Inconel 718 vs Waspaloy: selezione di superleghe di nichel per applicazioni su dischi di turbine

Cosa sono l'Inconel 718 e il Waspaloy e in cosa differiscono i loro meccanismi di rafforzamento?

Entrambe le leghe sono superleghe di nichel indurite per precipitazione-, ma sviluppano la loro resistenza da diverse fasi intermetalliche: il contenuto di niobio dell'Inconel 718 forma gamma-doppio-prime (Ni3Nb), una fase tetragonale a corpo metastabile-centrato-, mentre il contenuto di alluminio e titanio di Waspaloy forma la classica gamma-prime (Ni3(Al,Ti)), una faccia termicamente stabile-centrata-fase cubica - e questa singola differenza chimica è la causa principale di quasi tutte le altre distinzioni trattate in questo articolo.

Fonte: dati sulla composizione nominale della Special Metals Corporation per i bollettini tecnici della lega INCONEL 718 e Waspaloy (SMC-045 e SMC-011).

La differenza chimica più visibile è il sostanziale contenuto di cobalto di Waspaloy (12-15%) contro la sostanziale assenza di cobalto di 718 (1% massimo). - Il cobalto aumenta la temperatura alla quale gamma-prime rimane stabile e rallenta il suo ingrossamento, il che è parte del motivo per cui Waspaloy regge meglio a temperature elevate e prolungate.

L'assenza di niobio nel Waspaloy, e la corrispondente assenza di una quantità significativa di alluminio e titanio nel 718, è l'altra suddivisione determinante: il 718 è stato deliberatamente progettato attorno alla gamma-doppio-prime proprio perché quella fase si forma più lentamente durante l'invecchiamento, che (come spiegato nelle sezioni successive) è la fonte diretta dell'eccellente saldabilità del 718.

Quale lega ha la temperatura di servizio massima più elevata per le applicazioni con dischi di turbine?

Il divario è inferiore a quanto comunemente ipotizzato per il caso specifico dei dischi di turbina: la letteratura Inconel 718 di Special Metals afferma che la lega rimane utile ininterrottamente fino a circa 704 gradi (1.300 gradi F), mentre la letteratura stessa su Waspaloy limita le applicazioni rotanti critiche - la categoria esatta dei dischi di turbina rientra in - a 650 gradi (1.200 gradi F), riservando quella di Waspaloy più alta, spesso- citata Soffitto a 870 gradi (1.600 gradi F) specifico per altre applicazioni meno impegnative e non rotanti.

Fonte: Special Metals Corporation, bollettini tecnici INCONEL lega 718 e Waspaloy (SMC-045 e SMC-011).

Questa è una correzione veramente utile ad una semplificazione eccessiva comune. Gran parte della letteratura secondaria che confronta queste due leghe afferma categoricamente che "Waspaloy sopporta temperature più elevate di 718", citando la cifra di 870 gradi senza la qualificazione che questo limite si applica all'hardware non-rotante, non ai dischi della turbina e del compressore di cui questo articolo si occupa specificamente.

Per l'applicazione del disco in sé, la documentazione dei produttori di entrambe le leghe colloca il limite di servizio continuo- entro circa 50 gradi l'uno dall'altro. L'inquadramento più accurato e più utile non è "Waspaloy diventa più caldo" ma "Waspaloy mantiene più resistenza nell'intervallo di temperature che entrambe le leghe possono tollerare" - che è l'argomento delle due sezioni successive.

Perché Gamma-Prime mantiene la resistenza meglio di Gamma-raddoppia-Prime a temperature elevate prolungate?

Gamma-double-prime è una fase metastabile che si trasforma gradualmente in fase delta ortorombica (anche Ni3Nb, ma non-rinforzante) durante un'esposizione prolungata alle alte-temperature, indebolendo progressivamente 718; gamma-prime non subisce una trasformazione equivalente e invece semplicemente si ingrossa più lentamente, motivo per cui le leghe rinforzate gamma-prime-come Waspaloy generalmente offrono una migliore stabilità microstrutturale durante un servizio prolungato a temperature elevate-.

