).
Mikrošvarumo įvertinimas pagal ASTM E45.
Grūdų dydžio patikrinimas.
Nukrypimas neleidžiamas: ši proceso seka yra „užrakinta“ pagal specifikaciją. Bet koks pakeitimas (pvz., kitoks senėjimo laikas) reikalauja perkvalifikuoti visą medžiagos partiją, nes savybės yra iš esmės susijusios su šia specifine mikrostruktūra.
3. Yra žinoma, kad lydinys 901 yra jautrus įtempių atsipalaidavimo krekingui (SRC), dar vadinamas pakartotiniu įkaitimu. Kokia metalurginė to priežastis ir kaip tai lemia suvirinimo ir po-suvirinimo terminio apdorojimo procedūras?
Streso atsipalaidavimo įtrūkimai yra esminis 901 gamybos iššūkis. Jo pagrindinė priežastis slypi pačiame jo stiprumo mechanizme.
Pagrindinė metalurgijos priežastis:
Stiprus senėjimo{0}}kietėjimo atsakas: lydinys sukurtas taip, kad senėjimo metu sudarytų didelę nuosėdų dalį.
Grūdelių ribų jautrinimas: suvirinant arba veikiant tam tikriems temperatūros intervalams (700 laipsnių F - 1200 laipsniai F / 370 laipsnių - 650 laipsniai), chromo karbidai (M₂₃C₆) greitai nusėda ties grūdelių ribomis. Tai išeikvoja gretimą chromo matricą ir sukuria silpnesnę, mažiau plastišką ir jautresnę oksidacijai zoną.
Įtrūkimų triada: kai suvirintas komponentas, turintis didelį liekamąjį įtempį, yra apdorojamas po-suvirinimo terminio apdorojimo (PWHT) arba pradedamas naudoti aukštoje-temperatūroje, jis bando atpalaiduoti šiuos įtempius vietiniu šliaužimu. Ši atmaina sutelkta susilpnėjusiose, trapiose grūdų ribose. Jei deformacijos greitis viršija ribos plastiškumą, tarpkristaliniai įtrūkimai prasideda ir plinta.
Nurodytos gaminimo procedūros:
Suvirinimas: naudokite atitinkamos sudėties užpildo metalą (pvz., AWS ERNiFeCr-1) ir naudokite metodus, kurie sumažina šilumos patekimą ir liekamąjį įtampą: žema praėjimo temperatūra, siauri suvirinimo rutuliukai, subalansuotas suvirinimas, kad sumažintumėte iškraipymus. Išankstinis šildymas paprastai nerekomenduojamas, nes tai gali pabloginti grūdų ribinių kritulių kiekį HAZ.
Kritinė po{0}}suvirinimo terminio apdorojimo seka: standartinė efektyvi SRC mažinimo procedūra yra dviejų{1}}pakopų PWHT:
Tirpalo atkaitinimas: iš karto po suvirinimo pašildykite agregatą iki visos tirpalo apdorojimo temperatūros (~1900 laipsnių F / 1040 laipsnių). Tai ištirpina kenksmingus grūdelių ribinius karbidus ir sumažina daugumą suvirinimo įtempių. Greitas gesinimas yra būtinas.
Pakartotinis senėjimas: vėliau atlikite visą senėjimo{1} kietėjimo ciklą (~1325 °F 16 val.), kad atkurtumėte projektinį netauriojo metalo ir suvirinimo stiprumą.
Vengimas: kai tik įmanoma, suvirinimo siūlės turėtų būti vengiamos tose srityse, kuriose yra didelis suvaržymas arba didelis{0}}eksploatavimo įtempis.
4. Renkantis tarp 901 lydinio (UNS N09901) plokštes ir konkurento, pvz., Inconel 718, plokštę turbinos viduriniam- rėmui arba korpuso atraminei konstrukcijai, kokius pagrindinius lyginamuosius veiksnius inžinierius turi įvertinti?
Tai klasikinis medžiagų pasirinkimo sprendimas, kai projektuojamas vidutinės temperatūros{0}}temperatūra.
