Inconel 718 در مقابل Waspaloy: انتخاب سوپرآلیاژ نیکل برای کاربردهای دیسک توربین

Inconel 718 و Waspaloy چیست و مکانیسم های تقویت آنها چگونه است؟

هر دو آلیاژ ابرآلیاژهای نیکل ریزشی-سخت شده هستند، اما استحکام خود را از فازهای بین فلزی مختلف ایجاد می‌کنند: محتوای نیوبیوم Inconel 718 گاما-دو-پرایم (Ni3Nb)، بدنه‌ای متاپایدار-در حالی که آلومینیم{5}}مرکز، و فاز آلومینال{6{6} را تشکیل می‌دهد. محتوای تیتانیوم گامای کلاسیک-پرایم (Ni3(Al,Ti)) را تشکیل می‌دهد، یک صفحه پایدار از نظر حرارتی-مرکز-فاز مکعبی- و این تفاوت شیمی منفرد علت اصلی تقریباً هر تمایز دیگری است که در این مقاله توضیح داده شده است.

منبع: داده های ترکیب اسمی شرکت Special Metals برای آلیاژ INCONEL 718 و بولتن های فنی Waspaloy (SMC-045 و SMC-011).

مشهودترین تفاوت شیمیایی محتوای قابل توجه کبالت Waspaloy (12{3}}15%) در مقابل عدم وجود ضروری کبالت در 718 (1٪ حداکثر) است - کبالت دمایی را افزایش می‌دهد که در آن گاما-پرایم پایدار می‌ماند و درشت شدن آن را کاهش می‌دهد، که بخشی از این است که چرا دمای Waspaloy بهتر حفظ می‌شود.

عدم وجود نیوبیم در Waspaloy، و عدم وجود آلومینیوم و تیتانیوم قابل توجه در 718، شکاف تعیین‌کننده دیگر است: 718 عمداً حول محور گاما-دو{3}}پرایم مهندسی شده است، به‌ویژه زیرا آن فاز در طول پیری کندتر شکل می‌گیرد، که (همانطور که بخش‌های بعدی منبع مستقیم توضیح می‌دهیم) قابلیت عالی است.

کدام آلیاژ حداکثر دمای سرویس را برای کاربردهای دیسک توربین دارد؟

این شکاف کمتر از چیزی است که معمولاً برای مورد خاص دیسک‌های توربین در نظر گرفته می‌شود: ادبیات Inconel 718 متعلق به شرکت Special Metals بیان می‌کند که آلیاژ به طور مداوم تا حدود 704 درجه (1300 درجه فارنهایت) مفید باقی می‌ماند، در حالی که ادبیات Waspaloy خود کاربردهای چرخشی بحرانی را پوشش می‌دهد - دسته دقیق توربین در رده {20} درجه قرار می‌گیرد. F)، سقف 870 درجه (1600 درجه فارنهایت) بالاتر Waspaloy را به طور خاص برای سایر برنامه‌های کاربردی غیرقابل چرخش،-که اغلب نقل‌قول می‌کنند، رزرو کنید.

منبع: Special Metals Corporation، آلیاژ INCONEL 718 و بولتن های فنی Waspaloy (SMC-045 و SMC-011).

این یک تصحیح واقعاً مفید برای ساده سازی بیش از حد رایج است. بسیاری از متون ثانویه که این دو آلیاژ را مقایسه می‌کنند، به طور واضح بیان می‌کنند که "Waspaloy دماهای بالاتر از 718 را تحمل می‌کند"، با استناد به رقم 870 درجه بدون این که این سقف برای سخت‌افزارهای غیر چرخنده اعمال می‌شود، نه دیسک‌های توربین و کمپرسور که این مقاله به طور خاص در مورد آن است.

برای خود برنامه دیسک، ادبیات سازنده خود هر دو آلیاژ سقف خدمات پیوسته- را در حدود 50 درجه از یکدیگر قرار می دهد. قاب دقیق تر و مفیدتر "Waspaloy داغتر می شود" نیست، بلکه "Waspaloy استحکام بیشتری را در محدوده دمایی که هر دو آلیاژ می توانند تحمل کنند حفظ می کند" - که موضوع دو بخش بعدی است.