Questa distinzione spiega perché la temperatura di servizio massima del 718 è descritta in termini di soglia di trasformazione di fase, mentre quella di Waspaloy è descritta più in termini di resistenza all'ossidazione e mantenimento della resistenza a breve-termine - le due leghe si stanno avvicinando ai propri limiti attraverso meccanismi di cedimento realmente diversi. Spiega anche perché il 718 non è mai stato concepito per competere con le leghe gamma-prime nei punti più caldi della sezione calda di una turbina a gas; Il vero vantaggio competitivo del 718 risiede nell'intervallo di temperature al di sotto della soglia di trasformazione delta-, dove la sua combinazione di resistenza, saldabilità e costo supera le alternative, non nel corrispondere al Waspaloy o alle più recenti leghe per dischi metallurgiche in polvere-grado-per-grado alle temperature più elevate del bordo del disco.

Come si confrontano le due leghe in termini di resistenza al creep e alla sollecitazione-alla rottura?

La resistenza alla rottura a 1.000-ora pubblicata da Waspaloy scende da 89 ksi (615 MPa) a 1.200 gradi F fino a 16 ksi (110 MPa) a 1.600 gradi F - e poiché il brevetto e la letteratura sui prodotti di Special Metals confermano separatamente che lo snervamento e la resistenza alla trazione di Inconel 718 scendono entrambi al di sotto di 50 ksi a 1.600 gradi F, la direzione generale è chiara anche senza un test-by-side perfettamente abbinato: all'interno dell'intervallo operativo condiviso, la gamma-prime di Waspaloy mantiene la capacità di carico-in modo più efficace della gamma-double-prime di 718.

Fonte: Special Metals Corporation, proprietà tipiche di scorrimento-rottura, bollettino tecnico Waspaloy SMC-011 (trattamento termico ottimale di scorrimento ad alta-temperatura e rottura da sollecitazione).

I lettori dovrebbero notare che la resistenza alla rottura e la resistenza alla trazione/snervamento sono proprietà correlate ma distinte, quindi questo confronto dovrebbe essere letto in modo direzionale piuttosto che come un punto di riferimento preciso e abbinato - il punto è che entrambe le cifre, tratte indipendentemente dalla letteratura di ciascuna lega, puntano nella stessa direzione. Per un progetto di disco in cui la modalità di guasto determinante è lo scorrimento o la rottura da stress-a temperatura sostenuta (piuttosto che un basso-fatica ciclica o sovraccarico da trazione), questo mantenimento della resistenza è l'unico argomento tecnico più forte per scegliere Waspaloy rispetto a 718 all'interno della loro finestra operativa condivisa.

Quale lega è più facile da saldare e fabbricare?

Inconel 718 è una delle superleghe di nichel più saldabili-induribili con l'invecchiamento proprio perché la gamma-double-prime si forma lentamente durante l'invecchiamento, consentendo di effettuare saldature in condizioni di solubilizzazione-ricottura senza pre-fessurazione; Waspaloy, al contrario, è esplicitamente descritto da Special Metals come un materiale "non facilmente saldabile al di fuori di circostanze attentamente controllate", incline al-comportamento breve a caldo e alle fessurazioni-da invecchiamento, e deve essere saldato solo nella condizione di soluzione-trattata con l'intera soluzione del componente trattata successivamente prima della manutenzione.

Questa è probabilmente la più grande differenza pratica tra le due leghe per produttori e officine di riparazione. Le rotture da tensione- si verificano quando un precipitato rinforzante che si forma rapidamente sviluppa tensione all'interno e attorno a una zona interessata dal calore della saldatura- più velocemente di quanto il materiale possa rilassarlo, rompendo il giunto durante lo stesso trattamento termico inteso a rinforzarlo.

