Inconel.pdf

(605 KB) Pobierz
Obróbka Plastyczna Metali t. XXI nr 3 (2010)
InŜynieria materiałowa w obróbce plastycznej
Dr hab. inŜ. Zbigniew PAKIEŁA
Politechnika Warszawska, Wydział InŜynierii Materiałowej, Warszawa
Mikrostruktura i właściwości mechaniczne
nadstopu Inconel 625
Microstructure and mechanical properties
of Inconel 625 superalloy
Streszczenie
W referacie przedstawiono wyniki badań mikrostruktury i właściwości blach z superstopu Inconel 625. Przepro-
wadzono ilościowe pomiary parametrów mikrostruktury i rozkładu wielkości ziarna za pomocą mikroskopii
świetlnej
i skaningowej mikroskopii elektronowej. Struktury dyslokacyjne badano za pomocą TEM. Badano bla-
chy walcowane na zimno a następnie wyŜarzane w róŜnych temperaturach, celem zbadania przebiegu rekrystaliza-
cji statycznej. Przeprowadzono równieŜ próby rozciągania w temperaturze pokojowej i w temperaturach podwyŜ-
szonych.
Abstract
Mechanical properties and microstructure of Inconel 625 superalloy metal plates were tested. Light and electron
scanning microscopy were used for quantitative description of microstructure and grain size distribution measu-
rement. Dislocations structure was observed by TEM. Cold rolling followed by annealing at different temperatures
was performed for static recrystallization investigation. Tensile tests at room and elevated temperatures were also
performed.
Słowa kluczowe:
nadstop Inconel 625, mikrostruktura, właściwości mechaniczne
Key words:
Inconel 625 superalloy, microstructure, mechanical properties
1. WPROWADZENIE
Stop Inconel 625, naleŜący do grupy mate-
riałów nazywanych superstopami, znajduje
liczne zastosowania w przemyśle lotniczym ze
względu na jego bardzo dobrą odporność koro-
zyjną i dobre właściwości wytrzymałościowe
w wysokiej temperaturze.
Blachy wykonane z tego stopu mogą być
kształtowane metodami obróbki plastycznej. Ze
względu na duŜą zdolność do umocnienia od-
kształceniowego obróbka plastyczna takich
blach nie jest jednak zadaniem łatwym. Dodat-
kowo utrudnia ją fakt,
Ŝe
często producenci
dostarczają ten materiał w stanie umocnionym.
Według lotniczej normy materiałowej SAE
AMS 5599F, cienkie blachy z tego stopu po-
winny charakteryzować się minimalną granicą
plastyczności 415 MPa i wytrzymałością na
rozciąganie 830 MPa oraz wydłuŜeniem do
zerwania min. 30% [1].
1. INTRODUCTION
The Inconel 625 alloy, belonging
to the materials group of superalloys, finds
numerous applications in the aircraft industry
due to its excellent corrosion resistance
and good strength in high temperatures.
Plates made from this alloy can be formed
during the course of plastic working. However,
due to high ability to strain hardening,
the plastic working of such plates is not
an easy task. It is also rendered difficult
by the fact, that manufacturers often supply this
material in a strengthened state.
According to aircraft material norm SAE
AMS 5599F, thin plates made from this alloy
should have a yield point of a minimum
of 415 MPa and a tensile strength of 830 MPa,
as well as an ultimate elongation at a minimum
of 30% [1].
144
Z. Pakieła
Badania przeprowadzone na materiałach
otrzymanych od wytwórców wykazują,
Ŝe
gra-
nica plastyczności materiału w stanie dostawy
przekracza 500 MPa. Powoduje to,
Ŝe
w przy-
padku formowania na zimno takich blach nie
udaje się uzyskać wystarczająco duŜych od-
kształceń, niezbędnych do wytworzenia ele-
mentów o skomplikowanych kształtach.
