Części ze stopu Inconel: 625 i 718 do środowisk o wysokiej temperaturze i korozyjności 

Kiedy inżynier wymienia część inconelowa w przypadku wymagających zastosowań stopy Alloy 625 i Alloy 718 często pojawiają się na tej samej krótkiej liście. Obydwa są superstopami na bazie niklu i charakteryzują się doskonałą stabilnością w wysokich temperaturach. Obydwa są odporne na utlenianie. Oba są dostępne w postaci prętów, płyt i odlewów. Jednak zostały zaprojektowane z myślą o zasadniczo różnych trybach awarii, a wybór niewłaściwego może prowadzić albo do przedwczesnej korozji, albo do przeprojektowania komponentu, co zwiększa koszty bez wydłużania żywotności.

Rozróżnienie nie dotyczy tego, który stop jest „mocniejszy” lub „bardziej odporny na korozję” w sensie ogólnym. Chodzi o to, jaki mechanizm wzmocnienia odpowiada dominującemu zagrożeniu degradacją. Inconel 625 opiera się na wzmocnieniu roztworem stałym ze względu na jego odporność na korozję i szeroką stabilność temperaturową. Inconel 718 wykorzystuje utwardzanie wydzieleniowe, aby osiągnąć bardzo wysoką wytrzymałość, ale wytrzymałość ta ma górną granicę temperatury. Zrozumienie, gdzie znajduje się ten sufit i co dzieje się za nim, jest punktem wyjścia dla każdego część inconelowa decyzja o wyborze.

Ten artykuł jest napisany dla inżynierów zajmujących się sprzętem lotniczym, petrochemicznym i wysokotemperaturowym oraz nabywców, którzy potrzebują działającego systemu selekcji. Koncentruje się na logice metalurgicznej każdego stopu, warunkach eksploatacji, które faworyzują jeden ze stopów, a także na względach produkcyjnych, które decydują o tym, czy określony stop działa zgodnie z zamierzeniami.

Podstawowa różnica: wzmocnienie w roztworze stałym a utwardzanie wydzieleniowe

Najprostszy sposób na określenie różnicy jest następujący: Inconel 625 czerpie swoją siłę z tego, co jest w nim rozpuszczone; Inconel 718 czerpie swoją siłę z wytrącającego się z niego osadu.

Inconel 625 (UNS N06625) to stop wzmocniony roztworem stałym. Molibden (8–10%) i niob (3,15–4,15%) pozostają rozpuszczone w osnowie niklowo-chromowej, zaburzając sieć krystaliczną i utrudniając ruch dyslokacyjny. Wzmocnienie to występuje w stanie dostawy. Nie jest wymagana żadna kuracja postarzająca. Te same cechy składu, które zapewniają wytrzymałość – szczególnie wysoka zawartość molibdenu i chromu – zapewniają również wyjątkową odporność stopu na korozję. Inconel 625 jest w rzeczywistości stopem korozyjnym, który ma użyteczną wytrzymałość, a nie stopem wytrzymałościowym, który jest odporny na korozję.

Inconel 718 (UNS N07718) działa na innej zasadzie. Niob (4,75–5,5%) łączy się z niklem podczas starzenia, tworząc wydzielenia podwójnego pierwotnego gamma (Ni₃Nb), które współpracując z pierwotną fazą gamma (Ni₃Al/Ti) zapewniają pierwotny efekt wzmacniający. W stanie potraktowanym roztworem 718 jest stosunkowo miękki. Po starzeniu jego granica plastyczności osiąga około 1000–1100 MPa, w zależności od formy i specyfikacji produktu, w porównaniu z typowymi 320–450 MPa dla wyżarzonego stali 625. Ta różnica – około dwa do trzech razy większa granica plastyczności – wyjaśnia, dlaczego 718 dominuje w elementach obrotowych poddawanych wysokim naprężeniom.

Inconel 600, czasami łączony z tymi stopami w ogólnych dyskusjach na temat stopów niklu, jest stopem Ni-Cr bez dodatków molibdenu i niobu, które definiują 625 i 718. Jego wytrzymałość i odporność na korozję są skromniejsze i wykracza poza zakres tego porównania.

dla część inconelowa tam, gdzie głównym zagrożeniem są wżery chlorkowe lub atak kwasowy, istotną zaletą jest chemia 625 w roztworze stałym. Tam, gdzie głównym zagrożeniem jest zmęczenie lub plastyczność pod dużym obciążeniem w umiarkowanej temperaturze, właściwym wyborem będzie konstrukcja 718 utwardzana wydzieleniowo. W dalszej części artykułu omówiono, gdzie faktycznie występują te warunki.