چرا گاما-پرایم قدرت را بهتر از گاما حفظ می‌کند-دوبرابر-پرایم در دمای بالا پایدار است؟

گاما-دوبل-پرایم یک فاز متاپایدار است که به تدریج به فاز دلتای ارتورومبیک (همچنین Ni3Nb، اما غیر{3}}تقویت‌کننده) در طول مدت طولانی قرار گرفتن در معرض دمای-بالا، تبدیل می‌شود و به تدریج 718 ضعیف می‌شود. گاما-پرایم دچار تغییر شکل معادل نمی‌شود و در عوض به آرامی درشت می‌شود، به همین دلیل است که آلیاژهای تقویت‌شده گاما-پرایم-مثل Waspaloy عموماً در طول سرویس‌دهی با دمای بالا{9} طولانی‌تر، پایداری ریزساختاری بهتری ارائه می‌دهند.

این تمایز توضیح می دهد که چرا حداکثر دمای سرویس 718 بر حسب آستانه تبدیل فاز توصیف می شود، در حالی که Waspaloy بیشتر از نظر مقاومت در برابر اکسیداسیون و{1}}حفظ استحکام کوتاه مدت - توصیف می شود. همچنین توضیح می‌دهد که چرا 718 هرگز برای رقابت با آلیاژهای گاما{5}پرایم در داغ‌ترین نقاط در بخش داغ توربین گاز طراحی نشده است. مزیت رقابتی واقعی 718 در محدوده دمایی زیر آستانه تبدیل دلتای-ش نهفته است، جایی که ترکیبی از استحکام، جوش‌پذیری و هزینه از گزینه‌های جایگزین بهتر عمل می‌کند، نه در تطبیق پودر Waspaloy یا پودر جدیدتر-درجه آلیاژ دیسک متالورژی-برای{10}}درجه درجه حرارت در بالاترین درجه حرارت.

مقایسه دو آلیاژ در خزش و تنش{0}}قدرت پارگی چگونه است؟

استحکام گسیختگی 1000 ساعته منتشر شده Waspaloy از 89 ksi (615 مگاپاسکال) در 1200 درجه فارنهایت به 16 ksi (110 مگاپاسکال) در 1600 درجه فارنهایت - کاهش می‌یابد و به این دلیل که استحکام اختراع خود Special Metals و اختراعات مربوط به اختراعات اختصاصی فلزات و استحکام محصول به طور جداگانه پایین‌تر از 1200 درجه فارنهایت است. 50 ksi در 1600 درجه فارنهایت، جهت کلی حتی بدون آزمایش کناری کاملاً منطبق واضح است: در محدوده عملیاتی مشترک، گامای Waspaloy{18}پرایم بار-قابلیت تحمل را موثرتر از 718{21}gam{21}Gamma{18}پرایم حفظ می‌کند.

منبع: Special Metals Corporation، خزش معمولی-خزش پارگی، بولتن فنی Waspaloy SMC-011 (خزش دمای بالا-خزش و عملیات حرارتی تنش-پارگی بهینه).

خوانندگان باید توجه داشته باشند که استحکام گسیختگی و استحکام کششی/تسلیمی ویژگی‌های مرتبط اما متمایز هستند، بنابراین این مقایسه باید به‌جای یک معیار دقیق و منطبق، به‌طور جهت‌گیری خوانده شود، نکته این است که هر دو شکل، مستقل از ادبیات هر آلیاژ، به یک شکل نشان می‌دهند. برای طراحی دیسکی که حالت خرابی حاکم در آن خزش یا تنش-پارگی در دمای پایدار است (به جای خستگی چرخه کم یا اضافه بار کششی پایین)، این حفظ استحکام قوی‌ترین استدلال فنی برای انتخاب Waspaloy بیش از 718 در پنجره عملیات مشترک آنها است.

