Inconel 718 vs Waspaloy: Nikkel Superlegering Valg til Turbine Disk-applikationer

Hvad er Inconel 718 og Waspaloy, og hvordan adskiller deres styrkelsesmekanismer sig?

Begge legeringer er udfældnings-hærdede nikkel-superlegeringer, men de udvikler deres styrke fra forskellige intermetalliske faser: Inconel 718's niobiumindhold danner gamma-dobbelt-prime (Ni3Nb), et metastabilt legeme-centreret-tetragonal- og tetragonalfase, mens en klassisk titaniumfase gamma-prime (Ni3(Al,Ti)), en termisk stabil flade-centreret-kubisk fase - og denne enkelte kemiforskel er grundårsagen til næsten alle andre forskelle, der er dækket i denne artikel.

Kilde: Special Metals Corporation nominelle sammensætningsdata for INCONEL legering 718 og Waspaloy tekniske bulletiner (SMC-045 og SMC-011).

Den mest synlige kemiforskel er Waspaloys betydelige koboltindhold (12-15 %) mod 718s væsentlige fravær af kobolt (1 % maksimum) - kobolt hæver den temperatur, hvor gamma-prime forbliver stabil og sænker dens forgrovning, hvilket er en del af grunden til, at Waspaloy holder sig bedre ved høj temperatur.

Fraværet af niobium i Waspaloy, og det tilsvarende fravær af betydeligt aluminium og titanium i 718, er den anden definerende opdeling: 718 blev bevidst konstrueret omkring gamma-dobbelt-prime, specifikt fordi den fase dannes langsommere under ældning, hvilket (som senere sektioner af fremragende kilder forklarer) er den direkte 718's direkte evne.

Hvilken legering har den højeste maksimale driftstemperatur for turbinediskapplikationer?

Afstanden er mindre end almindeligt antaget for det specifikke tilfælde af turbineskiver: Special Metals' egen Inconel 718-litteratur angiver, at legeringen forbliver nyttig kontinuerligt til omkring 704 grader (1.300 grader F), mens dens egen Waspaloy-litteratur dækker kritiske roterende applikationer - den nøjagtige kategori turbineskiver falder ind under {{50} graders (1,60 grader F), varpalo-grad (1,6}), højere, ofte-angivet 870 grader (1.600 grader F) loft specifikt til andre, mindre krævende, ikke-roterende applikationer.

Kilde: Special Metals Corporation, INCONEL legering 718 og Waspaloy tekniske bulletiner (SMC-045 og SMC-011).

Dette er en virkelig nyttig rettelse til en almindelig oversimplifikation. Meget af den sekundære litteratur, der sammenligner disse to legeringer, siger klart og tydeligt, at "Waspaloy håndterer højere temperaturer end 718", med henvisning til tallet på 870 grader uden kvalifikationen, at dette loft gælder for ikke-roterende hardware, ikke turbine- og kompressorskiverne, som denne artikel specifikt handler om.

For selve diskapplikationen placerer begge legerings egen producentlitteratur det kontinuerlige-serviceloft inden for ca. 50 grader fra hinanden. Den mere nøjagtige og mere nyttige indramning er ikke "Waspaloy kører varmere", men "Waspaloy bevarer mere styrke inden for det temperaturområde, begge legeringer kan tolerere" -, som er emnet for de næste to afsnit.

Hvorfor bevarer Gamma-Prime styrke bedre end Gamma-Dobbelt-Prime ved vedvarende høj temperatur?

Gamma-dobbelt-prime er en metastabil fase, der gradvist omdannes til ortorombisk deltafase (også Ni3Nb, men ikke-styrkende) under langvarig eksponering for høje-temperaturer, som gradvist svækkes 718; gamma-prime gennemgår ikke en tilsvarende transformation og bliver i stedet ganske enkelt grovere, hvilket er grunden til, at gamma-prime-forstærkede legeringer som Waspaloy generelt giver bedre mikrostrukturel stabilitet under længerevarende forhøjede-temperaturer.

Denne sondring forklarer, hvorfor 718's maksimale driftstemperatur er beskrevet i form af en fasetransformationstærskel, mens Waspaloys er beskrevet mere i form af oxidationsmodstand og kortsigtet-styrkeretention - de to legeringer nærmer sig deres grænser gennem virkelig forskellige fejlmekanismer. Det forklarer også, hvorfor 718 aldrig var beregnet til at konkurrere med gamma-prime-legeringer på de allervarmeste punkter i en gasturbines varme sektion; 718's reelle konkurrencefordel ligger i temperaturområdet under dens delta-transformationstærskel, hvor dens kombination af styrke, svejsbarhed og omkostninger overgår alternativer, ikke i at matche Waspaloy eller nyere pulver-metallurgiskivelegeringsgrad-for-grader ved de højeste skivefælgetemperaturer.