Jak temperatura i warunki korozyjne decydują o wyborze

Inconel 625: Konstrukcje zdominowane przez korozję i konstrukcje spawane

Inconel 625 to domyślna specyfikacja, gdy decydującym czynnikiem jest odporność na korozję. Zawartość molibdenu zapewnia odporność na korozję wżerową i szczelinową w środowiskach zawierających chlorki, przy czym liczba równoważna odporności na wżery (PREN) jest znacznie wyższa niż 718 ze względu na wyższą zawartość molibdenu. W wodzie morskiej, kwaśnych strumieniach procesowych i kwaśnym gazie ta rezystancja jest powodem, dla którego wybiera się 625, a nie alternatywę o wyższej wytrzymałości. Stop jest stosowany w podmorskich rurociągach przepływowych, sprzęcie do przetwarzania chemicznego, w tym zaworach i wymiennikach ciepła, oraz w morskich układach wydechowych.

Wydajność temperaturowa 625 jest często źle rozumiana. Stop zachowuje użyteczną wytrzymałość i odporność na utlenianie do około 980°C, a niektóre źródła podają temperatury robocze do 1093°C dla określonych postaci produktu. Jednak „użyteczna wytrzymałość” w temperaturze 980°C to nie to samo, co wysoka nośność, jaką zapewnia 718 w niższych temperaturach. Inconel 625 w wysokiej temperaturze wybiera się ze względu na odporność na utlenianie i stabilność strukturalną, a nie ze względu na granicę plastyczności pod dużym obciążeniem.

Równie ważna jest zaleta produkcyjna 625. Stop może być stosowany w stanie po spawaniu bez obróbki cieplnej po spawaniu i jest odporny na korozję międzykrystaliczną nawet w stanie spawanym. W przypadku konstrukcji spawanych, napawanych okładzin i skomplikowanych wyrobów, gdzie cykl starzenia po spawaniu wprowadziłby odkształcenia lub zwiększyłby koszty, ta prostota jest praktycznym kryterium wyboru. Stop ten jest powszechnie stosowany jako napoina na stali węglowej w warunkach pracy kwasowej, gdzie okładzina zapewnia odporność na korozję bez konieczności obróbki cieplnej całego elementu.

Inconel 718: Usługa zdominowana przez wytrzymałość poniżej okna starzenia

Inconel 718 jest dominującym nadstopem do zastosowań wymagających wysokich naprężeń w temperaturach poniżej około 650°C. Tarcze turbin silników odrzutowych, elementy złączne o dużej wytrzymałości, narzędzia wiertnicze do wydobywania ropy i gazu oraz turbopompy silników rakietowych – wszystko to opiera się na wytrzymałości starego Boeinga 718. Właściwości stopu związane z pełzaniem i pękaniem naprężeniowym są w tym zakresie doskonałe.

Powyżej tej temperatury mechanizm wzmacniający zaczyna zawodzić. Podwójne wytrącenia gamma, które zapewniają wytrzymałość 718, stają się grubsze i przekształcają się w fazę delta w temperaturach około 650°C i wyższych, powodując utratę wytrzymałości. Nie jest to stopniowy spadek, któremu można zaradzić, stosując czynnik bezpieczeństwa. Jest to przemiana fazowa, która zmienia podstawowe zachowanie stopu. W przypadku długotrwałej pracy w temperaturach powyżej około 650–700°C, 718 nie jest już właściwym wyborem ze względu na wytrzymałość, niezależnie od jego właściwości w temperaturze pokojowej. Dokładna górna granica zależy od poziomu naprężenia i wymaganej trwałości, ale mechanizm narzuca praktyczną granicę, której nie można projektować w nieskończoność.

Inconel 718 ma użyteczną odporność na korozję. Jest odporny na utlenianie i wiele mediów wodnych, odpowiednio do zastosowań konstrukcyjnych. Jednak w agresywnym środowisku chlorku lub kwasu redukującego niższa zawartość molibdenu (2,8–3,3%) i wyższa zawartość żelaza sprawiają, że jest on mniej odporny niż 625. część inconelowa określone w 718 dla zastosowań korozyjnych jest prawdopodobnie zawyżone pod względem wytrzymałości i niedostatecznie określone w zakresie odporności na korozję. Logika wyboru powinna być zgodna z dominującym trybem awarii, a nie ogólną preferencją dla stopu o „wyższych parametrach”.