جوش و ساخت کدام آلیاژ راحت تر است؟

Inconel 718 یکی از قابل جوش‌پذیرترین سوپرآلیاژهای نیکل است، دقیقاً به این دلیل که گاما{2}}دو-به آهستگی در طول پیری شکل می‌گیرد و اجازه می‌دهد تا جوش‌ها در محلول-در شرایط آنیل شده بدون{5}ترک‌خوردگی ساخته شوند. در مقابل، Waspaloy به صراحت توسط Special Metals به‌عنوان ماده‌ای توصیف می‌شود که "به راحتی در خارج از شرایط بسیار کنترل‌شده قابل جوش نیست،" مستعد-رفتار کوتاه و کرنش{7}}ترک‌خوردگی سنی است، و باید فقط در شرایط درمان شده با محلول-با تمام اجزاء قبل از درمان مجدد{9}} جوش داده شود.

این مسلما بزرگترین تفاوت عملی بین این دو آلیاژ برای سازندگان و تعمیرگاه ها است. کرنش-ترک ناشی از سن زمانی اتفاق می‌افتد که یک رسوب تقویت‌کننده که به سرعت شکل می‌گیرد، سریع‌تر از آن‌چه که ماده بتواند آن را شل کند، در داخل و اطراف یک گرمای جوش و اطراف آن، تنش ایجاد می‌کند و در طول عملیات حرارتی که برای تقویت آن است، اتصال را ترک می‌کند.

گاما{0}}سینتیک بارش نسبتاً سریع گاما Waspaloy را واقعاً مستعد این حالت خرابی می‌کند، به همین دلیل است که Special Metals سریع‌ترین نرخ گرمایش عملی را برای محلول توصیه می‌کند-دمای بازپخت مخصوصاً برای به حداقل رساندن زمان صرف شده در کرنش-waspaloy استحکام{3} و سن بالا{3} پس از عملیات حرارتی آشکاراً کمتر از-مواد فرفورژه تیمار شده با حرارت- Special Metals مستقیماً توصیه می‌کند از قرار دادن جوش‌های Waspaloy در مکان‌های- با تنش بالا خودداری کنید. شکل‌گیری کندتر گاما-دبل-پرایم به 718 یک پنجره پردازش بسیار گسترده‌تر و بخشنده‌تر می‌دهد، دقیقاً به همان دلیلی که 718 محدوده دمایی گسترده{13}}پرده کاری{14}}در آهنگری را نشان می‌دهد، همانطور که در مقاله همراه در این مجموعه توضیح داده شده است.

ماشینکاری کدام آلیاژ راحت تر است؟

Waspaloy به صراحت توسط Special Metals به عنوان «در میان سخت‌ترها در ماشین‌کاری سوپرآلیاژها» معرفی می‌شود، در حالی که Inconel 718، اگرچه هنوز به طور قابل‌توجهی سخت‌تر از فولاد ضد زنگ است، اما عموماً به‌عنوان ماشین‌کاری‌پذیرتر از گاما-اولیه-آلیاژهای تقویت‌شده در سراسر آلیاژهای چندگانه مانند Wamulative در نظر گرفته می‌شود. عملیات ماشینکاری که یک دیسک توربین تمام شده معمولاً نیاز دارد.

تفاوت ماشین‌کاری در توالی کامل ساخت دیسک - ماشین‌کاری ناهموار پس از آهنگری، ماشین‌کاری نهایی پس از عملیات حرارتی، و هر کار مجدد بعدی - ترکیب می‌شود، بنابراین حتی یک تفاوت متوسط ​​در هر-عملکرد در عمر ابزار، سرعت برش، یا سطح قابل دستیابی به یک فاکتور کل معنی‌دار{3} هزینه کل زمان و سرب{{1} تبدیل می‌شود. این سختی ماشینکاری مستقیماً به همان کبالت و گاما-کسر حجمی اصلی متصل می‌شود که به Waspaloy مزیت استحکام دمایی بالا می‌دهد: خواصی که باعث می‌شود آلیاژ در برابر تغییر شکل در سرویس مقاومت کند، عمدتاً همان ویژگی‌هایی است که باعث می‌شود در مقابل حذف مواد در ماشین‌فروشی مقاومت کند.