Hvordan er de to legeringer sammenlignet med hensyn til krybning og stress-Rupturstyrke?

Waspaloys publicerede 1.000{{10}timers brudstyrke falder fra 89 ksi (615 MPa) ved 1.200 grader F ned til 16 ksi (110 MPa) ved 1.600 grader F -, og fordi Special Metals' egen patent- og produktlitteratur separat bekræfter både Inconel 5iels og 5ielstyrken. ksi ved 1.600 grader F er den generelle retning klar, selv uden en perfekt matchet side-side-test: Inden for det delte driftsområde bevarer Waspaloys gamma-prime belastningsevnen- mere effektivt end 718's gamma{21}.

Kilde: Special Metals Corporation, typiske krybe-brudegenskaber, Waspaloy teknisk bulletin SMC-011 (optimal høj-temperatur krybning og spændingsbrud varmebehandling).

Læsere bør bemærke, at brudstyrke og træk-/flydestyrke er relaterede, men forskellige egenskaber, så denne sammenligning bør læses retningsbestemt snarere end som et præcist, matchet benchmark - pointen er, at begge figurer, tegnet uafhængigt af hver legerings egen litteratur, peger den samme vej. For et diskdesign, hvor den styrende fejltilstand er krybning eller stress-brud ved vedvarende temperatur (snarere end lav-cyklustræthed eller trækoverbelastning), er denne fastholdelse af styrke det stærkeste tekniske argument for at vælge Waspaloy frem for 718 inden for deres delte driftsvindue.

Hvilken legering er nemmere at svejse og fremstille?

Inconel 718 er en af ​​de mest svejsbare alders-hærdelige nikkel-superlegeringer, netop fordi gamma-dobbelt-prime dannes langsomt under ældning, hvilket gør det muligt at lave svejsninger i opløsningen-udglødet tilstand uden for-revner; Waspaloy er derimod eksplicit beskrevet af Special Metals som et materiale, der "ikke let kan svejses uden for meget omhyggeligt kontrollerede omstændigheder", udsat for varm-kort opførsel og belastnings-aldersrevner, og må kun svejses i den-opløsningsbehandlede tilstand med hele komponentens re-opløsning behandlet efterfølgende før service.

Dette er uden tvivl den største praktiske forskel mellem de to legeringer til fabrikanter og værksteder. Strain-aldersrevnedannelse opstår, når et hurtigt dannende forstærkende bundfald udvikler stress i og omkring en svejsevarme-berørt zone hurtigere, end materialet kan afslappe det, og revner samlingen under selve varmebehandlingen, der skal styrke den.

Gamma-primes forholdsvis hurtige udfældningskinetik gør Waspaloy virkelig modtagelig for denne fejltilstand, hvilket er grunden til, at Special Metals anbefaler den hurtigste praktiske opvarmningshastighed til løsningen-udglødningstemperatur specifikt for at minimere tidsforbruget i belastningen-alder-alder-hvorfor varmebehandlingsområdet{4} er styrke efter varmebehandling{4} udtrykkeligt lavere end for varme-behandlet smedemateriale - Special Metals fraråder direkte at placere Waspaloy-svejsninger på steder med høj-belastning. Gamma-dobbelt-primers langsommere dannelse giver 718 et meget bredere, mere tilgivende behandlingsvindue af nøjagtig samme grund. 718 viser et bredt, tilgivende varmt-arbejdende efterbehandlings-temperaturområde i smedning, som beskrevet i en ledsagende artikel i denne serie.

Hvilken legering er nemmest at bearbejde?

Waspaloy er udtrykkeligt identificeret af Special Metals som "blandt de sværere af superlegeringerne at bearbejde", mens Inconel 718, selvom det stadig er væsentligt sværere at bearbejde end rustfrit stål, generelt anses for at være mere bearbejdeligt end gamma-prime-forstærkede legeringer som Waspaloy - en reel omkostningsfuld drift på tværs af turbineskive typisk kræver.

Forskelle i bearbejdning er sammensat på tværs af en disks fulde fremstillingssekvens - groft bearbejdning efter smedning, færdigbearbejdning efter varmebehandling og enhver efterfølgende efterbearbejdning -, så selv en moderat forskel pr.-drift i værktøjslevetid, skærehastighed eller opnåelig overfladefinish bliver en meningsfuld totalomkostnings- og lead-tidsfaktor{{3}. Denne bearbejdningsvanskelighed er direkte forbundet med den samme kobolt- og gamma-prime volumenfraktion, som giver Waspaloy dens forhøjede-temperaturstyrkefordel: egenskaberne, der får legeringen til at modstå deformation under brug, er stort set de samme egenskaber, som gør, at den modstår materialefjernelse i maskinværkstedet.

