إنكونيل 718 مقابل إنكونيل X750 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
إنكونيل 718 وإنكونيل X-750 هما من أكثر سبائك النيكل والكروم المقواة بالتساقط استخدامًا في مجالات الطيران وتوليد الطاقة والتطبيقات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية. يختار المهندسون وفرق الشراء بينهما بشكل روتيني عند تصميم المكونات حيث يجب تحقيق توازن بين قوة درجات الحرارة المرتفعة وقابلية التصنيع ومقاومة التآكل والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية: اختيار مادة للأجزاء الساخنة (حيث تكون قوة درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف مهمة)، اختيار مادة للزنبرك أو الربط (حيث تكون استجابة المعالجة الحرارية وعمر التعب حاسمة)، أو اختيار سبيكة قابلة للحام للإصلاح والتجميع.
التمييز الفني الرئيسي هو كيفية تحقيق كل سبيكة والحفاظ على قوتها عند درجات الحرارة المرتفعة. هذه الفروق تحكم الاختيار للأجزاء المتوقعة أن تعمل تحت ضغط مستمر عند درجات حرارة عالية، وتؤدي إلى اختلافات في كيمياء السبيكة وممارسات المعالجة الحرارية وسلوك الخدمة. نظرًا لأن كلاهما سبائك نيكل قابلة للتصلب بالشيخوخة وتتمتع بمقاومة تآكل مشابهة، غالبًا ما يقتصر المقارنة على الأداء الميكانيكي عند درجات الحرارة العالية، ونوافذ المعالجة الحرارية، وقيود التصنيع.
1. المعايير والتسميات
- إنكونيل 718: UNS N07718 (تسمية شائعة)؛ يتم تحديده على نطاق واسع من قبل وثائق AMs/MS/AMS الخاصة بالطيران والصناعة ومن قبل مواصفات المنتجات للأشرطة والمسبوكات والألواح والشريط. يظهر في العديد من مواصفات المنتجات ASTM/ASME للسبائك القائمة على النيكل المستخدمة في الأجزاء الضغطية والهيكلية.
- إنكونيل X-750: UNS N07750 (تسمية شائعة)؛ تم تحديده تاريخيًا من قبل وثائق AMS الخاصة بالطيران ومن قبل المواصفات الصناعية للزنبركات والربط والأجزاء ذات درجات الحرارة العالية.
- المعايير الإقليمية والمعادلات: يتم تحديد هذه السبائك الفائقة القائمة على النيكل بشكل شائع من قبل مواصفات المنتجات UNS وAMS/ASTM بدلاً من المعادلات المباشرة EN أو JIS أو GB. غالبًا ما يستدعي المستخدمون أرقام UNS/AMS في الرسومات الهندسية والوثائق الشرائية.