La cinetica di precipitazione relativamente veloce di Gamma-prime rende Waspaloy veramente suscettibile a questa modalità di guasto, motivo per cui Special Metals consiglia la velocità di riscaldamento pratica più rapida alla temperatura di ricottura della soluzione-specificamente per ridurre al minimo il tempo trascorso nell'intervallo soggetto a sollecitazioni-età-fessurazione-e perché la resistenza della saldatura di Waspaloy dopo il trattamento termico è esplicitamente inferiore a quella del materiale lavorato-trattato termicamente - Special Metals sconsiglia direttamente di posizionare saldature Waspaloy in punti- ad alto stress. La formazione più lenta di Gamma-double-prime conferisce al 718 una finestra di lavorazione molto più ampia e più tollerante, esattamente per lo stesso motivo. 718 mostra un ampio e tollerante intervallo di temperature di finitura-di lavorazione a caldo-di lavoro a caldo, come trattato in un articolo associato in questa serie.

Quale lega è più facile da lavorare?

Waspaloy è esplicitamente identificato da Special Metals come "tra le superleghe più difficili da lavorare", mentre Inconel 718, sebbene ancora sostanzialmente più difficile da lavorare dell'acciaio inossidabile, è generalmente considerato più lavorabile delle leghe rinforzate gamma-prime- come Waspaloy - un fattore di costo reale e cumulativo per le molteplici operazioni di lavorazione normalmente richieste da un disco di turbina finito.

Le differenze di lavorabilità si accumulano nell'intera sequenza di produzione di un disco - lavorazione di sgrossatura dopo forgiatura, lavorazione di finitura dopo trattamento termico e qualsiasi rilavorazione successiva - quindi anche una moderata differenza per-operazione nella durata dell'utensile, nella velocità di taglio o nella finitura superficiale ottenibile diventa un costo totale significativo e un fattore di lead-tempo su un disco completo. Questa difficoltà di lavorazione è direttamente collegata alla stessa frazione di volume di cobalto e gamma{5}}prime che conferisce a Waspaloy il suo elevato vantaggio di resistenza-alla temperatura: le proprietà che rendono la lega resistente alla deformazione durante il servizio sono in gran parte le stesse proprietà che la rendono resistente alla rimozione di materiale in officina.

Come si confrontano le due leghe in termini di intervallo di-lavoro a caldo e forgiabilità?

L'intervallo di funzionamento a caldo-di Waspaloy (1.800-2.140 gradi F) si trova in una fascia di temperatura altrettanto elevata di quella dell'Inconel 718 (1.650-2.050 gradi F), ma Waspaloy presenta modalità di guasto più marcate su entrambe le estremità - possibili rotture sotto i 1.800 gradi F e brevità a caldo-sopra 2.150 gradi F - e indurisce molto rapidamente, motivo per cui durante le operazioni di formatura a freddo è normalmente necessaria una ricottura intermedia che 718 può spesso tollerare con meno interruzioni.

Fonte: Special Metals Corporation, bollettini tecnici INCONEL lega 718 e Waspaloy (SMC-045 e SMC-011).

Come si confrontano i cicli di trattamento termico-standard?

Il trattamento termico standard di Waspaloy prevede un passaggio aggiuntivo 718 che non richiede - una ricottura di stabilizzazione tra il trattamento in soluzione e l'invecchiamento - rendendo il processo di Waspaloy più lungo e più sensibile alla sequenza-, coerente con la sua maggiore suscettibilità alle cricche legate alla deformazione-se il programma non viene seguito esattamente.

Fonte: Special Metals Corporation, bollettini tecnici INCONEL lega 718 e Waspaloy (SMC-045 e SMC-011).

La fase di stabilizzazione intermedia di Waspaloy esiste per far precipitare i carburi al-bordo del grano in modo controllato prima che la fase di invecchiamento sviluppi il rafforzamento gamma-prime in massa - una scelta di sequenziamento che riduce la sensibilità al successivo attacco al bordo del grano-in servizio ma aggiunge tempo di elaborazione reale e un ulteriore punto in cui il programma può essere sbagliato. Questa è un'ulteriore espressione dello stesso tema di fondo che attraversa questo articolo: la superiore resistenza alle alte-temperature di Waspaloy viene acquistata al costo di un processo di produzione più stretto, meno tollerante e con sequenze più pesanti.