Hvordan er de to legeringer sammenlignet med hensyn til varme-arbejdsområde og smedbarhed?

Waspaloys varme-arbejdsområde (1.800-2.140 grader F) ligger på et tilsvarende høj temperaturbånd som Inconel 718's (1.650-2.050 grader F), men Waspaloy har skarpere fejltilstande i begge ender - mulige revner - under 1,80 grader F over 2.150 grader F - og arbejdshærder meget hurtigt, hvorfor der normalt kræves mellemudglødning under koldformningsoperationer, som 718 ofte kan tåle med færre afbrydelser.

Kilde: Special Metals Corporation, INCONEL legering 718 og Waspaloy tekniske bulletiner (SMC-045 og SMC-011).

Hvordan sammenligner standardvarme-behandlingscyklusserne?

Waspaloys standardvarmebehandling involverer et yderligere trin 718 kræver ikke - en stabiliseringsudglødning mellem opløsningsbehandling og ældning -, hvilket gør Waspaloys proces både længere og mere sekvens-følsom, i overensstemmelse med dens større modtagelighed for belastningsrelateret- revner, hvis tidsplanen ikke følges præcist.

Kilde: Special Metals Corporation, INCONEL legering 718 og Waspaloy tekniske bulletiner (SMC-045 og SMC-011).

Waspaloys mellemliggende stabiliseringstrin eksisterer for at udfælde korn-grænsekarbider på en kontrolleret måde, før ældningstrinnet udvikler bulk gamma-prime forstærkning - et sekventeringsvalg, der reducerer følsomheden over for efterfølgende korn-grænseangreb i tjenesten, men tilføjer et reelt tidspunkt i tjenesten, men tilføjer en yderligere proces. Dette er endnu et udtryk for det samme underliggende tema, der løber gennem denne artikel: Waspaloys overlegne fastholdelse af høj-temperaturstyrke er købt på bekostning af en smallere, mindre tilgivende, mere tungt sekvenseret fremstillingsproces.

Skaber koboltindhold en omkostnings- og leveringsovervejelse for Waspaloy?

Ja - Waspaloys 12-15 % koboltindhold er en ægte, strukturel omkostnings- og forsyningskædeforskel fra Inconel 718, som stort set ikke indeholder nogen (maksimalt 1 %); kobolt er et mindre, mere geografisk koncentreret og historisk mere pris-marked end nikkel, krom eller molybdæn, og dets tilstedeværelse på tocifrede vægtprocent i Waspaloy er ikke en mindre legeringsfodnote.

Dette er ikke en påstand om en specifik aktuel prispræmie, som svinger med koboltmarkedsforhold og bør bekræftes i forhold til aktuelle møllepriser - det er en strukturel observation om de to legerings underliggende materialeomkostningseksponering. En materialespecifikationsbeslutning mellem 718 og Waspaloy er til dels en beslutning om, hvor meget af den færdige dels omkostningsbase, der skal udsættes for koboltmarkedsvolatilitet frem for de forholdsvis mere stabile nikkel-, krom- og molybdænmarkeder, som begge legeringer ellers deler.

Hvilke standarder regulerer hver enkelt legering til indkøb af turbineskiver?

Begge legeringer deler ASTM B637 som en fælles stang- og smednings-lagerspecifikation, men hver har sin egen særskilte familie af AMS-specifikationer, der afspejler deres forskellige varme-behandlingssekvenser - Waspaloys specifikationssæt adskiller eksplicit løsning-behandlet-kun MS-materiale (70,8) fra fuldstændigt materiale (6,8) løsning-stabiliseret-og-ældet materiale (AMS 5704, AMS 5707, AMS 5709), den samme logiske opdeling dækket af Inconel 718's AMS 5662/5663-par i en ledsagende artikel.

Kilde: Special Metals Corporation, "Available Products and Specifications", INCONEL legering 718 og Waspaloy tekniske bulletiner.

Hvilken legering skal du specificere til en turbineskiveapplikation?

Angiv Inconel 718 til kompressorskiver, blæserskiver og turbineskiver med lavere-temperatur, hvor driftstemperaturerne forbliver behageligt under ca. 600-650 grader, hvor fremstillingsomkostninger, svejsbarhed og bearbejdelighed har betydning, og hvor eksponering for kobolt-markedsomkostninger er et problem; specificer Waspaloy, hvor disken ser vedvarende drift i området 540-650 grader, og fastholdelse af krybe-/spændingsbrudstyrke over lange serviceintervaller er den styrende designdriver.

Vælg Inconel 718 til:Kompressor, blæser og turbineskiver med lavere-temperatur, der fungerer godt inden for 718's kontinuerlige-serviceområde.

