Sommario: Una guida tecnica alle sfide della fusione a cera persa dell'Inconel 718, comprese la fessurazione a caldo e la lavorazione meccanica, e cosa dovrebbero verificare gli acquirenti presso un fornitore.
L'Inconel 718 è una delle superleghe a base di nichel più utilizzate. Mantiene elevata robustezza, resistenza al creep e durata alla fatica a temperature fino a circa 700°C.
Queste proprietà lo rendono una scelta standard per componenti di motori aerospaziali, turbine a gas e apparecchiature per petrolio e gas.
Tuttavia, le stesse caratteristiche che rendono desiderabile l'Inconel 718 lo rendono notoriamente difficile da colare e da lavorare.
Durante l'approvvigionamento Microfusione di Inconel 718 componenti, gli acquirenti spesso scoprono che non tutte le fonderie sono in grado di fornire fusioni solide.
Capire le radici metallurgiche di queste difficoltà è più utile che semplicemente richiedere un elenco di certificazioni.
Le certificazioni dimostrano che un impianto ha superato un audit, non che il suo controllo di processo sia in grado di gestire questa lega specifica.
Perché Inconel 718 è impegnativo per la fusione a cera persa
La microfusione è particolarmente adatta all'Inconel 718 perché può produrre forme complesse, quasi nette e ridurre la quantità di costosa superlega rimossa mediante lavorazione.
Ma il processo di solidificazione inerente alla fusione introduce due rischi principali di difetti.
Il rischio di hot cracking (fase di Laves)
Inconel 718 contiene niobio (Nb). Durante le fasi finali della solidificazione, il liquido residuo si arricchisce di Nb, silicio ed altri elementi, favorendo la formazione della fase di Laves.
La ricerca indica che anche livelli residui della fase Laves pari allo 0,14–0,35% in peso possono essere dannosi per la duttilità a caldo e le proprietà di rottura da stress.
La presenza della fase di Laves estende l'intervallo di congelamento effettivo, lasciando le regioni interdendritiche senza duttilità sufficiente per accogliere le tensioni di contrazione nella fase avanzata della solidificazione.
In condizioni di sollecitazione termica, ciò porta allo strappo a caldo.
La velocità di raffreddamento è la variabile principale per il controllo della fase di Laves. Un raffreddamento più lento consente una maggiore segregazione del niobio e aumenta la probabilità di trattenere la fase di Laves residua a temperatura ambiente; un raffreddamento più rapido può sopprimerne parzialmente la formazione.
Di conseguenza, la capacità di una fonderia di controllare la temperatura di preriscaldamento del guscio, la temperatura di colata e i programmi di raffreddamento determinano direttamente il suo successo nella prevenzione delle cricche a caldo.
Ritiro e porosità interna
Il comportamento di ritiro dell'Inconel 718 è altamente sensibile alla finestra del processo. Studi di simulazione su getti di pale di turbine mostrano che quando il tempo di permanenza dello stampo aumenta da 0 s a 420 s, la temperatura del guscio scende da 1000°C a 860°C e il volume di ritiro totale e la frequenza aumentano di conseguenza.
Ciò significa che se la gestione termica prima del getto si discosta dalla finestra progettata, la porosità interna aumenterà in modo significativo.
La porosità interna nei getti di Inconel 718 non è un'anomalia rara ma una tipica modalità di guasto derivante da un controllo inadeguato del processo.
Per le parti portanti o critiche per la fatica, anche dopo la pressatura isostatica a caldo (HIP), il microrestringimento può comunque ridurre la durata a fatica.
Pertanto, il rischio di ritiro deve essere affrontato fin dalle fasi di progettazione del sistema di iniezione e di simulazione della solidificazione.
Sfide post-fusione: lavorazione dell'Inconel 718
Anche una fusione sana presenta ancora notevoli difficoltà di lavorazione. Inconel 718 ha una bassa conduttività termica, concentrando il calore di taglio vicino al bordo dell'utensile, mentre la sua struttura austenitica provoca un rapido incrudimento sotto stress da taglio.
Questo strato incrudito accelera l'usura del fianco, creando un ciclo in cui il taglio rende il materiale più duro, che a sua volta usura l'utensile più velocemente.
Per quanto riguarda i parametri di taglio, gli utensili in metallo duro non rivestito funzionano bene nell'intervallo 10–30 m/min; per velocità superiori a 40 m/min sono più adatti gli inserti in metallo duro rivestito.
Questo intervallo di velocità è significativamente inferiore rispetto ai parametri convenzionali per l'alluminio o l'acciaio standard, il che significa che i tempi di lavorazione e i costi degli utensili per Inconel 718 sono intrinsecamente più elevati.
Dal punto di vista dell’approvvigionamento, ciò solleva un punto critico di valutazione del fornitore: fonderie con capacità di lavorazione interna in genere hanno un vantaggio rispetto a quelli che si limitano a fondere ed esternalizzare la lavorazione.