- التصنيف: كلاهما سبيكة نيكل-كروم (سبائك مقواة بالتساقط قابلة للتصلب بالشيخوخة)، وليست فولاذ مقاوم للصدأ أو فولاذ أدوات أو فولاذ كربوني أو مواد HSLA.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
| عنصر | الدور النموذجي والمستوى النسبي (718 مقابل X-750) |
|---|---|
| C (الكربون) | كلاهما يحتوي على كربون منخفض (أثر إلى منخفض) للحد من تكوين الكربيدات التي قد تجعل حدود الحبيبات هشة؛ غالبًا ما يتم التحكم في X-750 بشكل صارم لأداء الزنبرك. |
| Mn (المنغنيز) | منخفض في كلاهما؛ يستخدم فقط بكميات ضئيلة لإزالة الأكسدة. |
| Si (السيليكون) | منخفض في كلاهما؛ مزيل للأكسدة، يتم الحفاظ عليه منخفضًا للحفاظ على مقاومة التآكل. |
| P (الفوسفور) | يتم الحفاظ عليه منخفضًا جدًا في كلاهما لتجنب الهشاشة. |
| S (الكبريت) | منخفض جدًا في كلاهما؛ يتم تجنب الكبريتيدات للحفاظ على قابلية الانحناء عند درجات الحرارة العالية. |
| Cr (الكروم) | معتدل في كلاهما (يوفر مقاومة الأكسدة والتآكل)؛ المستويات متشابهة بشكل عام على الرغم من اختلاف التركيبات. |
| Ni (النيكل) | عنصر أساسي في كلاهما (الغالبية من السبيكة). |
| Mo (الموليبدينوم) | موجود في 718 بمستويات ذات دلالة لتحسين تقوية المحلول الصلب ومقاومة التآكل/الزحف عند درجات الحرارة العالية؛ أقل في X-750. |
| V (الفاناديوم) | ثانوي أو أثر؛ ليس إضافة تقوية رئيسية في أي منهما. |
| Nb (النيوبيوم) / Ta | أعلى بكثير في 718 (أساسي لتقوية التساقط $\gamma''$)؛ منخفض إلى معتدل في X-750. |
| Ti (التيتانيوم) | موجود في كلاهما لتشكيل $\gamma'$ وغيرها من الرواسب؛ يعتمد X-750 أكثر على $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) للقوة. |
| B (البورون) | إضافات أثرية تستخدم أحيانًا لتحسين مقاومة الزحف والتمزق وقوة حدود الحبيبات؛ موجودة بكميات مضبوطة من ppm. |
| N (النيتروجين) | عادة ما تكون منخفضة جدًا؛ ليست عنصر تقوية مقصود في هذه السبائك. |
كيف تتوافق الكيمياء مع الخصائص: - يستخدم إنكونيل 718 مزيجًا من Nb (النيوبيوم) وMo وTi وAl لإنتاج استجابة تساقط قوية من $\gamma''$ (Ni3Nb) بالإضافة إلى رواسب $\gamma'$ . تعطي مرحلة $\gamma''$ قوة عالية جدًا في العائد والشد، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة المتوسطة. - يعتمد إنكونيل X-750 بشكل رئيسي على تساقط $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) للتصلب بالشيخوخة؛ محتوياته من Nb وMo أقل بكثير، لذا يختلف طيف التساقط والثبات والاحتفاظ عند درجات الحرارة العالية عن 718. - يوفر الكروم مقاومة الأكسدة والتآكل لكلا السبيكتين؛ النيكل هو العنصر الأساسي الذي يحافظ على المتانة والثبات عند درجات الحرارة العالية.
3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية
- الميكروهيكل لإنكونيل 718 (نموذجي): مصفوفة نيكل مكعبة مركزية الواجهة (FCC) مع رواسب $\gamma''$ (Ni3Nb) الدقيقة والمتماسكة كمرحلة تقوية رئيسية و$\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) كرواسب مشتركة. يمكن أن تتشكل الكربيدات والطور الثانوي اعتمادًا على التاريخ الحراري والتحكم في التركيب.
- الميكروهيكل لإنكونيل X-750 (نموذجي): مصفوفة نيكل FCC مقواة بشكل أساسي بواسطة رواسب $\gamma'$ وكربيدات مستقرة؛ تختلف حركيات التساقط وشكل الجسيمات ونسبة الحجم بشكل ملحوظ عن 718.
سلوك المعالجة الحرارية: - إنكونيل 718: تعالج بالحل ثم تتبعها شيخوخة مضبوطة لإنتاج رواسب $\gamma''$ . السبيكة متسامحة نسبيًا مع مجموعة من المعالجات الحرارية التصنيعية وغالبًا ما يتم توفيرها في حالات معالجة محلول ومعالجة بالشيخوخة. يمكن أن تؤدي الشيخوخة الزائدة أو الدورات الحرارية غير المناسبة إلى تكبير $\gamma''$ وتقليل القوة. - إنكونيل X-750: يتطلب معالجة محلول دقيقة ودورات شيخوخة للحصول على توزيع $\gamma'$ المطلوب. إنه حساس للطور الهش (مثل ترسبات حدود الحبيبات) إذا تم تبريده أو شيخوخته بشكل غير صحيح؛ يتم توفير بعض الدرجات في حالات معالجة باردة بالإضافة إلى الشيخوخة لتطبيقات الزنبرك.
