718 مقابل 718H – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
مقدمة
تستخدم سبيكة 718 ونسختها المرتبطة 718H على نطاق واسع في المكونات عالية الأداء لصناعات الطيران وتوليد الطاقة والبتروكيماويات. يواجه المهندسون والمحترفون في الشراء عادةً مفاضلات عند الاختيار بينهما: تحسين القوة ومقاومة الزحف عند درجات الحرارة المرتفعة مقابل زيادة قابلية اللحام والصلابة والجدوى الاقتصادية. تشمل سياقات القرار النموذجية الأجزاء الدوارة التي تتطلب مقاومة التعب، والمسامير والبراغي المعرضة لدرجات حرارة عالية، والتجمعات الملحومة حيث تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام مقيدة.
يكمن الاختلاف العملي الرئيسي بين 718 و718H في حالتهما المعدنية المقصودة ونافذة المعالجة الحرارية: يتم تحديد 718H لتوفير استقرار معزز وأداء زحف تحت التعرض لدرجات حرارة مرتفعة على المدى الطويل من خلال كيمياء وممارسات معالجة حرارية محكومة، بينما يتم تحسين 718 القياسية لتصلب العمر الأقصى وتوازن الخصائص الميكانيكية عند درجة حرارة الغرفة وقابلية التصنيع. نظرًا لأن كلا الدرجتين تشتركان في نفس نظام السبيكة الأساسية (Ni–Cr–Fe مع Nb/Ta وMo وTi وAl)، يتم مقارنتهما عادةً عندما يتطلب التصميم حكمًا حول القوة العالية على المدى الطويل عند درجات الحرارة المرتفعة، وإصلاح اللحام، واستراتيجيات المعالجة اللاحقة.
1. المعايير والتسميات
تشمل المواصفات الشائعة والتسميات الصناعية لمنتجات عائلة سبيكة 718 الوثائق الدولية والوطنية المستخدمة من قبل الشركات المصنعة والمشترين:
- مواصفات بأسلوب AMS/SAE/ASTM (تستخدم في صناعات الطيران وسلاسل التوريد الصناعية).
- معادلات EN/DIN لسبائك النيكل في أوروبا.
- معايير JIS للموردين اليابانيين.
- سلسلة GB/T للإنتاج والشراء الصيني.
التصنيف: سبيكة 718 و718H هما سبائك فائقة تعتمد على النيكل وتصلب بالتساقط (ليست فولاذ كربوني، أو فولاذ أدوات، أو HSLA). يتم تحديدهما عادةً لأشكال المنتجات مثل القضبان والألواح والتزوير واللحام.
2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك
عائلة سبيكة 718 هي مصفوفة Ni–Cr–Fe مدعومة بشكل أساسي بتساقط مراحل بين معدنية مرتبة ($\gamma''$ و$\gamma'$) وكربيدات/بوريدات دقيقة محكومة. التركيبة الكيميائية النموذجية (نطاقات اسمية، wt%) لسبيكة 718 القياسية موضحة أدناه؛ لاحظ أن الحدود الدقيقة تعتمد على المواصفة المسيطرة.
| عنصر | تركيب نموذجي (سبيكة 718، wt%) | ملاحظات على 718H |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | غالبًا ما يتم التحكم في 718H بشكل أكثر دقة؛ قد يُسمح بزيادة صغيرة في C لتحسين استقرار الزحف/الكربيد |
| Mn | ≤ 0.35 | منخفض لتقليل المراحل الضارة |
| Si | ≤ 0.35 | إزالة الأكسدة؛ محدود للتحكم في الانصهار والشوائب |
| P | ≤ 0.015 | يتم الاحتفاظ به منخفضًا للحفاظ على اللدونة ومقاومة التآكل |
| S | ≤ 0.015 | يتم الاحتفاظ به منخفضًا لتجنب التشقق الساخن |
| Cr | 17.0 – 21.0 | يوفر مقاومة للأكسدة والتآكل |
| Ni | 50.0 – 55.0 | عنصر المصفوفة الرئيسي |
| Mo | 2.8 – 3.3 | تقوية المحلول الصلب |
| V | trace | ليس إضافة مقصودة في 718 القياسية |
| Nb (+Ta) | 4.75 – 5.5 (Nb+Ta) | مفتاح لتقوية تساقط $\gamma''$ |
| Ti | 0.65 – 1.15 | يساهم في تشكيل $\gamma'$ و$\gamma''$ |
| B | ≤ 0.006 | تحسينات صغيرة تحسن من قوة حدود الحبيبات؛ قد تتحكم 718H في B للزحف |
| N | trace | مستويات منخفضة محكومة |
استراتيجية السبائك: يوفر النيكل العالي مصفوفة لدنة مع مقاومة للتآكل؛ يوازن الكروم والموليبدينوم والحديد بين الأكسدة والقوة؛ يمكّن Nb/Ta وTi وAl من تصلب التساقط ($\gamma''$ Ni3Nb هو المرحلة الرئيسية للتصلب). تربط كميات صغيرة من B وC عند حدود الحبيبات للتأثير على سلوك الزحف والانكسار. النسخة 718H ليست سبيكة مختلفة جوهريًا ولكنها نسخة محددة مع كيمياء وممارسات معالجة حرارية محسّنة لاستقرار درجات الحرارة المرتفعة على المدى الطويل والزحف.