Typowe formy części Inconel i miejsca, w których pasuje każdy stop

Korpusy zaworów i komponenty do przetwarzania chemicznego

Podczas obróbki chemicznej korpusy zaworów i elementy wewnętrzne stają w obliczu kombinacji czynników korozyjnych, przepływu erozyjnego i wymagań dotyczących powierzchni uszczelniających. Jeśli strumień procesowy zawiera chlorki, kwasy redukujące lub wodę morską, odpowiednią specyfikacją będzie Inconel 625. Zawartość molibdenu zapobiega korozji wżerowej i szczelinowej na kołnierzach i powierzchniach uszczelniających, a użyteczność po spawaniu upraszcza wytwarzanie skomplikowanych geometrii zaworów.

Inconel 718 pojawia się w przemyśle chemicznym głównie w wysokociśnieniowych elementach złącznych i elementach konstrukcyjnych, gdzie najważniejszym wymogiem jest wytrzymałość, a nie w częściach zwilżanych narażonych na działanie agresywnej chemii. dla część inconelowa który łączy w sobie obie funkcje – komponent poddawany dużym naprężeniom, który ma również kontakt z mediami korozyjnymi – wybór może wymagać kompromisu lub całkowicie innego stopu.

Notatka weryfikacyjna: Aktualne strony produktów w witrynie obejmują Inconel 600 i Inconel 718. Dostępność części Inconel 625 należy potwierdzić przed określeniem 625 jako dostarczanego materiału.

Uszczelnienia turbin, tarcze i części obrotowe narażone na duże naprężenia

W zastosowaniach lotniczych i turbinach gazowych, 718 jest wartością domyślną dla tarcz turbin, tarcz sprężarek, wałów i elementów statycznych poddawanych wysokim naprężeniom, pracujących w temperaturach poniżej 650°C. Połączenie wysokiej granicy plastyczności, odporności zmęczeniowej i odporności na pękanie pod wpływem naprężenia w tym zakresie temperatur jest trudne do zastąpienia. Uszczelnienia turbin, które podlegają dużym obciążeniom kontaktowym i cyklom cieplnym, są często określane w 718, gdy powierzchnie uszczelnień nie są narażone na silny atak korozyjny.

Inconel 625 pojawia się w układach wydechowych silników, kanałach i elementach, w których odporność na utlenianie i korozję jest ważniejsza niż nośność. Wybór pomiędzy nimi w środowisku turbiny zwykle opiera się na jasnym pytaniu: czy dana część jest głównie strukturalną ścieżką obciążenia, czy przede wszystkim elementem obudowy i ścieżki przepływu? Pierwszy faworyzuje 718; drugi faworyzuje 625.

Kolektory, elementy złączne i elementy układu wydechowego

Elementy złączne to klasyczna aplikacja 718. Wysokie napięcie wstępne, odporność na relaksację naprężeń i odporność na zmęczenie pod obciążeniem cyklicznym to wymagania nadrzędne, a wytrzymałość modelu 718 przy starzeniu i odporność na zerwanie naprężeń bezpośrednio je uwzględniają. Wysokotemperaturowe połączenie śrubowe określone w 625 prawdopodobnie wymagałoby większego łącznika lub mniejszego napięcia wstępnego, aby osiągnąć równoważną wydajność, zwiększając wagę i złożoność.

Kolektory wydechowe i podobne komponenty stanowią bardziej dopracowaną obudowę. Jeśli temperatura robocza utrzymuje się poniżej 650°C, a środowisko utlenia się, ale nie powoduje silnej korozji, rozsądnym wyborem będzie 718. Jeśli strumień spalin zawiera kondensaty zawierające chlorki lub związki kwasowe, odporność na korozję 625 może przewyższać przewagę wytrzymałościową 718. Decyzję należy podjąć na podstawie rzeczywistego składu chemicznego gazu i temperatury metalu, a nie na ogólnym założeniu, że zawsze lepsza jest wyższa wytrzymałość.