آثار المعالجة: - المعالجة الحرارية الميكانيكية (المسبوكات، العمل البارد) تصقل حجم الحبيبات وتؤثر على حركيات التساقط في كلا السبيكتين؛ عادةً ما يزيد العمل البارد قبل الشيخوخة من قوة العائد بعد الشيخوخة ولكنه يمكن أن يقلل من القابلية للانحناء. - يمكن أن يؤدي التعرض لدرجات حرارة عالية لفترات طويلة إلى تكبير الطور (تقليل القوة) وفي بعض الظروف تعزيز ترسبات حدود الحبيبات التي تقلل من القابلية للانحناء وعمر التمزق تحت الضغط - وهذا يعتمد على السبيكة ودرجة الحرارة وهو أمر مركزي في قرارات الاختيار.
4. الخصائص الميكانيكية
| الخاصية | إنكونيل 718 (نسبي) | إنكونيل X-750 (نسبي) |
|---|---|---|
| قوة الشد | أعلى في حالة الشيخوخة القصوى بسبب تقوية $\gamma''$ | معتدلة؛ عالية عند الشيخوخة ولكن عمومًا أقل من 718 في نطاقات درجات الحرارة القابلة للمقارنة |
| قوة العائد | أعلى عند درجات حرارة الغرفة ودرجات الحرارة المرتفعة المتوسطة (ميزة 718) | أقل من 718 في العديد من حالات المعالجة الحرارية |
| التمدد (القابلية للانحناء) | قابلية انحناء جيدة لسبيكة فائقة القوة؛ تقلل الشيخوخة من التمدد | قابلية انحناء جيدة في الحالة المناسبة ولكن قد تكون أقل إذا كانت الشيخوخة زائدة أو المعالجة الحرارية غير صحيحة |
| صلابة التأثير | عمومًا جيدة، ولكن تعتمد على المعالجة الحرارية وحالة حدود الحبيبات؛ غالبًا ما تحتفظ 718 بمتانة أفضل عند درجات الحرارة المرتفعة | يمكن أن تكون كافية، ولكن تميل إلى الانخفاض بشكل أسرع مع التعرض الحراري العدواني |
| الصلابة | صلابة أعلى قابلة للتحقيق بعد الشيخوخة القصوى لـ 718 | عالية بعد الشيخوخة ولكن عادةً أقل من 718 في حالة الشيخوخة القصوى |
تفسير: - تحقق إنكونيل 718 قوة عائد وقوة شد أعلى من X-750 في العديد من حالات الشيخوخة المستخدمة بشكل شائع لأن رواسب $\gamma''$ توفر عائقًا فعالًا جدًا لحركة الانزلاق. وهذا يجعل 718 الخيار المفضل حيث يتم توقع تحميلات أعلى مستدامة عند درجات الحرارة المرتفعة. - يعمل X-750 بشكل موثوق كمادة للزنبرك والربط ويتم اختياره للتطبيقات التي تتطلب مقاومة جيدة للتعب والراحة عند درجات الحرارة العالية، ولكن حيث لا تكون القوة الثابتة المطلقة عند درجات الحرارة المرتفعة ضرورية.
5. قابلية اللحام
تعتمد اعتبارات قابلية اللحام للسبائك النيكل المقواة بالتساقط على كيمياء القاعدة، وقابلية التصلب، والمعالجة الحرارية المطلوبة بعد اللحام.