3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية
البنية المجهرية النموذجية (كما تمت معالجتها) - المصفوفة: مكعب مركزي الوجه (FCC) $\gamma$ (محلول صلب Ni–Fe–Cr). - ترسبات التقوية: صفائح متماسكة من $\gamma''$ (Ni3Nb) وجزيئات كروية/مرتبة من $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)). - مراحل ثانوية: كربيدات MC (كربيدات Nb/Ti)، مراحل حدود الحبيبات (بوريدات، كربيدات)، وترسبات محتملة من $\delta$ (Ni3Nb) تحت بعض التاريخ الحراري.
استجابة المعالجة الحرارية - معالجة المحلول والتقدم في العمر: يتم معالجة 718 القياسية بالتسخين في المحلول (عادةً 980–1066 °م حسب شكل المنتج) لإذابة الترسبات الموجودة، تليها معالجة مزدوجة محكومة لتساقط $\gamma''$ و$\gamma'$، مما ينتج عنه أقصى قوة. ينتج عن التقدم في العمر الأقصى أقصى عائد وقوة شد ولكن قد يترك بعض القابلية لترسبات حدود الحبيبات اعتمادًا على التاريخ الحراري. - ممارسة 718H: تركز 718H على جداول التسخين في المحلول والتقدم في العمر التي تقلل من تشكيل $\delta$ الخشنة والهشة أو المراحل بين الحبيبات بينما تعزز توزيعًا مستقرًا من الترسبات الدقيقة المقوية للزحف على المدى الطويل. قد تستخدم النسخة H درجات حرارة مختلفة للحل أو أوقات احتفاظ وتحكمًا أكثر دقة في الكيمياء (C، B) لتحويل التوازن لصالح الاستقرار على المدى الطويل بدلاً من مجرد الصلابة القصوى. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يؤثر التزوير والتبريد المحكوم على حجم الحبيبات وتوزيع الكربيدات/البوريدات؛ غالبًا ما تستفيد 718H من المعالجة التي تقلل من الترسبات الضارة عند حدود الحبيبات لتعزيز عمر الزحف.
4. الخصائص الميكانيكية
تعتمد الخصائص الميكانيكية لعائلة 718 بشكل كبير على المعالجة الحرارية وشكل المنتج. الجدول أدناه يقارن الاتجاهات الوظيفية بدلاً من أرقام ثابتة واحدة.
| خاصية | سبيكة 718 (حالة قمة العمر النموذجي) | سبيكة 718H (حالة H لاستقرار درجات الحرارة المرتفعة) |
|---|---|---|
| قوة الشد | عالية جدًا بعد التقدم في العمر الأقصى (محسّنة للتحميل الثابت والتعب عند درجات حرارة معتدلة) | قابلة للمقارنة أو أعلى عند درجات حرارة مرتفعة؛ مصممة لقوة شد/زحف طويلة الأمد متفوقة |
| قوة العائد | مرتفعة في حالة قمة العمر | مماثلة أو أعلى قليلاً لدرجات حرارة الخدمة الطويلة الأمد بسبب استقرار البنية المجهرية |
| التمدد (اللدونة) | لدونة جيدة عند درجة حرارة الغرفة | قد تكون اللدونة عند درجة حرارة الغرفة أقل قليلاً في بعض مواصفات H بسبب التحكم في الكربيد/الترسبات |
| صلابة التأثير | جيدة عمومًا عند تقدمها في العمر ومعالجتها حراريًا بشكل صحيح | يمكن أن تكون أقل قليلاً إذا كانت البنية المجهرية محسّنة للزحف (مفاضلة) |
| الصلابة | مرتفعة (مقواة بالعمر) | مماثلة أو أعلى قليلاً اعتمادًا على جدول التقدم في العمر؛ مصممة للاستقرار تحت التعرض الحراري |
لماذا تظهر الاختلافات: تحقق 718 قوة عالية من خلال تساقط جزيئات دقيقة من $\gamma''$ و$\gamma'$. تعطي تسامحات المعالجة الحرارية والتركيبية لـ 718H الأولوية لاستقرار الترسبات وكيمياء حدود الحبيبات بحيث يتم الاحتفاظ بالقوة واللدونة خلال التعرضات الطويلة عند درجات حرارة مرتفعة، مما قد يؤثر بشكل معتدل على مقاييس الأداء الميكانيكي القصيرة الأجل.
5. قابلية اللحام
تعتمد قابلية اللحام على التركيب، والدورات الحرارية، والقابلية للتشقق.
- معادلة الكربون وتأثيرات السبائك: تعتبر سبائك النيكل أكثر قابلية للحام من العديد من الفولاذات عالية القوة، لكن سبيكة 718 قد تكون عرضة للتشقق السائل في منطقة التأثير الحراري ولتشقق الإجهاد إذا لم يتم معالجتها حراريًا بعد اللحام بشكل صحيح.
- عند تقييم قابلية اللحام لسبائك النيكل، يتم تخصيص صيغ مثل معادلة الكربون IIW و$P_{cm}$ للفولاذ؛ ومع ذلك، فإن ما يلي مفيد في التفسير النوعي وفي سياقات المعادن المختلطة: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- التفسير: تزيد المستويات العالية من Nb وTi والعناصر الثانوية من قدرة السبيكة على التصلب وميولها للتشقق أثناء الصلابة أو التشقق تحت دورات حرارية سريعة. لذلك:
- يعتبر التسخين المسبق، ودرجات الحرارة المتحكم فيها بين الطبقات، ومطابقة المعادن المستخدمة في اللحام من الممارسات القياسية.
- غالبًا ما تكون معالجة المحلول والتقدم في العمر بعد اللحام مطلوبة لاستعادة السلامة الميكانيكية والتآكل.
- تتطلب 718H، لأنها محددة لخدمة درجات الحرارة المرتفعة على المدى الطويل، غالبًا إجراءات لحام أكثر صرامة ومعالجة حرارية كاملة بعد اللحام لتحقيق خصائص الزحف والانكسار المصممة.
6. التآكل وحماية السطح
- تتميز سبيكة 718 بمقاومة طبيعية للتآكل والأكسدة في العديد من البيئات بسبب محتواها العالي من النيكل والكروم. بالنسبة للتطبيقات غير التآكلية أو الخدمة في البيئات العدوانية، يمكن تطبيق علاجات سطحية إضافية.
- بالنسبة لنظائر الفولاذ المقاوم للصدأ، يتم تقييم السبائك باستخدام مقاييس مثل PREN للفولاذ المقاوم للصدأ: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ لكن PREN ليس له معنى بالنسبة للسبائك الفائقة المعتمدة على النيكل حيث يهيمن النيكل وتلعب Nb/Ti/Mo أدوارًا مختلفة.
- حماية السطح: بالنسبة لأجزاء عائلة 718، تشمل الممارسات الشائعة الطلاءات الواقية (طلاءات الحاجز الحراري لدرجات الحرارة العالية)، والضغط بالكرات لتحسين عمر التعب، والتحكم الصارم في تشطيب السطح؛ يعتبر الجلفنة أو الطلاء البسيط غير شائع للسبائك النيكل عالية الحرارة.
7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل
- قابلية التشغيل: تعتبر سبيكة 718 صعبة التشغيل بشكل معتدل بسبب ميلها للتصلب أثناء العمل وقوتها العالية؛ يُوصى باستخدام أدوات كربيد وزوايا إيجابية للتقطيع وتغذيات محكومة. تتمتع 718H، مع كيمياء مماثلة، بمتطلبات تشغيل مماثلة؛ يمكن تشديد معلمات التشغيل لتجنب التصلب أو التخفيف الجزئي.
- قابلية التشكيل: التشكيل البارد محدود؛ يعتبر التزوير الساخن والعمل الساخن المحكوم هو القاعدة للمكونات الكبيرة. قد تتطلب 718H تاريخًا حراريًا محددًا لتجنب الهشاشة الناتجة عن الترسبات الخشنة.