Z doniesień literaturowych wiadomo,
Ŝe
odpowiednio przeprowadzona obróbka zmięk-
czająca stopu Inconel 625 moŜe pozwolić na
obniŜenie granicy plastyczności poniŜej 400
MPa i uzyskanie wydłuŜenia do zerwania
w temperaturze pokojowej 70% [2]. Ze wzro-
stem temperatury odkształcenia wydłuŜenie to
moŜe wzrastać nawet do 110%, co jest związa-
ne ze zjawiskiem zdrowienia dynamicznego
materiału. Temperatura obróbki plastycznej nie
moŜe być jednak dowolnie zmieniana, gdyŜ
powyŜej pewnej temperatury zaczyna inten-
sywnie zachodzić starzenie przesyconego sto-
pu, prowadzące do silnego spadku plastyczno-
ści
i wzrostu wytrzymałości przesyconego sto-
pu [3, 4].
Istotnym zagadnieniem przy planowaniu
procesu obróbki plastycznej jest odpowiednie
dobranie temperatury, do jakiej moŜna pod-
grzewać stop w czasie procesu, aby nie ulegał
on starzeniu. Starzenie tego stopu zachodzi z
mierzalną prędkością juŜ przy temperaturze
550
o
C [5], podczas gdy zdrowienie zaczyna
dawać istotny efekt równieŜ dopiero w tej tem-
peraturze [2]. Dlatego istotne jest wyznaczenie
parametrów obróbki w podwyŜszonej tempera-
turze tak, aby nie dopuścić do starzenia mate-
riału w czasie procesu i uzyskać małe napręŜe-
nia formowania plastycznego.
Badania przeprowadzono w ramach pro-
jektu rozwojowego nr R1502703 pt. „Techno-
logia kształtowania plastycznego części silni-
ków lotniczych z nadstopów niklu z zastoso-
waniem procesów zgniatania obrotowego”,
realizowanego przez Instytut Obróbki Pla-
stycznej w Poznaniu w latach 2007-2010 [6].
Tests carried out on materials obtained
from manufacturers show, that the yield point
of the supplied material exceeds 500 MPa. Due
to this, in the case of cold working of such
plates, insufficient strain for forming elements
with complicated shapes is obtained. Litera-
ture has made it known, that annealing pro-
cesses of the Inconel 625 alloy carried out
appropriately can make it possible to lower
the yield point to less than 400 MPa and
achieve an ultimate elongation of 70% in room
temperature [2]. As strain temperature
increases, elongation can increase to up to
110%, which is related to the phenomenon
of dynamic recovery of the material. The tem-
perature of plastic working cannot be changed
at will, because intensive ageing of the super-
saturated alloy occurs above a certain tem-
perature, leading to a sharp decrease in plas-
ticity and an increase in the strength
of the supersaturated alloy [3, 4].
The appropriate selection of the maximum
temperature so as to prevent material ageing
during working, is of great significance when
planning plastic working. The ageing of this
alloy occurs with measurable speed at a tem-
perature of only 550
o
C [5], while recovery
also starts to produce a significant effect at this
temperature [2]. This is why it is important
to determine the parameters of plastic working
in increased temperatures in such a way, so as
to not allow the material to age during working
and obtain small plastic forming stress. Tests
were carried out in the framework of develop-
ment project no. R1502703 titled “Plastic
forming technology for aircraft engine parts
made from nickel superalloys using roll form-
ing processes,” realized by the Metal Forming
Institute in Poznan during years 2007-2010
[6].