مؤشرات قابلية اللحام المفيدة: - المعادل الكربوني (IIW) للفولاذ (للمرجع فقط): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - صيغة Pcm المستخدمة غالبًا لتقييم قابلية التشقق في الفولاذ: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
التفسير لهذه السبائك النيكل: - هذه الصيغ القائمة على الفولاذ ليست قابلة للتطبيق بشكل مباشر كميًا على السبائك الفائقة القائمة على النيكل، ولكن العوامل النوعية لا تزال مهمة: مستويات أعلى من العناصر المعرضة للتجزئة (Nb، Ti) ووجود الكربيدات أو الأطوار الهشة عند حدود الحبيبات تزيد من القابلية للتشقق اللحامي وفقدان الخصائص بعد اللحام. - إنكونيل 718: يعتبر عمومًا قابلًا للحام مع المعادن المالئة والإجراءات المناسبة. تتطلب اللحام عادةً التحكم في إدخال الحرارة، ودرجات حرارة التسخين المسبق/بين الطبقات في بعض الحالات، ومعالجة محلول محددة بعد اللحام واستعادة تقوية التساقط. نظرًا لأن المرحلة الرئيسية للتقوية في 718 ($\gamma''$) يمكن استعادتها من خلال المعالجة بعد اللحام، يمكن أن تستعيد الهياكل الملحومة الكثير من خصائصها الميكانيكية. - إنكونيل X-750: أكثر تحديًا للحام في العديد من التطبيقات. إن X-750 أكثر حساسية للهشاشة في منطقة التأثير الحراري (HAZ) والتشقق الناتج عن الإجهاد في اللحامات التي تم تبريدها أو شيخوختها بشكل غير صحيح. بالنسبة للمكونات الحرجة، تتطلب اللحام غالبًا التحكم الدقيق في العملية والمعالجات الحرارية بعد اللحام؛ بالنسبة لبعض تطبيقات الزنبرك، يتم تجنب اللحام أو يتم فقط وفقًا لإجراءات صارمة.
ملاحظات عملية: - بالنسبة لكلا السبيكتين، يجب تأهيل التجميعات الملحومة التي ستشهد درجات حرارة خدمة مرتفعة من خلال الاختبار: اختبارات الشد والزحف وتمزق الإجهاد بعد الدورة الحرارية الكاملة المستخدمة للخدمة. - حيث يكون لحام الإصلاح لا مفر منه، اتبع إرشادات المصنع أو OEM واستخدم المعادن المالئة المطابقة والمعالجات الحرارية بعد اللحام الموصى بها لكل سبيكة.
6. التآكل وحماية السطح
- لا إنكونيل 718 ولا X-750 هما فولاذ مقاوم للصدأ؛ هما سبائك فائقة قائمة على النيكل تتمتع بمقاومة جيدة للتآكل والأكسدة العامة بسبب مستويات النيكل/الكروم العالية.
- بالنسبة لمؤشرات التآكل المحلية مثل PREN، تم تصميم المقياس للفولاذ المقاوم للصدأ ولا يستخدم عمومًا للسبائك الفائقة القائمة على النيكل. للمرجع: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3\times \text{Mo} + 16\times \text{N}$$ هذه المؤشر غير قابل للتطبيق كأداة تصميم لإنكونيل 718/X-750 لأن سلوك التآكل الخاص بها يحكمه المصفوفة العامة من النيكل والكروم والمثبتات السبائكية وبنية التساقط بدلاً من مجرد مساهمات Cr/Mo/N المستخدمة في الفولاذ المقاوم للصدأ.
- حماية السطح: حيثما كان ذلك مطلوبًا، يمكن طلاء كلا السبيكتين أو دهنهما. يتم تطبيق الحمايات الصناعية الشائعة (طلاءات السيراميك، طلاءات انتشار الألومينيد، طلاءات الحواجز الحرارية، أو الطلاءات المعدنية المرشوشة) لحماية الأكسدة عند درجات الحرارة العالية في بيئات الطاقة أو الطيران.