Wyzwania związane z produkcją i odlewaniem: 625 vs 718

Zachowanie podczas obróbki

Obydwa stopy są trudne w obróbce w porównaniu ze stalami nierdzewnymi, ale z różnych powodów. Inconel 625 w stanie wyżarzonym jest lepki i szybko twardnieje. Wióry są długie i żylaste, zużycie narzędzia jest szybsze, a materiał ma tendencję do odpychania się od krawędzi skrawającej zamiast czystego ścinania. Ostre narzędzia, chłodziwo pod wysokim ciśnieniem i konserwatywne posuwy są niezbędne, aby uniknąć tworzenia się utwardzonej warstwy powierzchniowej, która komplikuje późniejsze operacje.

Inconel 718 jest zwykle obrabiany w stanie po obróbce roztworem lub częściowo starzony, a następnie starzony po obróbce. Wyższa twardość bezwzględna oznacza, że ​​głównym problemem jest zużycie narzędzia, ale tworzenie się wiórów jest bardziej przewidywalne, a kontrola wymiarowa jest ogólnie lepsza niż w przypadku stali 625. Jeśli część jest postarzana przed obróbką końcową, twardość dalej wzrasta, a obróbka staje się znacznie trudniejsza. Dla większości praktyczne podejście część inconelowa produkcja polega na obróbce zgrubnej w bardziej miękkim stanie, starzeniu, a następnie wykończeniu maszyny z uwzględnieniem zmian wymiarowych powodowanych przez starzenie.

Spawanie i obróbka po spawaniu

Inconel 625 można spawać i oddawać do użytku bez obróbki cieplnej po spawaniu, a stop jest odporny na korozję międzykrystaliczną nawet w stanie spawanym. Jest to prawdziwa zaleta w przypadku dużych lub złożonych złożeń, w których cykl starzenia po spawaniu byłby niepraktyczny lub powodowałby odkształcenia. Stop ten jest również szeroko stosowany jako nakładka na spoinę w celu ochrony przed korozją, nakładana na stal węglową lub podłoża niskostopowe bez konieczności obróbki cieplnej gotowego elementu.

Inconel 718 jest spawalny, ale spawane elementy zazwyczaj wymagają starzenia po spawaniu, aby przywrócić wytrzymałość w spoinie i strefie wpływu ciepła. Sam proces spawania może wytworzyć mikrostrukturę przypominającą odlew z segregacją, która wpływa na późniejszą reakcję starzenia. W przypadku konstrukcji spawanych 718 cykl obróbki cieplnej staje się częścią krytycznej ścieżki produkcyjnej, a nie opcjonalnym etapem wykończenia.

Rozważania dotyczące castingu

Obydwa stopy można odlewać metodą traconą, ale wymagania dotyczące kontroli procesu są różne. Inconel 718 zawiera wystarczającą ilość niobu, aby podczas krzepnięcia mogła utworzyć się faza Lavesa. Faza ta jest szkodliwa dla właściwości mechanicznych i musi zostać rozpuszczona poprzez obróbkę roztworową przed starzeniem. Standardowa obróbka cieplna odlewu 718, jak opisano w AMS 5383, obejmuje homogenizację, po której następuje obróbka roztworem i dwuetapowy cykl starzenia. Proces odlewania i harmonogram obróbki cieplnej dla 718 muszą być zaprojektowane jako zintegrowany system, a nie jako oddzielne operacje. Inconel 625 jest bardziej tolerancyjny w odlewaniu, chociaż kontrola segregacji w grubych przekrojach pozostaje ważna.

dla część inconelowa wymagający zarówno odlewu, jak i dużej wytrzymałości, obróbka cieplna 718 jest integralną częścią osiągnięcia określonych właściwości. Odlany element 718, który nie został poddany odpowiedniej obróbce i obróbce, nie zapewni wytrzymałości, jaką sugeruje oznaczenie stopu.

Lista kontrolna potwierdzenia wyboru

Poniższa lista kontrolna jest przeznaczona do wykorzystania przed wyceną lub przeglądem projektu w celu potwierdzenia, że wybór stopu odpowiada dominującym wymaganiom serwisowym.

Próg 800–900 MPa podany w tej tabeli stanowi praktyczne rozróżnienie pomiędzy typową granicą plastyczności wyżarzonego 625 i starzonego 718. Nie jest to limit specyfikacji. Ostateczny wybór materiału powinien opierać się na rzeczywistych wymaganiach projektowych i obowiązujących normach dla danej specyfiki część inconelowa.