Mikrostruktura i właściwości mechaniczne nadstopu Inconel 625
145
2. PROCEDURA EKSPERYMENTALNA
I WYNIKI BADAŃ
2.1. Materiał do badań
Do badań otrzymano blachy nadstopu
Inconel 625 o trzech róŜnych grubościach: 1,0,
2,3 i 3,1 mm. Blachy te oznaczono w dalszej
części artykułu symbolami 1, 2 i 3. Materiał
blach poddano badaniom w stanie dostawy, jak
równieŜ w stanie po dodatkowym walcowaniu
na zimno, na walcarce elektrycznej z motore-
duktorem. Walcowanie odbywało się z prędko-
ścią
5,2 m/min, do uzyskania sumarycznego
gniotu równego 30%. Gniot ten uzyskano w
kilku przejściach. Redukcja odległości walców
dla kaŜdego przejścia wynosiła ok. 5%. Przy
zmniejszaniu odległości miedzy walcami prób-
ki były walcowane równolegle – W, do kierun-
ku pierwotnego walcowania blach. Próbki pod-
dane walcowaniu i wygrzewaniu oznaczano
symbolami, które zawierały w nazwie kolejno:
symbol grubości blachy (1, 2 lub 3), tempera-
turę wygrzewania i czas wygrzewania.
Badania składu chemicznego przeprowa-
dzono za pomocą fluorescencyjnego spektro-
metru rentgenowskiego Bruker S4 Explorer
z dyspersją długości fali (WDXRF). Skład
chemiczny badanych blach przedstawiono
w tablicy 1.
Próbki po walcowaniu na zimno poddano
wyŜarzaniu w piecu komorowym. W tablicy 2
przedstawiono parametry wyŜarzania próbek.
2. EXPERIMENTAL PROCEDURE AND
TEST RESULTS
2.1. Tested material
Plates of the Inconel 625 superalloy
in three thicknesses: 1.0, 2.3, and 3.1 mm, were
obtained for testing. These plates are desig-
nated with symbols 1, 2, and 3 further
in the article. The plate material was subjected
to testing while in the state in which it was sup-
plied, as well as in a state after additional cold
rolling. Rolling was carried out using an elec-
tric rolling mill with a motoreducer. Rolling
was carried out at a speed of 5.2 m/min,
to the attainment of a total reduction equal
to 30%. This reduction was obtained after se-
veral steps. The reduction in roller distance for
each step was equal to about 5%. During re-
duction in roller distance, the samples were
rolled parallel to the initial plate rolling direc-
tion. Samples subjected to rolling and annea-
ling were designated with symbols which in-
cluded the following, respectively: plate thick-
ness symbol (1, 2, or 3), annealing temperature
and time.
Chemical composition tests were carried
out using the Bruker S4 Explorer fluorescent
X-Ray spectrometer with wavelength disper-
sion (WDXRF). Chemical composition
of the investigated metal plates is shown
on table 1.
After cold rolling, the samples were sub-
jected to annealing. A chamber furnace was
used for this purpose. Table 2 presents the pa-
rameters for sample annealing.
Tablica 1. Skład chemiczny dostarczonych blach
Table 1. Chemical composition of investigated metal plates
Lp.
No.
Analizowane
pierwiastki
Elements
analyzed
Zawartość pierwiastków w poszczególnych blachach [%]
Element content in individual metal plates [%]
1
62.76
20.25
8.51
4.79
3.31
0.25
0.21
0.21
0.15
2
62.58
20.12
8.40
4.69
3.27
0.25
0.20
0.13
0.14
3
63.34
19.87
8.86
3.92
3.23
0.18
0.15
Nie wykryto
0.11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Ni
Cr
Mo
Fe
Nb
C
Ti
Al
Si
146
Z. Pakieła
Tablica 2. Parametry wyŜarzania blach po walcowaniu
Table 2. Heat treatment parameters of cold rolled metal plates
Parametry wyŜarzania blach 1, 2 i 3 po redukcji przekroju o 30%
Annealing parameters of metal plates 1, 2 and 3 after 30% cross-section reduction
Temperatura [ºC]
Temperature
Czas [min]
Time
650
850
X
X
X
950
X
X
X
X
1050
5
15
30
60
X
X
X
2.2. Badania mikrostruktury
Badania mikrostruktury wykonano za po-
mocą mikroskopu
świetlnego
oraz transmisyj-
nego mikroskopu elektronowego. Próbki do
obserwacji za pomocą mikroskopu
świetlnego
trawiono elektrochemicznie odczynnikiem
o składzie: 20 cm
3
HCl, 10g FeCl
3
, 30 cm
3
wo-
dy destylowanej. Czas trawienia dobierano
doświadczalnie dla kaŜdej blachy. Zdjęcia me-
talograficzne wykonano za pomocą przenośne-
go mikroskopu metalograficznego KEYONCE
VXD oraz mikroskopu skaningowego Hitachi
TM-1000. Przykładową mikrostrukturę mate-
riału przedstawiono na rys. 1.