- اعتبارات مقاومة التآكل: تظهر 718 عمومًا مقاومة ممتازة للعديد من البيئات التآكلية وللأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة المتوسطة. كما أن X-750 يقاوم الأكسدة والتآكل ولكن يجب على المصمم أن يأخذ في الاعتبار التشقق الناتج عن الإجهاد في الشقوق، وتآكل الإجهاد الناتج عن الكلور، والظواهر المعتمدة على الخدمة؛ يجب التحقق من اختيار المواد من خلال اختبار بيئي للخدمة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- التشغيل: كلا السبيكتين أصعب في التشغيل من الفولاذ الشائع. إنكونيل 718 معروف جيدًا بتصلبه السريع وارتداء الأدوات السريع إذا لم يتم تحسين التغذية والسرعات والأدوات. كما أن X-750 صعب التشغيل، خاصة في حالات الشيخوخة أو العمل البارد. استخدام أدوات الكربيد أو السيراميك، وإعدادات صلبة، وعمق قطع محافظ هو ممارسة قياسية.
- التشكيل: كلا السبيكتين قابلان للتشكيل في حالات معالجة المحلول ولكن يتطلبان قوى أعلى من الفولاذ. يمكن أن يزيد العمل البارد قبل الشيخوخة من القوة ولكنه يقلل من القابلية للانحناء؛ وبالتالي يتم عادةً التشكيل في حالة معالجة المحلول يتبعها دورة شيخوخة مضبوطة.
- التشطيب: الطحن والتلميع شائعان للأبعاد النهائية والتشطيب السطحي؛ قد تُستخدم طرق الطحن الكيميائي أو الكهربائي للأجزاء المعقدة.
- حساسية المعالجة الحرارية: نظرًا لأن الخصائص الميكانيكية النهائية تعتمد على دورات حرارية دقيقة، يجب تخطيط تسلسلات التصنيع التي تقدم تسخينًا محليًا (اللحام، الانحناء مع درجات حرارة محلية عالية) بحيث يمكن أن تتلقى القطعة المعالجات المطلوبة من الحل والشيخوخة بعد ذلك.
8. التطبيقات النموذجية
| إنكونيل 718 - الاستخدامات النموذجية | إنكونيل X-750 - الاستخدامات النموذجية |
|---|---|
| مكونات محرك التوربين (الأقراص، الأعمدة، الفواصل)، الربط، الأجزاء الهيكلية التي تتطلب قوة شد وقوة عائد عالية عند درجات الحرارة المرتفعة | زنبركات وحوامل ذات درجات حرارة عالية، زنبركات محركات الطائرات والصناعية، ربط حيث تكون مقاومة الاسترخاء مطلوبة |
| صمامات وتركيبات ذات درجات حرارة عالية، الأجهزة الهيكلية للطيران، الدوارات والأغلفة في محركات التوربين الغازي | مكونات تتطلب عمر تعب جيد ومقاومة استرخاء الإجهاد عند درجات حرارة مرتفعة ولكن معتدلة |
| تطبيقات كريوجينية (718 تحتفظ بالمتانة عند درجات الحرارة المنخفضة بينما تقدم قوة عالية) | زنبركات وأجزاء صغيرة حيث يكون التحميل الدوري عند درجات الحرارة المرتفعة هو المحرك الرئيسي |
مبررات الاختيار: - اختر إنكونيل 718 لتحمل الأحمال الثابتة الأعلى عند درجات الحرارة المرتفعة، للأجزاء التي يمكن تطبيق معالجة حرارية بعد اللحام لاستعادة التقوية، وعندما تكون هناك حاجة لأداء أفضل في الزحف والشد. - اختر إنكونيل X-750 حيث يكون سلوك الزنبرك، ومقاومة استرخاء الإجهاد، وأداء التعب المثبت في تطبيقات الزنبرك ذات درجات الحرارة العالية هي القضايا الرئيسية، وحيث تكون متطلبات القوة الثابتة القصوى أقل أهمية من الاسترخاء والثبات الدوري.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة: يتم تحديد إنكونيل 718 على نطاق واسع ومتاحة في العديد من أشكال المنتجات (الأشرطة، المسبوكات، الألواح، الأسلاك، المسحوق) وعادة ما تكون أسعارها مرتفعة نسبيًا مقارنة بالفولاذات السلع. بالمقارنة مع X-750، يمكن أن تكون 718 مشابهة أو أعلى قليلاً في تكلفة المواد اعتمادًا على أسعار السوق لـ Nb وMo، وعلى المعالجة (مسبوك/مُعالج مقابل عمل بارد/مُعالج).