- التشطيب: تعتبر تقنيات الطحن، وEDM، وتقنيات تخفيف الضغط السطحي شائعة. غالبًا ما تكون المعالجة الحرارية بعد العملية (محلول + تقدم في العمر) إلزامية بعد معالجة حرارية أو ميكانيكية كبيرة، خاصة لأجزاء 718H المخصصة لخدمة الزحف.
8. التطبيقات النموذجية
| سبيكة 718 | سبيكة 718H |
|---|---|
| أعمدة التوربينات، والأقراص، والمسامير حيث تتطلب القوة العالية ومقاومة التعب | براغي عالية الحرارة، وصمامات، ومكونات توربينات الغاز مصممة لعمر زحف طويل |
| مكونات محركات الطائرات وأغطية الدوار (حيث يتم استغلال خصائص قمة العمر) | مكونات مصممة للتعرض المطول بالقرب من حدود درجة حرارة السبيكة حيث تكون البنية المجهرية المستقرة حاسمة |
| أجزاء هيكلية عند درجات حرارة منخفضة ودرجة حرارة الغرفة حيث تكون القوة والصلابة المشتركة مطلوبة | أجزاء تحتوي على ضغط في محطات توليد الطاقة ومصانع البتروكيماويات حيث تكون حياة الزحف هي الأولوية |
مبررات الاختيار: اختر 718 القياسية عندما تكون الحاجة الرئيسية هي تصلب العمر الأقصى، والصلابة عند درجة حرارة الغرفة، وقابلية التصنيع. اختر 718H عندما تكون مدة التصميم عند درجات حرارة مرتفعة، وتقليل تدهور الخصائص تحت التعرض الحراري، وضمان قوة الزحف على المدى الطويل هي المحركات.
9. التكلفة والتوافر
- التكلفة النسبية: تستند كلا النسختين إلى نفس السبيكة الأساسية وتستخدم نفس طرق المعالجة؛ عادةً ما تكون اختلافات التكلفة متواضعة وتدفعها صرامة المواصفة، وشكل المنتج، ومتطلبات المعالجة الحرارية/الفحص. قد تكون أجزاء 718H أكثر تكلفة بسبب تسامحات كيميائية أكثر دقة ومتطلبات معالجة حرارية واختبار أكثر تطلبًا.
- التوافر: تعتبر سبيكة 718 واحدة من أكثر السبائك الفائقة النيكل المتاحة على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم؛ كما أن 718H شائعة أيضًا ولكن قد تتطلب الطلب وفقًا لمواصفة H محددة أو من خلال الموردين المتخصصين للمكونات الحرجة.
10. الملخص والتوصية
| المعايير | سبيكة 718 | سبيكة 718H |
|---|---|---|
| قابلية اللحام | جيدة مع الإجراء الصحيح؛ عادةً ما تتطلب معالجة حرارية بعد اللحام | تتطلب تحكمًا أكثر صرامة في اللحام ومعالجة حرارية كاملة بعد اللحام لتلبية متطلبات الزحف |
| القوة–الصلابة | قوة قمة ممتازة وصلابة جيدة بعد التقدم القياسي في العمر | محسّنة للقوة على المدى الطويل عند درجات الحرارة؛ قد تتاجر ببعض الصلابة قصيرة الأجل |
| التكلفة | متاحة على نطاق واسع؛ تكلفة أساسية | علاوة طفيفة لتسميات كيميائية/معالجة أكثر دقة لاستقرار الزحف |
التوصية - اختر سبيكة 718 إذا كانت الاحتياجات الأساسية هي قوة ثابتة وعالية، وصلابة جيدة عند درجة حرارة الغرفة، واستجابة تصلب قياسية—مع السماح باللحام التقليدي والمعالجة الحرارية بعد اللحام. - اختر سبيكة 718H إذا كان يجب أن تحتفظ المكون بالقوة وتقاوم الزحف/الانكسار خلال التعرضات الطويلة عند درجات حرارة مرتفعة وحيث يتطلب التحكم على مستوى المواصفة (الكيمياء، دورات الحل/التقدم في العمر) لضمان استقرار البنية المجهرية على مدى عمر الخدمة.
ملاحظة نهائية: نظرًا لأن عائلة 718 حساسة جدًا للمعالجة، يجب أن تحدد مواصفات الشراء الشكل الدقيق للمنتج، ودورات الحل/التقدم في العمر، ومعايير القبول (مثل الشد، والزحف، والانكسار، والبنية المجهرية) المطلوبة للخدمة المقصودة. استشر المواصفة المادية المسيطرة وعالم المعادن لدى المورد عند الاختيار بين 718 و718H للمكونات الحرجة.