2.2. Investigation of microstructure
Investigation of the microstructure was
carried out using a light microscope as well
as a transmission electron microscope.
The samples observed under the light micro-
scope were treated electrochemically with
a reagent of the following composition: 20 cm
3
HCl, 10g FeCl
3
, 30 cm
3
distilled water. Treat-
ment time was selected experimentally for each
metal plate. Metallographic photographs were
taken using a KEYONCE VXD portable meta-
llographic microscope as well as a Hitachi
TM-1000 scanning microscope. An example
of the material's microstructure is shown
on fig. 1.
Rys. 1. Przykładowa mikrostruktura materiału w stanie wyjściowym
Fig. 1. Microstructure of the material in initial state
Mikrostruktura i właściwości mechaniczne nadstopu Inconel 625
147
Do analizy ilościowej mikrostruktur wykorzy-
stano zdjęcia uzyskane za pomocą mikroskopu
skaningowego Hitachi TM-1000. Do analizy
uŜyto autorskiego programu Micrometer v.
0.91, opracowanego na Wydziale InŜynierii
Materiałowej. Wyznaczono następujące para-
metry ilościowe opisujące analizowane mikro-
struktury:
•
D [µm]
–
średnia średnica
równowaŜna zia-
µ
ren,
• α −
stosunek D/Dmax - parametr mówiący
o nieregularności kształtu ziaren
(dla
α
=
1
kształt ziarna to koło),
•
SD
– odchylenie standardowe.
Wartości wyznaczonych parametrów ilościo-
wych mikrostruktury badanych blach w stanie
wyjściowym przestawiono w tablicy 3, a po
walcowaniu i wyŜarzaniu w tablicy 4. Na ry-
sunku 2 przedstawiono przykładowy histo-
gram, obrazujący rozkład wielkości ziaren
w blasze 1.
For quantitative analysis of the microstruc-
tures, pictures obtained using the Hitachi
TM-1000 scanning microscope were used.
The Micrometer v. 0.91 program, developed
at the Materials Engineering Department, was
used for analysis. The following quantitative
parameters describing the analyzed micro-
structures were determined:
•
D [
µ
m]
–
average equivalent grain diame-
ter,
•
α
– ratio of D/Dmax – this parameter de-
scribes grain shape irregularity (when
α
=
1, grain shape is circular),
•
SD
– standard deviation.
The values of the determined quantitative pa-
rameters for the microstructure of the investi-
gated metal plates in initial state are shown
on table 3, and after rolling and annealing
in table 4. Figure 2 shows an example of a his-
togram depicting grain size distribution
in plate 1.
Tablica 3.Ilościowe parametry mikrostruktury badanych blach w stanie wyjściowym
Table 3. Quantitative parameters of microstructure of investigated plates in initial state
Oznaczenie blachy
Sample designation
1
D
[µm]
średnia
average
2
15,5
8,5
1,36
1,35
3
10,1
5,4
1,42
1,42
5,7
2,8
1,35
1,32
SD
średnia
average
α
SD
Tablica 4. Ilościowe parametry mikrostruktury blachy 2 po róŜnych obróbkach
Table 4. Quantitative parameters of microstructure of plate 2 after different treatments
Oznaczenie próbki
Sample designation
2_30%
D
[µm]
średnia
average
2_30%_650
o
C_60min
20
9
1,42
0,2
2_30%_850
o
C_5min
24
10
1,38
0,17
19
7
1,52
0,23
SD
średnia
average
α
SD

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin