Inconel 718 vs Waspaloy: selecție superaliaj de nichel pentru aplicații cu discuri cu turbină

Ce sunt Inconel 718 și Waspaloy și cum diferă mecanismele lor de consolidare?

Ambele aliaje sunt superaliaje de nichel întărit prin precipitare, dar își dezvoltă rezistența din diferite faze intermetalice: conținutul de niobiu al Inconel 718 formează prima gama-dublu- (Ni3Nb), un corp metastabil-centrat{-tetragonal, în timp ce conținutul de waspaloy și faza clasică de titan gamma-prim (Ni3(Al,Ti)), o față stabilă termic-centrată-fază cubică - și această diferență chimică unică este cauza principală a aproape tuturor celorlalte distincții abordate în acest articol.

Sursa: Datele privind compoziția nominală a Special Metals Corporation pentru aliajul INCONEL 718 și buletinele tehnice Waspaloy (SMC-045 și SMC-011).

Cea mai vizibilă diferență chimică este conținutul substanțial de cobalt al lui Waspaloy (12-15%) față de absența esențială de cobalt a lui 718 (1% maxim) - cobaltul crește temperatura la care gamma-primul rămâne stabil și încetinește îngroșarea acestuia, ceea ce face parte din motivul pentru care Waspaloy rezistă mai bine la o temperatură ridicată susținută.

Absența niobiului în Waspaloy și absența corespunzătoare a aluminiului și titanului semnificativ în 718, este cealaltă împărțire definitorie: 718 a fost proiectat în mod deliberat în jurul gama-duble-prim, în special pentru că acea fază se formează mai lent în timpul îmbătrânirii, care (după cum explică secțiunile ulterioare) este sursa directă de sudabilitate excelentă.

Ce aliaj are o temperatură maximă de serviciu mai mare pentru aplicațiile cu discuri cu turbină?

Diferența este mai mică decât se presupune în mod obișnuit pentru cazul specific al discurilor de turbină: literatura Inconel 718 a Special Metals afirmă că aliajul rămâne util continuu până la aproximativ 704 de grade (1.300 de grade F), în timp ce propria sa literatură Waspaloy limitează aplicațiile critice rotative - categoria exactă a discurilor de turbină se încadrează la grade {{65}) (1.300 de grade F), rezervând plafonul Waspaloy mai mare, deseori-cotat de 870 de grade (1.600 de grade F) special pentru alte aplicații, mai puțin solicitante, ne-rotative.

Sursa: Special Metals Corporation, aliajul INCONEL 718 și buletinele tehnice Waspaloy (SMC-045 și SMC-011).

Aceasta este o corecție cu adevărat utilă la o simplificare excesivă comună. O mare parte din literatura secundară care compară aceste două aliaje afirmă categoric că „Waspaloy suportă temperaturi mai mari decât 718”, citând cifra de 870 de grade fără calificativul că acest plafon se aplică hardware-ului ne-rotativ, nu turbinelor și discurilor compresoarelor despre care se referă în mod specific acest articol.

Pentru aplicația de disc în sine, literatura de producție a ambelor aliaje plasează plafonul de serviciu continuu la aproximativ 50 de grade unul de celălalt. Încadrarea mai precisă și mai utilă nu este „Waspaloy este mai fierbinte”, ci „Waspaloy păstrează mai multă rezistență în intervalul de temperatură pe care ambele aliaje îl pot tolera” -, care este subiectul următoarelor două secțiuni.

De ce Gamma-Prime păstrează puterea mai bine decât Gamma-Duble-Prime la temperatură ridicată susținută?

Gamma-duble-primă este o fază metastabilă care se transformă treptat în faza delta ortorrombica (de asemenea, Ni3Nb, dar fără-întărire) în timpul expunerii prelungite la temperatură-înaltă, slăbind progresiv 718; gamma-prime nu suferă o transformare echivalentă și, în schimb, pur și simplu se îngroașă mai lent, motiv pentru care aliajele întărite cu gamma{-prime-cum ar fi Waspaloy oferă în general o stabilitate microstructurală mai bună în timpul serviciului prelungit la temperaturi ridicate-.

Această distincție explică de ce temperatura maximă de serviciu a lui 718 este descrisă în termeni de un prag de transformare de fază, în timp ce cea a lui Waspaloy este descrisă mai mult în termeni de rezistență la oxidare și de reținere a rezistenței pe termen scurt -, cele două aliaje se apropie de limitele lor prin mecanisme de defecțiune cu adevărat diferite. De asemenea, explică de ce 718 nu a fost niciodată destinat să concureze cu aliajele gamma-prime în cele mai fierbinți puncte din secțiunea fierbinte a unei turbine cu gaz; Avantajul competitiv real al lui 718 constă în intervalul de temperatură sub pragul său de transformare delta-, unde combinația sa de rezistență, sudabilitate și cost depășește alternativele, nu în potrivirea Waspaloy sau a aliajelor mai noi din metalurgie cu pulbere-pentru-gradul de temperatură al discului la cel mai înalt grad.

Cum se compară cele două aliaje în ceea ce privește rezistența la fluaj și tensiune{0}}la rupere?

Rezistența la rupere de 1.000-ore publicată de Waspaloy scade de la 89 ksi (615 MPa) la 1.200 de grade F la 16 ksi (110 MPa) la 1.600 de grade F - și deoarece brevetele și literatura de produse ale Special Metals confirmă separat atât rezistența la tracțiune, cât și rezistența la tracțiune7. 50 ksi la 1.600 de grade F, direcția generală este clară chiar și fără un test alăturat perfect: în intervalul de funcționare partajat, gama-primul Waspaloy reține capacitatea-de portantă mai eficient decât gama{{21} dublu{21} al lui 718.

Sursa: Special Metals Corporation, proprietăți tipice de fluaj-ruptură, buletinul tehnic Waspaloy SMC-011 (tratament termic optim de fluaj-înaltă la temperatură și ruptură-stres).

Cititorii ar trebui să rețină că rezistența la rupere și rezistența la rupere/rezistența la rupere sunt proprietăți legate, dar distincte, astfel încât această comparație ar trebui citită direcțional și nu ca un punct de referință precis, potrivit -. Ideea este că ambele cifre, extrase independent din literatura de specialitate a fiecărui aliaj, arată în același mod. Pentru un design de disc în care modul de defectare care guvernează este fluaj sau ruptură prin efort-la temperatură susținută (mai degrabă decât oboseală cu ciclu scăzut-sau suprasarcină la tracțiune), această menținere a rezistenței este cel mai puternic argument tehnic pentru alegerea Waspaloy peste 718 în fereastra lor de operare comună.

Ce aliaj este mai ușor de sudat și fabricat?

Inconel 718 este unul dintre cele mai sudabile superaliaje de nichel învechit-întăribil tocmai pentru că gama-dubla-primă se formează lent în timpul îmbătrânirii, permițând efectuarea sudurilor în stare de soluție-recoacetă fără cracare pre{-; Waspaloy, dimpotrivă, este descris în mod explicit de Special Metals ca un material „nu poate fi sudat ușor în afara unor circumstanțe controlate cu mare atenție”, predispus la -comportament scurt și la cracare-la deformare și trebuie sudat numai în starea tratată cu soluție-cu întreaga componentă tratată înainte de soluție de service.

Aceasta este probabil cea mai mare diferență practică între cele două aliaje pentru producători și ateliere de reparații. Crăparea-în vârstă de deformare apare atunci când un precipitat de întărire care se formează rapid dezvoltă stres în și în jurul unei zone afectate de căldură-de sudură mai repede decât o poate relaxa materialul, fisurand îmbinarea chiar în timpul tratamentului termic menit să o întărească.