Il contenuto di Cobalt crea un corrispettivo in termini di costi e fornitura per Waspaloy?

Sì, - il contenuto di cobalto del 12-15% di Waspaloy rappresenta una reale differenza strutturale in termini di costi e catena di fornitura-rispetto all'Inconel 718, che essenzialmente non ne contiene alcuno (1% massimo); il cobalto è un mercato più piccolo, più concentrato geograficamente e storicamente più volatile-in termini di prezzo rispetto al nichel, al cromo o al molibdeno, e la sua presenza con una percentuale in peso a due cifre in Waspaloy non è una nota a piè di pagina di lega minore.

Questa non è un'affermazione relativa a uno specifico premio di prezzo attuale, che fluttua con le condizioni del mercato del cobalto e dovrebbe essere confermato rispetto alle quotazioni correnti dello stabilimento - si tratta di un'osservazione strutturale sull'esposizione ai costi dei materiali sottostanti delle due leghe. Una decisione sulle specifiche del materiale tra 718 e Waspaloy è, in parte, una decisione su quanta base di costo del pezzo finito dovrebbe essere esposta alla volatilità del mercato del cobalto piuttosto che ai mercati comparativamente più stabili di nichel, cromo e molibdeno che entrambe le leghe altrimenti condividono.

Quali standard regolano ciascuna lega per l'approvvigionamento dei dischi delle turbine?

Entrambe le leghe condividono l'ASTM B637 come specifica comune per barra e materiale forgiato-, ma ciascuna porta una propria famiglia distinta di specifiche AMS che riflette le diverse sequenze di trattamento termico-. - Il set di specifiche di Waspaloy separa esplicitamente il materiale solo in soluzione-trattato- (AMS 5706, AMS 5708) da quello completamente soluzione-stabilizzato-e-materiale invecchiato (AMS 5704, AMS 5707, AMS 5709), la stessa suddivisione logica trattata per la coppia AMS 5662/5663 di Inconel 718 in un articolo complementare.

Fonte: Special Metals Corporation, "Prodotti disponibili e specifiche", bollettini tecnici INCONEL lega 718 e Waspaloy.

Quale lega dovresti specificare per un'applicazione per dischi di turbine?

Specificare Inconel 718 per dischi di compressori, dischi di ventole e dischi di turbine a temperature inferiori-dove le temperature di esercizio rimangono comodamente al di sotto di circa 600-650 gradi, dove i costi di fabbricazione, la saldabilità e la lavorabilità sono importanti e dove l'esposizione ai costi di mercato del cobalto-è un problema; specificare Waspaloy dove il disco prevede un funzionamento prolungato nell'intervallo di 540-650 gradi e il mantenimento della resistenza allo scorrimento/stress-rottura su lunghi intervalli di manutenzione è il fattore determinante della progettazione.

Scegli Inconel 718 per:Il compressore, la ventola e i dischi della turbina a temperatura inferiore-funzionano bene entro il raggio di servizio continuo-del 718.

Scegli Inconel 718 per:Dischi o hardware che richiederanno saldature, riparazioni di saldature o lavorazioni meccaniche estese come parte della fabbricazione.

Scegli Inconel 718 per:Programmi in cui i minori costi dei materiali e la ridotta esposizione alla volatilità dei prezzi di mercato del cobalto-sono priorità.

Scegli Waspaloy per:Dischi di turbine e hardware rotante che operano nell'intervallo di circa 540-650 gradi, dove la resistenza allo scorrimento continuo e alla rottura da stress governa la durata del disco.

Scegli Waspaloy per:Applicazioni in cui il produttore dispone di procedure di saldatura qualificate e rigorosamente controllate in grado di gestire la sensibilità alla rottura da deformazione di Waspaloy-per invecchiamento o in cui il progetto evita completamente le saldature in punti-di stress elevato.

Scegli Waspaloy per:Programmi di motori preesistenti e lavori di riparazione/revisione in cui Waspaloy è il materiale qualificato, il prelievo-richiamato-e la sostituzione non sono un'opzione.

Per le posizioni più calde del disco della turbina oltre l'intervallo pratico di entrambe le leghe, si noti che sia il 718 che il Waspaloy sono stati sostanzialmente integrati nei progetti di motori più recenti da superleghe di-metallurgia delle polveri gamma-prime/gamma-double-prime sviluppate specificatamente per aumentare ulteriormente la capacità di temperatura del disco - un promemoria che questo confronto tra due-leghe descrive un ben-stabilito, scelta ancora-rilevante, non l'intero panorama dei materiali dei dischi delle turbine moderne.

Domande frequenti

D: Waspaloy è più forte dell'Inconel 718?

A: A temperature elevate e prolungate all'interno del loro intervallo operativo condiviso, sì, la fase di rafforzamento gamma-prime di Waspaloy mantiene la capacità di carico-in modo più affidabile rispetto alla fase di rafforzamento gamma-double-prime del 718, che è incline a trasformarsi in fase delta non-di rinforzo nel tempo. A temperatura ambiente, entrambe le leghe possono essere trattate termicamente per raggiungere condizioni di elevata-resistenza ampiamente comparabili.

D: Waspaloy funziona davvero a temperature più elevate rispetto a Inconel 718?

A: Non tanto quanto comunemente si presume specificamente per i dischi delle turbine. La documentazione di Special Metals limita Waspaloy a 650 gradi (1.200 gradi F) per applicazioni rotanti critiche come i dischi, rispetto al limite di servizio continuo-di 704 gradi (1.300 gradi F) di 718. La capacità di 870 gradi (1.600 gradi F), spesso-citata, di Waspaloy si applica ad applicazioni meno impegnative, non-rotanti, non ai dischi delle turbine.

D: Perché l'Inconel 718 è più facile da saldare rispetto al Waspaloy?

A: La fase di rinforzo gamma-double-prime del 718 si forma lentamente durante l'invecchiamento, pertanto le saldature possono essere eseguite nella condizione solubilizzata-ricotta senza fessurazioni durante il successivo trattamento termico. La fase gamma-prime di Waspaloy si forma molto più velocemente, rendendo la lega soggetta a fessurazioni da tensione-età; Special Metals afferma che Waspaloy non è facilmente saldabile al di fuori di circostanze attentamente controllate e deve essere saldato solo nella condizione trattata con la soluzione-, con l'intera soluzione del componente trattata successivamente.

D: Waspaloy è più costoso di Inconel 718?

A: Il contenuto di cobalto del 12-15% di Waspaloy (rispetto alla chimica essenzialmente priva di cobalto-del 718) rappresenta una differenza strutturale in termini di costi e-catena di fornitura, poiché il cobalto è un mercato più piccolo e con prezzi più volatili rispetto al nichel o al cromo. In combinazione con la lavorazione più difficile di Waspaloy e i requisiti di fabbricazione più impegnativi, generalmente comporta un costo di consegna totale più elevato, anche se i premi esatti dovrebbero essere confermati rispetto agli attuali prezzi di mercato.

D: L'Inconel 718 può essere utilizzato come sostituto diretto del Waspaloy nel disco di una turbina?

A: Non automaticamente. Anche se il 718 è più facile ed economico da fabbricare, il suo-tetto massimo di temperatura di servizio e l'elevata-mantenimento della resistenza alla temperatura differiscono da quelli di Waspaloy, e le sostituzioni del disco della turbina richiedono una riqualificazione tecnica completa rispetto alla temperatura, allo stress e ai requisiti di durata di servizio-specifici del motore, - non solo uno scambio di materiali simili-per-simili.

D: Quale lega è più facile da lavorare, Inconel 718 o Waspaloy?

A: Inconel 718 è generalmente considerato più lavorabile. Special Metals descrive esplicitamente Waspaloy come una delle superleghe più difficili da lavorare, una conseguenza diretta dello stesso contenuto di cobalto e della stessa frazione di volume gamma-prime che gli conferiscono una resistenza alle temperature-elevate superiore.