Często zadawane pytania

Czy Inconel 718 jest mocniejszy niż 625 we wszystkich temperaturach?
Przewaga wytrzymałościowa nr 718 zależy od wydzieleń podwójnego pierwotnego promieniowania gamma, które pozostają stabilne w temperaturze poniżej około 650°C. Powyżej tej temperatury wydzielenia grudkują i przekształcają się, a przewaga wytrzymałościowa maleje. Wzmocnienie w roztworze stałym Inconel 625 nie zależy od fazy wytrąconej i pozostaje skuteczne w wyższych temperaturach, chociaż przy niższym poziomie wytrzymałości bezwzględnej.

Czy Inconel 625 można starzeć tak, aby dorównywał wytrzymałością 718?
Nie. Inconel 625 nie zawiera wystarczającej ilości tytanu, aluminium i niobu wymaganej do uzyskania znaczącej reakcji utwardzania wydzieleniowego. Jego siła pochodzi z molibdenu i niobu w roztworze stałym, a obróbka starzeniowa nie powoduje wydzieleń podwójnego primera gamma, które wzmacniają 718.

Który stop jest lepszy do zastosowań w wodzie morskiej?
Inconel 625. Zawartość molibdenu zapewnia odporność na korozję wżerową i szczelinową przy wartości PREN znacznie wyższej niż 718 i jest szczególnie polecany do zastosowań związanych z wodą morską, w tym rurociągów, złączek i elementów morskich. Inconel 718 ma odpowiednią odporność na korozję w wielu środowiskach, ale nie jest preferowanym wyborem w przypadku agresywnych zastosowań chlorków.

Dlaczego Inconel 718 wymaga obróbki postarzającej?
W stanie po obróbce roztworem pierwiastki stopowe 718 pozostają głównie w roztworze, a stop jest stosunkowo miękki. Starzenie powoduje wytrącenie podwójnego współczynnika gamma (Ni₃Nb), co utrudnia ruch dyslokacyjny i zapewnia wysoką wytrzymałość, dla której stop jest przeznaczony. Bez starzenia część 718 nie osiąga zamierzonych właściwości mechanicznych.

Czy oba stopy można odlewać metodą traconą?
Tak. Obydwa mogą być produkowane metodą odlewania metodą traconego wosku. Odlew Inconel 718 wymaga obróbki roztworem w celu rozpuszczenia fazy Lavesa utworzonej podczas krzepnięcia, a następnie starzenia w celu uzyskania wytrzymałości. Obróbka cieplna jest istotną częścią procesu produkcyjnego, a nie opcjonalnym krokiem. Odlew Inconel 625 jest nieco bardziej wyrozumiały, chociaż kontrola segregacji pozostaje ważna w przypadku grubych profili.

Następny krok: Dopasuj mechanizm do trybu awarii

Wybór pomiędzy Inconel 625 i 718 dla część inconelowa powinno podążać za jednym pytaniem organizującym: jaki jest dominujący mechanizm degradacji? Jeśli korozja – wżery, ataki szczelin, media kwaśne lub zawierające chlorki – stanowi wiarygodne zagrożenie, skład chemiczny 625 w roztworze stałym i zawartość molibdenu bezpośrednio rozwiązują ten problem, a jego użyteczność po spawaniu upraszcza produkcję. Jeśli głównym wymogiem są wysokie naprężenia, zmęczenie lub plastyczność pod obciążeniem poniżej około 650°C, odpowiednią specyfikacją jest wytrzymałość stali 718 po utwardzaniu wydzieleniowym, pod warunkiem, że przestrzegany jest pułap temperatury.

W zastosowaniach, w których występuje zarówno korozja, jak i duże naprężenia, żaden ze stopów nie jest uniwersalnym rozwiązaniem. Ocena powinna porównać konsekwencje uszkodzenia korozyjnego z konsekwencjami uszkodzenia mechanicznego i rozważyć, czy inny materiał lub podejście do ochrony powierzchni mogłoby skuteczniej spełnić oba wymagania.

Do przejrzenia dostępne Specyfikacje części Inconel, w tym informacje o produktach Inconel 600 i Inconel 718, odwiedź odpowiednie strony produktów. W przypadku części Inconel 625 lub niestandardowych odlewów i elementów obrobionych maszynowo z dowolnego stopu należy potwierdzić bieżący zakres produkcji i możliwości obróbki cieplnej bezpośrednio przed określeniem specyfikacji.