Cinetica de precipitare relativ rapidă a Gamma-prime face Waspaloy cu adevărat susceptibilă la acest mod de defecțiune, motiv pentru care Special Metals recomandă cea mai rapidă rată practică de încălzire la temperatura de recoacere a soluției-în special pentru a minimiza timpul petrecut în deformarea-vârstă-crapare-, iar rezistența după un tratament termic cu Waspalo este explicit mai mică decât în cazul tratamentului termic. Materialul forjat tratat termic-- Special Metals recomandă în mod direct să nu plaseze sudurile Waspaloy în locuri cu-solicitare ridicată. Formarea mai lentă a Gamma-duble-prime oferă lui 718 o fereastră de procesare mult mai largă și mai îngăduitoare, exact din același motiv pentru care 718 arată un interval larg de temperatură de finisare la cald-lucrare-la forjare, așa cum este descris într-un articol însoțitor din această serie.

Ce aliaj este mai ușor de prelucrat?

Waspaloy este identificat în mod explicit de Special Metals ca fiind „printre superaliajele mai dificil de prelucrat”, în timp ce Inconel 718, deși încă substanțial mai greu de prelucrat decât oțelul inoxidabil, este în general considerat ca fiind mai prelucrabil decât aliajele întărite gamma-prim-, cum ar fi Waspaloy -, care necesită o operațiune de prelucrare cu discuri multiple cumulată reală.

Diferențele de prelucrabilitate se adaugă în întreaga secvență de fabricație a unui disc - prelucrare brută după forjare, prelucrare de finisare după tratament termic și orice reprelucrare ulterioară -, astfel încât chiar și o diferență moderată per-operație în durata de viață a sculei, viteza de așchiere sau finisarea suprafeței realizabilă devine un cost total semnificativ și un factor de timp{3}}complet al discului. Această dificultate de prelucrare este direct legată de aceeași fracțiune de volum primară de cobalt și gamma-care îi conferă Waspaloy avantajul său de rezistență la temperatură-înălțată: proprietățile care fac ca aliajul să reziste la deformare în funcționare sunt în mare parte aceleași proprietăți care îl fac să reziste la îndepărtarea materialului în atelierul de mașini.

Cum se compară cele două aliaje în domeniul de lucru la cald-și forjabilitatea?

Intervalul de lucru fierbinte al lui Waspaloy (1.800-2.140 de grade F) se află la o bandă de temperatură la fel de ridicată cu cea a lui Inconel 718 (1.650-2.050 de grade F), dar Waspaloy are moduri de defecțiune mai ascuțite la ambele capete, posibile sub grade F80} la cald-scuritate peste 2.150 de grade F - și se întărește foarte rapid, motiv pentru care recoacerea intermediară este în mod normal necesară în timpul operațiunilor de formare la rece pe care 718 le poate tolera adesea cu mai puține întreruperi.

Sursa: Special Metals Corporation, aliajul INCONEL 718 și buletinele tehnice Waspaloy (SMC-045 și SMC-011).

Cum se compară ciclurile standard de tratament termic-?

Tratamentul termic standard al Waspaloy implică o etapă suplimentară 718, care nu necesită - o recoacere de stabilizare între tratarea soluției și îmbătrânire - făcând procesul Waspaloy atât mai lung, cât și mai sensibil la secvență-, în concordanță cu susceptibilitatea sa mai mare la fisurarea-la deformare, dacă programul nu este respectat cu precizie.

Sursa: Special Metals Corporation, aliajul INCONEL 718 și buletinele tehnice Waspaloy (SMC-045 și SMC-011).

Etapa intermediară de stabilizare a lui Waspaloy există pentru a precipita carburile de grani-limită într-un mod controlat înainte ca etapa de îmbătrânire să dezvolte gama-întărirea în vrac - o alegere de secvențiere care reduce sensibilitatea la atacul de grani-la graniță ulterior în funcțiune, dar adaugă timp real de procesare și un alt punct în care programul poate fi greșit. Aceasta este încă o expresie a aceleiași teme de bază care se desfășoară în acest articol: reținerea superioară a rezistenței la temperatură-înaltă a Waspaloy este achiziționată cu prețul unui proces de fabricație mai îngust, mai puțin îngăduitor și mai intens secvențial.