Il comportamento di incrudimento dell'Inconel 718 richiede l'ottimizzazione coordinata dei parametri di taglio, dei percorsi utensile e della rigidità dell'attrezzatura.
Se la fonderia controlla sia le tolleranze di fusione che le tolleranze di lavorazione, può specificare condizioni più appropriate durante la fusione, riducendo il rischio di usura anomala dell'utensile o danni all'integrità della superficie causati da tolleranze inadeguate.
Come valutare una fonderia Inconel 718
Quando si valutano i fornitori di getti in Inconel 718, le certificazioni sono una soglia, non una condizione sufficiente.
Le seguenti funzionalità sono più indicative per stabilire se un impianto controlla veramente questa lega.
1. Controllo dell'atmosfera di fusione e colata. L'Inconel 718 è sensibile all'ossigeno, all'azoto e all'idrogeno e richiede un'adeguata protezione durante la fusione e il versamento.
La fusione per induzione sotto vuoto (VIM) può limitare l'ossidazione e l'assorbimento di gas, ove applicabile, ma non tutte le fusioni Inconel 718 richiedono VIM. Il percorso del processo deve essere confermato rispetto alle specifiche delle parti e agli standard applicabili.
2. Controllo del trattamento termico. La durezza dell'Inconel 718 come fusione non rappresenta la prestazione di servizio finale.
Il percorso di trattamento termico comunemente specificato nella letteratura industriale consiste nel trattamento della soluzione a circa 980°C seguito da un raffreddamento rapido, un primo invecchiamento a 720°C per 8 ore, raffreddamento in forno a 620°C per un secondo invecchiamento di 8 ore e raffreddamento ad aria.
Questo invecchiamento in due fasi fa precipitare la fase di rafforzamento γ″ responsabile della resistenza della lega.
Se il fornitore non dispone di forni controllati e di curve di temperatura tracciabili, la fusione potrebbe soddisfare gli standard di qualità metallurgica ma non soddisfare i requisiti di proprietà meccanica.
3. Ambito dei controlli non distruttivi (NDT). La tendenza al ritiro interno e alla fessurazione a caldo dell'Inconel 718 fa sì che l'NDT non possa basarsi solo sull'ispezione visiva.
La radiografia a raggi X rileva il restringimento interno e le crepe, l'ispezione con liquidi penetranti fluorescenti (FPI) identifica i difetti di rottura della superficie e i test a ultrasuoni possono integrare la valutazione interna o in prossimità della superficie.
Confermare se l'NDT viene eseguito internamente o in outsourcing e se i criteri di accettazione corrispondono all'applicazione della parte.
4. Tracciabilità dei materiali e coerenza dei lotti. La composizione chimica di ciascun calore dell'Inconel 718, in particolare i livelli di Nb, Si e C, e la sua storia di raffreddamento influenzano la tendenza alla formazione della fase di Laves.
Richiedere registrazioni della fusione a livello di numero di colata, registri dei trattamenti termici e rapporti NDT è un modo diretto per valutare se il controllo del processo del fornitore è sistematico.
5. Integrazione dalla fusione alla lavorazione. Come notato, l’incrudimento dell’Inconel 718 rende critica l’interfaccia tra fusione e lavorazione.
Se il fornitore può gestire internamente l’intero flusso di lavoro, il coordinamento dell’allocazione delle tolleranze, della progettazione delle quote e delle strategie di correzione dei difetti è in genere più efficiente.
Per esempi di capacità di lavorazione di leghe complesse, puoi esaminare le nostre capacità.
Considerazioni specifiche sull'applicazione
La fusione a cera persa in Inconel 718 rientra tipicamente in due categorie di applicazioni.
Motore aerospaziale e turbina a gas i componenti strutturali a sezione calda (come involucri, flange di montaggio e staffe) richiedono prestazioni di fatica ad alto numero di cicli, con una tolleranza molto bassa per la porosità interna e i problemi di integrità della superficie.
Attrezzature per petrolio, gas ed energia componenti come corpi valvola, parti di pompe e componenti di testa pozzo si concentrano maggiormente sulla resistenza alla corrosione e sull'integrità della pressione, dove la finestra di tolleranza ai difetti per le parti sensibili alle cricche a caldo ma non critiche per la fatica può essere relativamente più ampia.
Ciò non significa che un'applicazione sia "più facile" da trasmettere. Ciò significa che l’enfasi sulla valutazione del fornitore dovrebbe cambiare con l’uso finale della parte.
Una fonderia con un record costante di consegne di getti strutturali non critici potrebbe non possedere il sistema di controllo del processo e di documentazione richiesto per i getti di Inconel 718 di grado aerospaziale.
Chiarire l'applicazione finale della parte e gli standard applicabili durante la fase della richiesta di offerta aiuta il fornitore a determinare se le sue capacità di processo corrispondono, evitando di scoprire criteri di accettazione non corrispondenti solo dopo che si verifica una controversia sulla qualità.