Vælg Inconel 718 til:Diske eller hardware, der vil kræve svejsning, svejsereparation eller omfattende bearbejdning som en del af fremstillingen.

Vælg Inconel 718 til:Programmer, hvor lavere materialeomkostninger og reduceret eksponering for kobolt-udsving i markedspriserne er prioriterede.

Vælg Waspaloy til:Turbineskiver og roterende hardware, der arbejder i området omkring 540-650 grader, hvor vedvarende krybning og spændingsbrudsstyrke styrer skivens levetid.

Vælg Waspaloy til:Applikationer, hvor fabrikanten har kvalificerede, stramt kontrollerede svejseprocedurer, der er i stand til at håndtere Waspaloys belastnings-aldersrevnefølsomhed, eller hvor designet helt undgår svejsninger på steder med høje-belastninger.

Vælg Waspaloy til:Ældre motorprogrammer og reparations-/eftersynsarbejde, hvor Waspaloy er den kvalificerede, er udtrækning-udkaldt-materiale og erstatning ikke en mulighed.

Bemærk, at både 718 og Waspaloy er blevet væsentligt suppleret i de nyeste motordesigns med pulver-metallurgi-gamma-prime/gamma-dobbelt-prime-superlegeringer, der er udviklet specifikt for at skubbe denne{5} to-kompatibilitet yderligere {6}, {6} beskriver et vel-etableret, stadig-relevant valg, ikke hele det moderne landskab af turbineskivematerialer.

Ofte stillede spørgsmål

Q: Er Waspaloy stærkere end Inconel 718?

A: Ved vedvarende forhøjet temperatur inden for deres delte driftsområde, ja, - Waspaloy's gamma-prime-forstærkningsfase bevarer belastnings-bærende kapacitet mere pålideligt end 718's gamma-dobbelt-prime, som er tilbøjelig til at forvandle sig til den ikke-{{6}-delta-fase over tid. Ved stuetemperatur kan begge legeringer varmebehandles til stort set sammenlignelige betingelser med høj-styrke.

Q: Fungerer Waspaloy virkelig ved højere temperaturer end Inconel 718?

A: Ikke så meget som det almindeligvis antages specifikt for turbineskiver. Special Metals egne litteraturhætter Waspaloy ved 650 grader (1.200 grader F) til kritiske roterende applikationer som diske, kontra 718's 704 graders (1.300 grader F) kontinuerlige- serviceloft. Waspaloys ofte-angivne 870 graders (1.600 grader F) kapacitet gælder for mindre krævende, ikke{14}}roterende applikationer, ikke turbineskiver.

Q: Hvorfor er Inconel 718 lettere at svejse end Waspaloy?

A: 718's gamma-dobbelte-prime forstærkningsfase dannes langsomt under ældning, så svejsninger kan udføres i opløsnings-udglødet tilstand uden at revne under efterfølgende varmebehandling. Waspaloys gamma-prime fase dannes meget hurtigere, hvilket gør legeringen tilbøjelig til at spænde-aldersrevner; Specielle metaller angiver, at Waspaloy ikke er let svejselig uden omhyggeligt kontrollerede omstændigheder og må kun svejses i den-opløsningsbehandlede tilstand, hvor hele komponentopløsningen skal behandles efterfølgende.

Q: Er Waspaloy dyrere end Inconel 718?

A: Waspaloys 12-15 % koboltindhold (i forhold til 718's i det væsentlige kobolt-fri kemi) er en strukturel omkostnings- og forsyningskædeforskel, da kobolt er et mindre, mere pris-volatilt marked end nikkel eller krom. Kombineret med Waspaloys vanskeligere bearbejdning og mere krævende fremstillingskrav, medfører det generelt en højere samlede leveringsomkostninger, selvom nøjagtige præmier bør bekræftes i forhold til nuværende markedspriser.

Q: Kan Inconel 718 bruges som en direkte erstatning for Waspaloy i en turbineskive?

A: Ikke automatisk. Mens 718 er nemmere og billigere at fremstille, adskiller dens kontinuerlige-driftstemperaturloft og forhøjede-temperaturstyrkefastholdelse sig fra Waspaloys, og turbineskiveudskiftninger kræver fuld teknisk genkvalificering i forhold til den specifikke motors temperatur, spænding og-levetid - ikke bare et lignende-materiale{{7}wap.

Q: Hvilken legering er lettere at bearbejde, Inconel 718 eller Waspaloy?

A: Inconel 718 anses generelt for at være mere bearbejdelig. Special Metals beskriver eksplicit Waspaloy som blandt de sværeste af superlegeringerne at bearbejde, en direkte konsekvens af det samme koboltindhold og gamma-prime volumenfraktion, som giver den overlegen forhøjet-temperaturstyrke.