Conținutul de cobalt creează o considerație de cost și de aprovizionare pentru Waspaloy?

Da - Conținutul de 12-15% cobalt al lui Waspaloy este o diferență reală, structurală de cost și de lanț-de aprovizionare față de Inconel 718, care nu conține practic niciunul (maximum 1%); cobaltul este o piață mai mică, mai concentrată din punct de vedere geografic și, din punct de vedere istoric, cu un preț mai volatil- decât nichelul, cromul sau molibdenul, iar prezența sa la procente de două cifre în greutate în Waspaloy nu este o notă de subsol de aliaj minoră.

Aceasta nu este o afirmație cu privire la o primă specifică de preț curent, care fluctuează în funcție de condițiile pieței de cobalt și ar trebui confirmată față de cotațiile curente ale fabricii -, ci este o observație structurală despre expunerea la costul materialului de bază a celor două aliaje. O decizie de specificare a materialului între 718 și Waspaloy este, parțial, o decizie cu privire la cât de mult din baza de cost a piesei finite ar trebui să fie expusă volatilității pieței de cobalt, mai degrabă decât piețele comparativ mai stabile ale nichelului, cromului și molibdenului, ambele aliaje de altfel.

Ce standarde guvernează fiecare aliaj pentru achiziționarea discurilor de turbină?

Ambele aliaje împărtășesc ASTM B637 ca o specificație comună pentru bară și forjare-stoc, dar fiecare are propria sa familie distinctă de specificații AMS care reflectă diferitele lor-secvențe de tratament termic - Setul de specificații Waspaloy separă în mod explicit soluția-tratată-numai materialul (AMS) 5706, AMS 5706 soluție-material stabilizat{-și-învechit (AMS 5704, AMS 5707, AMS 5709), aceeași împărțire logică acoperită pentru perechea AMS 5662/5663 a Inconel 718 într-un articol însoțitor.

Sursa: Special Metals Corporation, „Produse și specificații disponibile”, aliajul INCONEL 718 și buletinele tehnice Waspaloy.

Ce aliaj ar trebui să specificați pentru o aplicație cu disc de turbină?

Specificați Inconel 718 pentru discuri de compresor, discuri de ventilator și discuri de turbină cu temperatură mai joasă-, unde temperaturile de funcționare rămân confortabil sub aproximativ 600-650 de grade , unde costul de fabricație, sudabilitatea și prelucrabilitatea contează și unde expunerea la costurile de piață-cobaltului este o preocupare; specificați Waspaloy în cazul în care discul vede o funcționare susținută în intervalul de 540-650 de grade și menținerea rezistenței la fluaj/stres-ruptură pe intervale lungi de service este factorul care guvernează proiectarea.

Alegeți Inconel 718 pentru:Compresorul, ventilatorul și discurile de turbină cu temperatură mai joasă-funcționează bine în intervalul de serviciu continuu-al 718.

Alegeți Inconel 718 pentru:Discuri sau hardware care necesită sudare, reparații de sudură sau prelucrare extinsă ca parte a fabricării.

Alegeți Inconel 718 pentru:Programele în care costurile materialelor mai mici și expunerea redusă la volatilitatea prețurilor de pe piața-cobaltului sunt priorități.

Alegeți Waspaloy pentru:Discurile de turbină și hardware-ul rotativ funcționează în intervalul de aproximativ 540-650 de grade, unde rezistența la fluaj susținut și rezistența la rupere la efort guvernează durata de viață a discului.

Alegeți Waspaloy pentru:Aplicații în care producătorul are proceduri de sudare calificate, strict controlate, capabile să gestioneze sensibilitatea la fisurare la deformare{0}}la deformare a lui Waspaloy sau în care proiectarea evită complet sudurile în locații cu-solicitare ridicată.

Alegeți Waspaloy pentru:Programele vechi ale motoarelor și lucrările de reparații/revizii în care Waspaloy este calificat, extragerea-materialului solicitat-și înlocuirea nu este o opțiune.