- التوافر: كلا السبيكتين شائعان في أسواق الطيران والطاقة ومتاحة من قاعدة إمداد واسعة. إنكونيل 718 هو واحد من أكثر السبائك القائمة على النيكل المخزنة شيوعًا، مما يحسن غالبًا من أوقات التسليم والتوافر. إن X-750 متاح على نطاق واسع، خاصة في الأشكال الموجهة نحو الزنبركات والربط.
- أشكال المنتجات: تميل 718 إلى أن تكون متاحة على نطاق واسع في الأشكال الكبيرة المسبوكة والأشكال الهيكلية؛ إن X-750 متاح بسهولة في أشكال الأسلاك والشرائط والزنبركات النهائية.
10. الملخص والتوصية
| المعيار | إنكونيل 718 | إنكونيل X-750 |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة مع الإجراءات المناسبة والمعالجة الحرارية بعد اللحام؛ أكثر تسامحًا مع الاستعادة عبر الشيخوخة | أكثر حساسية للهشاشة في منطقة التأثير الحراري؛ يتطلب اللحام ضوابط صارمة ومعالجة بعد اللحام |
| القوة - المتانة عند درجات الحرارة المرتفعة | قوة محتفظ بها أعلى عند درجات الحرارة المتوسطة إلى المرتفعة؛ قوة ثابتة أفضل ومقاومة للزحف | مقاومة جيدة للتعب والاسترخاء للزنبركات؛ قوة ثابتة أقل في الظروف القابلة للمقارنة |
| التكلفة والتوافر | متاحة على نطاق واسع؛ التكلفة عادة ما تكون تنافسية لأدائها | متاحة على نطاق واسع للزنبركات/الربط؛ قد تكون التكلفة أقل قليلاً اعتمادًا على الشكل والسوق |
التوصيات الختامية: - اختر إنكونيل 718 إذا كنت بحاجة إلى أعلى مجموعة من قوة الشد وقوة العائد المحتفظ بها عند درجات الحرارة المتوسطة إلى المرتفعة، وتحتاج إلى قدرة تحميل ثابتة أفضل، أو تحتاج إلى سبيكة تستجيب جيدًا للاستعادة بعد اللحام من خلال الشيخوخة بعد اللحام. - اختر إنكونيل X-750 إذا كانت المتطلبات الأساسية هي أداء الزنبرك عند درجات الحرارة العالية، ومقاومة استرخاء الإجهاد، أو سلوك التعب المثبت في التطبيقات الدورية حيث تكون متطلبات القوة الثابتة القصوى أقل وحيث تكون عمليات العمل البارد بالإضافة إلى الشيخوخة جزءًا من مسار التصنيع.
ملاحظة نهائية: تتطلب كلا السبيكتين تحديدًا دقيقًا للمعالجة الحرارية، وحالة السطح، ومسار التصنيع لتحقيق الخصائص المتوقعة في الخدمة. بالنسبة للمكونات الحرجة، دائمًا ما يُشار إلى مخططات المعالجة الحرارية الخاصة بالمصنع/المطحنة، والتحقق من إجراءات اللحام، وتأهيل الأجزاء من خلال الاختبار التمثيلي للبيئة الحرارية/الإجهاد المقصودة.