چگونه دو آلیاژ در محدوده کار گرم-و جعل پذیری مقایسه می شوند؟

محدوده کار داغ Waspaloy (1,800-2,140 درجه فارنهایت) در باند دمایی مشابه Inconel 718 (1,650-2,050 درجه فارنهایت) قرار دارد، اما Waspaloy حالت‌های خرابی واضح‌تری را در هر دو انتهای C و زیر 10 درجه فارنهایت و پایین‌تر از 10 درجه فارنهایت دارد. کوتاهی گرم-بالای 2,150 درجه فارنهایت - و کار بسیار سریع سخت می‌شود، به همین دلیل است که معمولاً در طول عملیات شکل‌دهی سرد به بازپخت میانی نیاز است که 718 اغلب می‌تواند با وقفه‌های کمتر آن را تحمل کند.

منبع: Special Metals Corporation، آلیاژ INCONEL 718 و بولتن های فنی Waspaloy (SMC-045 و SMC-011).

چرخه‌های درمان استاندارد حرارتی{0}}چگونه مقایسه می‌شوند؟

عملیات حرارتی استاندارد Waspaloy شامل یک مرحله اضافی است.

منبع: Special Metals Corporation، آلیاژ INCONEL 718 و بولتن های فنی Waspaloy (SMC-045 و SMC-011).

مرحله تثبیت میانی Waspaloy برای رسوب دادن کاربیدهای مرزی دانه به روشی کنترل‌شده قبل از مرحله پیری وجود دارد که گامای حجیم-تقویت اولیه - را ایجاد می‌کند، یک انتخاب توالی که حساسیت به دانه‌های بعدی را کاهش می‌دهد-که می‌تواند حمله به نقطه مرزی واقعی در زمان سرویس را افزایش دهد، اما می‌تواند حمله به نقطه مرزی در زمان سرویس را افزایش دهد. این یک بیان دیگر از همان موضوع اساسی است که در این مقاله اجرا می‌شود: حفظ استحکام بالای دمای Waspaloy به قیمت فرآیند تولید باریک‌تر، کمتر بخشنده‌تر و با توالی سنگین‌تر خریداری می‌شود.

آیا محتوای کبالت در نظر گرفتن هزینه و تامین برای Waspaloy ایجاد می کند؟

بله - محتوای کبالت 12-15% Waspaloy یک تفاوت اصلی، ساختاری و هزینه-در زنجیره تامین با Inconel 718 است، که اساساً هیچ (1% حداکثر) ندارد. کبالت نسبت به نیکل، کروم یا مولیبدن، بازاری کوچکتر، از نظر جغرافیایی متمرکزتر و از نظر تاریخی قیمت{6}}بی ثبات تر است و حضور آن در درصد وزنی دو رقمی در Waspaloy پانوشت آلیاژی جزئی نیست.

این ادعایی در مورد حق بیمه فعلی خاص نیست، که با شرایط بازار کبالت در نوسان است و باید در برابر قیمت‌های فعلی کارخانه تأیید شود - این یک مشاهده ساختاری در مورد قرار گرفتن در معرض هزینه مواد اساسی دو آلیاژ است. تصمیم گیری در مورد مشخصات مواد بین 718 و Waspaloy تا حدی تصمیمی است در مورد اینکه چه مقدار از پایه هزینه قطعه تمام شده باید در معرض نوسانات بازار کبالت قرار گیرد تا بازارهای نیکل، کروم و مولیبدن نسبتاً پایدارتر که هر دو آلیاژ در غیر این صورت سهم دارند.