| veiksnys | Incoloy 901 (UNS N09901) | Inconel 718 (UNS N07718) | Inžinerinė reikšmė |
|---|---|---|---|
| Pirminis stiprintuvas | ' (Ni₃(Ti,Al)) - Nuoseklus, stabilus | '' (Ni₃Nb) - Nuoseklus, metastabilus | 718's γ'' transforms to a stable δ phase after long-term exposure >1200 laipsnių F (650 laipsnių), todėl stiprumo praradimas. 901 yra termiškai stabilesnis, kai naudojamas ilgalaikis-1200 laipsnių F+. |
| Šiluminis plėtimasis | Mažesnis (dėl ~36 % Fe) | Didesnis (didesnis Ni kiekis) | 901 užtikrina geresnį matmenų stabilumą ir suderinamumą su plieniniais komponentais, sumažindamas šiluminio neatitikimo įtempius. |
| Gamyba/suvirinamumas | Geras, bet didelis jautrumas SRC. Reikalingas sudėtingas PWHT. | Apskritai geriau. Mažiau linkę į SRC. Atlaidesnis suvirinimas ir PWHT. | Dėl mažesnės įtrūkimų rizikos ir paprastesnio terminio apdorojimo dažnai pirmenybė teikiama 718 sudėtingiems, labai ribotiems suvirintiesiems mazgams. |
| Kaina | Žemesnis (didelis Fe, be Co). | Aukštesnis (didesnis Ni, Nb, strateginiai elementai). | Ne{0}}suvirintiems dideliems kaltiniams gaminiams (diskiams) 901 yra ekonomiškas pranašumas. |
| Atsparumas oksidacijai | Geras, bet prastesnis už aukštesnius{0}}Cr lydinius, pvz., 718. | Geriau dėl didesnio Cr kiekio (~19 %, palyginti su ~12 % 901). | Jei išorinės korpuso dalys yra tiesiogiai veikiamos karštų dujų keliu, pirmenybė gali būti teikiama 718. |
Pasirinkimo sprendimas: rinkitės 901 dideliems, besisukamiems, kaltiniams konstrukciniams komponentams (diskiams, velenams), kur svarbiausia yra ilgalaikis terminis stabilumas, didelis stiprumas ir mažesnis plėtimasis, o suvirinimas yra minimalus. Pasirinkite 718 sudėtingoms statinėms konstrukcijoms, korpusams ir stipriai suvirintiems mazgams, kai gamybos, atsparumas oksidacijai ir paprastesnis po-suvirinimo apdorojimas yra labai svarbūs, o eksploatavimo temperatūra yra žemesnėje tarpinio diapazono dalyje.
5. Kokie yra pirminiai degradacijos mechanizmai, ribojantys 901 lydinio komponentų eksploatavimo laiką dujų turbinose ir kaip jie valdomi taikant patikros ir pakėlimo programas?
Net ir su savo tvirtomis savybėmis, 901 komponentas turi apibrėžtas eksploatavimo ribas, reguliuojamas specifinių žalos mechanizmų.
1. Nuovargis (mažas-ciklas ir didelis-ciklas):
Mechanizmas: cikliniai įtempiai nuo variklio užvedimo{0}}paleidimo/išjungimo (LCF) ir vibracijos (HCF) sukelia įtrūkimus, dažnai mikro-įpjovose (inkliuzuose, apdirbimo žymėse) arba įtempių koncentracijos vietose.
Valdymas: komponentai suprojektuoti iki riboto naudojimo, remiantis griežtu LCF testavimu. Neardomoji apžiūra (NDI), naudojant fluorescencinę skvarbą (FPI) arba sūkurinę srovę (ET) kapitalinio remonto metu, yra privaloma norint aptikti sub-kritinius įtrūkimus. Kritiniai diskai išjungiami po iš anksto nustatyto ciklų skaičiaus, neatsižvelgiant į patikrinimo rezultatus („saugaus- gyvavimo“ metodas).
2. Šliaužimas ir streso plyšimas:
Mechanizmas: esant nuolatiniam dideliam įtempiui esant temperatūrai, įvyksta laiko{0}}priklausoma plastinė deformacija (šliaužimas), galiausiai sukelianti plyšimą. 901 atveju tai tampa gyvenimo-ribojimu viršutinėje veikimo diapazono dalyje.
Valdymas: projektavimas pagrįstas įtempių{0}}plyšimo duomenimis (pvz., 0,2 % šliaužimas per 1000 val.). Variklio darbo valandos yra kruopščiai sekamos. Komponentai gali būti nebenaudojami pagal „eksploatavimo valandas“{7}}. Metalografinė replikacija kapitalinio remonto metu kartais gali būti naudojama grūdų ribos kavitacijai įvertinti, kuri yra ankstyvas valkšnumo pažeidimo požymis.
3. Mikrostruktūros nestabilumas (per-senėjimas):
Mechanizmas: Ilgai veikiant darbinėje temperatūroje, stiprinančios dalelės gali sutirštėti ir sumažinti stiprumą. Dar svarbiau tai, kad jis gali paskatinti nuolatinį grūdų ribų karbidų augimą, dar labiau trapdamas ribas.
Valdymas: tai valdoma konservatyviomis temperatūros ribomis projektavimo etape ir yra pagrindinė terminio stabilumo pranašumo, palyginti su 718, priežastis. Keliamuosiuose modeliuose yra šis degradavimas.
4. Korozija ir oksidacija (aplinkos sukeltas nuovargis):
Mechanizmas: karštų dujų kelio oksidacija, o vietose, kuriose užteršta druska ar siera, karšta korozija gali pažeisti paviršius. Šios duobės veikia kaip stiprūs įtempių koncentratoriai, drastiškai pagreitinantys nuovargio įtrūkimų atsiradimą.
Valdymas: karštų dujų veikiamiems paviršiams naudoti apsaugines dangas (pvz., difuzines aliuminidines dangas). Griežta variklio plovimo cheminių medžiagų ir degalų grynumo kontrolė. Kruopšti vizualinė ir NDI patikra, ar nėra duobių kapitalinio remonto metu.
Integruotas gyvenimas: šiuolaikiniai dujų turbinų operatoriai taiko atsparumo pažeidimams metodą, derindami saugaus{0} išėjimo į pensiją ribas su griežtu, suplanuotu NDI režimu. Stebima kiekvieno komponento istorija (ciklai, valandos, temperatūros), o patikros intervalai koreguojami atsižvelgiant į naudojimo sunkumą ir visą parko patirtį naudojant lydinio gedimo režimus.