Pentru cele mai fierbinți poziții ale discurilor de turbină dincolo de intervalul practic al oricărui aliaj, rețineți că atât 718, cât și Waspaloy au fost suplimentate substanțial în cele mai noi proiecte de motoare de supraaliaje de-metalurgie a pulberilor gamma-prim/gamma-duble-prim dezvoltate special pentru a împinge capacitatea de temperatură a discului într-o comparație suplimentară {{5} alegere bine-conființată, încă-relevantă, nu întregul peisaj modern al materialelor discurilor pentru turbine.

Întrebări frecvente

Î: Este Waspaloy mai puternic decât Inconel 718?

A: La o temperatură ridicată susținută în intervalul lor de funcționare comun, da - Faza de întărire gamma-primă a lui Waspaloy păstrează capacitatea de încărcare-mai fiabilă decât prima gama-duble{- a lui 718, care este predispusă să se transforme în fază delta de ne-întărire. La temperatura camerei, ambele aliaje pot fi tratate termic în condiții de înaltă-rezistență comparabile.

Î: Waspaloy chiar funcționează la temperaturi mai ridicate decât Inconel 718?

A: Nu atât de mult pe cât se presupune în mod obișnuit pentru discurile de turbină în special. Literatura specială a metalelor speciale limitează Waspaloy la 650 de grade (1.200 de grade F) pentru aplicații critice rotative, cum ar fi discurile, față de plafonul de serviciu continuu de 704 de grade (1.300 de grade F) al 718. Capacitatea de 870 de grade (1.600 de grade F) de la Waspaloy deseori-se aplică aplicațiilor mai puțin solicitante, ne-rotative, nu discurilor de turbină.

Î: De ce este Inconel 718 mai ușor de sudat decât Waspaloy?

A: Faza de întărire gamma-dublă-a lui 718 se formează lent în timpul îmbătrânirii, astfel încât sudurile pot fi făcute în stare de soluție-recoace, fără fisurare în timpul tratamentului termic ulterior. Faza gamma-primă a lui Waspaloy se formează mult mai rapid, făcând aliajul predispus la fisurare prin deformare-; Special Metals afirmă că Waspaloy nu este ușor de sudat în afara circumstanțelor atent controlate și trebuie sudat numai în starea tratată cu soluție-, cu întreaga soluție de re-componentă tratată ulterior.

Î: Waspaloy este mai scump decât Inconel 718?

A: Conținutul de cobalt de 12-15% al ​​lui Waspaloy (față de chimia esențială-liberă de cobalt a lui 718) este o diferență structurală de cost și-lanțul de aprovizionare, deoarece cobaltul este o piață mai mică și mai volatilă la preț decât nichelul sau cromul. Combinat cu prelucrarea mai dificilă și cerințele de fabricație mai exigente ale Waspaloy, acesta are în general un cost total de livrare mai mare, deși primele exacte ar trebui confirmate în raport cu prețurile actuale de pe piață.

Î: Inconel 718 poate fi folosit ca înlocuitor direct pentru Waspaloy într-un disc de turbină?

A: Nu automat. Deși 718 este mai ușor și mai ieftin de fabricat,-plafonul continuu al temperaturii de serviciu și reținerea-înălțată a rezistenței la temperatură diferă de Waspaloy, iar înlocuirea discurilor de turbină necesită o recalificare inginerească completă în raport cu temperatura, stresul și cerințele de-durata de viață ale motorului specific - nu doar un material asemănător{-.

Î: Ce aliaj este mai ușor de prelucrat, Inconel 718 sau Waspaloy?

A: Inconel 718 este în general considerat mai prelucrabil. Special Metals descrie în mod explicit Waspaloy ca printre cele mai dificil de prelucrat dintre superaliaje, o consecință directă a aceluiași conținut de cobalt și a aceleiași fracțiuni de volum gamma-primă care îi conferă rezistență la temperatură-superioară.