چه استانداردهایی بر هر آلیاژ برای تهیه دیسک توربین حاکم است؟

هر دو آلیاژ ASTM B637 را به‌عنوان یک میله مشترک و مشخصات ذخایر آهنگری-به اشتراک می‌گذارند، اما هر کدام دارای خانواده متمایز خود از مشخصات AMS هستند که منعکس‌کننده توالی‌های مختلف عملیات حرارتی- مجموعه‌ی مشخصات Waspaloy به صراحت محلول-ماده‌های تیمار شده A5 (6,8) را از 5 MS جدا می‌کند. کاملاً محلول-تثبیت شده-و{10}}مواد قدیمی (AMS 5704، AMS 5707، AMS 5709)، همان تقسیم منطقی که برای جفت AMS 5662/5663 Inconel 718 در یک مقاله همراه پوشش داده شده است.

منبع: شرکت فلزات ویژه، "محصولات و مشخصات موجود"، آلیاژ INCONEL 718 و بولتن های فنی Waspaloy.

کدام آلیاژ را برای یک برنامه دیسک توربین باید مشخص کنید؟

Inconel 718 را برای دیسک‌های کمپرسور، دیسک‌های فن، و-دیسک‌های توربین با دمای پایین‌تر مشخص کنید که در آن دمای عملیاتی به راحتی زیر 600{3}}650 درجه باقی می‌ماند، جایی که هزینه ساخت، جوش‌پذیری و ماشین‌کاری اهمیت دارد و کبالت{{5}در معرض هزینه بازار است. Waspaloy را مشخص کنید که در آن دیسک عملکرد پایدار را در محدوده 540-650 درجه می بیند و حفظ قدرت خزش/تنش پارگی در فواصل زمانی طولانی خدمات محرک طراحی حاکم است.

Inconel 718 را برای موارد زیر انتخاب کنید:کمپرسور، فن، و دیسک‌های توربین با دمای پایین‌تر-در محدوده خدمات پیوسته-718 به خوبی کار می‌کنند.

Inconel 718 را برای موارد زیر انتخاب کنید:دیسک‌ها یا سخت‌افزارهایی که به جوشکاری، تعمیر جوش یا ماشینکاری گسترده به عنوان بخشی از ساخت نیاز دارند.

Inconel 718 را برای موارد زیر انتخاب کنید:برنامه‌هایی که هزینه کمتر مواد و کاهش مواجهه با کبالت{0}}نوسان قیمت‌های بازار اولویت دارند.

Waspaloy را انتخاب کنید:دیسک‌های توربین و سخت‌افزار دوار در محدوده تقریباً 540-650 درجه کار می‌کنند که در آن قدرت خزش پایدار و گسیختگی استرس بر عمر دیسک حاکم است.

Waspaloy را انتخاب کنید:برنامه‌هایی که سازنده از روش‌های جوشکاری واجد شرایط و کاملاً کنترل‌شده برخوردار است که می‌توانند حساسیت ترک خوردگی کرنش Waspaloy{0}}را مدیریت کنند، یا در آن‌ها طراحی کاملاً از جوش‌کاری در مکان‌های{1}}با تنش زیاد جلوگیری می‌کند.

Waspaloy را انتخاب کنید:برنامه‌های موتور قدیمی و کارهای تعمیر/تعمیرات اساسی در جایی که Waspaloy واجد شرایط است، کشیدن-فرض-مواد و جایگزینی گزینه‌ای نیست.

برای داغ‌ترین موقعیت‌های دیسک توربین فراتر از محدوده عملی هر یک از آلیاژها، توجه داشته باشید که هر دو 718 و Waspaloy در جدیدترین طرح‌های موتور به طور قابل‌توجهی با -گامای متالورژی-پرایم/گاما{3}}دوبرابر-یادآوری بیش‌تر سوپرآلیاژهای دیسک به {5} تکمیل شده‌اند. دو-مقایسه آلیاژی یک انتخاب خوب-تثبیت شده و هنوز- مرتبط را توصیف می‌کند، نه کل منظره مواد دیسک توربین مدرن.

سوالات متداول

س: آیا Waspaloy از Inconel 718 قوی تر است؟

A: در دمای بالا و پایدار در محدوده عملکرد مشترک آنها، بله - گامای Waspaloy-فاز تقویت اولیه بار-قابلیت تحمل بار را با اطمینان بیشتری نسبت به گامای 718-دو-پرایم، که مستعد تبدیل شدن به فاز بدون زمان{6} است، حفظ می‌کند. در دمای اتاق، هر دو آلیاژ را می‌توان در شرایطی با استحکام بالا{8}}عملیات حرارتی کرد.

س: آیا واقعا Waspaloy در دماهای بالاتر از Inconel 718 کار می کند؟

A: نه به اندازه ای که معمولا برای دیسک های توربین فرض می شود. درپوش‌های ادبیات اختصاصی فلزات خاص Waspaloy در 650 درجه (1200 درجه فارنهایت) برای کاربردهای چرخشی حیاتی مانند دیسک‌ها، در مقابل سقف سرویس پیوسته 704 درجه (1300 درجه فارنهایت) 718. قابلیت 870 درجه (1600 درجه فارنهایت) Waspaloy که اغلب ذکر می‌شود، در مورد برنامه‌های کاربردی کمتر{14} و غیر چرخشی، نه دیسک‌های توربین کاربرد دارد.

س: چرا جوشکاری Inconel 718 راحت تر از Waspaloy است؟

A: فاز تقویتی اولیه گامای-دو-718 به آرامی در طول پیری شکل می‌گیرد، بنابراین می‌توان در شرایط بازپخت شده در محلول-بدون ترک خوردگی در طی عملیات حرارتی بعدی، جوش ایجاد کرد. گامای Waspaloy{5}}فاز اولیه بسیار سریع‌تر تشکیل می‌شود و آلیاژ را مستعد کرنش-ترک‌خوردگی ناشی از سن می‌کند. فلزات خاص بیان می کند Waspaloy به راحتی در خارج از شرایط کنترل شده به دقت قابل جوش نیست و باید فقط در شرایط درمان شده با محلول جوش داده شود، و بعد از آن، کل جزء مجدداً-محلول جوش داده شود.

س: آیا Waspaloy گرانتر از Inconel 718 است؟

A: محتوای 12-15 درصدی کبالت Waspaloy (در مقابل 718 اساساً کبالت-شیمی رایگان) یک تفاوت ساختاری در هزینه و زنجیره عرضه-است، زیرا کبالت یک بازار کوچکتر و با نوسان قیمت بیشتر از نیکل یا کروم است. همراه با ماشینکاری دشوارتر Waspaloy و الزامات ساخت سخت تر، معمولاً هزینه کل تحویل بالاتری را به همراه دارد، اگرچه حق بیمه دقیق باید در برابر قیمت فعلی بازار تأیید شود.

س: آیا می توان از Inconel 718 به عنوان جایگزین مستقیم Waspaloy در دیسک توربین استفاده کرد؟

A: به صورت خودکار نیست. در حالی که ساخت 718 آسان‌تر و ارزان‌تر است، سقف دمای سرویس مداوم و حفظ استحکام دمای بالا با Waspaloy متفاوت است، و تعویض دیسک توربین نیاز به صلاحیت مجدد مهندسی کامل در برابر دما، استرس، و خدمات-مورد نیازهای عمر موتور خاص {- نه فقط برای مواد مشابه دارد.

س: ماشینکاری کدام آلیاژ راحت تر است، Inconel 718 یا Waspaloy؟

A: اینکونل 718 به طور کلی ماشینکاری پذیرتر در نظر گرفته می شود. Special Metals صراحتا Waspaloy را به عنوان یکی از سخت‌ترین سوپرآلیاژها برای ماشین‌کاری توصیف می‌کند که نتیجه مستقیم همان محتوای کبالت و گاما{2}}کسر حجمی اصلی است که به آن استحکام دمایی بالاتر{3}} می‌دهد.