Inconel 718 vs Inconel X750 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Inconel 718 und Inconel X-750 sind zwei der am häufigsten spezifizierten ausfallhärtbaren Nickel-Chrom-Legierungen in der Luft- und Raumfahrt, der Energieerzeugung und in Hochtemperatur-Industrieanwendungen. Ingenieure und Beschaffungsteams wählen routinemäßig zwischen ihnen, wenn sie Komponenten entwerfen, bei denen ein Gleichgewicht zwischen hoher Temperaturfestigkeit, Herstellbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kosten erreicht werden muss. Typische Entscheidungskontexte umfassen: die Auswahl eines Materials für heiße Bauteile (wo anhaltende Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit wichtig sind), die Auswahl eines Feder- oder Befestigungsmaterials (wo die Wärmebehandlungsreaktion und die Ermüdungslebensdauer entscheidend sind) oder die Wahl einer schweißbaren Legierung für Reparatur und Montage.

Der wesentliche technische Unterschied besteht darin, wie jede Legierung Festigkeit bei erhöhten Temperaturen erreicht und beibehält. Dieser Unterschied bestimmt die Auswahl für Teile, die voraussichtlich unter anhaltendem Stress bei hohen Temperaturen betrieben werden, und beeinflusst die Unterschiede in der Legierungschemie, der Wärmebehandlungspraktiken und des Verhaltens im Einsatz. Da beide altershärtbare Nickellegierungen sind und ähnliche Korrosionsbeständigkeit aufweisen, konzentriert sich der Vergleich oft auf die mechanische Leistung bei hohen Temperaturen, die Wärmebehandlungsfenster und die Fertigungsbeschränkungen.

1. Standards und Bezeichnungen

• Inconel 718: UNS N07718 (gängige Bezeichnung); weit verbreitet in Luft- und Raumfahrt- und Industrie-AMs/MS/AMS-Dokumenten sowie in Produktspezifikationen für Stangen, Schmiedeteile, Platten und Streifen. Es erscheint in vielen ASTM/ASME-Produktspezifikationen für nickelbasierte Legierungen, die in Druck- und Strukturteilen verwendet werden.
• Inconel X-750: UNS N07750 (gängige Bezeichnung); historisch spezifiziert in Luft- und Raumfahrt-AMS-Dokumenten und in Industriespezifikationen für Federn, Befestigungen und Hochtemperaturhardware.
• Äquivalenz und regionale Standards: Diese nickelbasierten Superlegierungen werden am häufigsten durch UNS- und AMS/ASTM-Produktspezifikationen spezifiziert, anstatt durch direkte EN-, JIS- oder GB-Eins-zu-eins-Äquivalente. Benutzer geben häufig UNS/AMS-Nummern in technischen Zeichnungen und Beschaffungsdokumentationen an.
• Klassifizierung: Beide sind Nickel-Chrom-Legierungen (altershärtbare ausfallhärtbare Legierungen), keine rostfreien Stähle, Werkzeugstähle, Kohlenstoffstähle oder HSLA-Materialien.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Wie die Chemie auf Eigenschaften abgebildet wird: - Inconel 718 verwendet eine Kombination aus Nb (Niob), Mo, Ti und Al, um eine starke $\gamma''$ (Ni3Nb) Ausfällungsreaktion sowie $\gamma'$ Ausfällungen zu erzeugen. Die $\gamma''$-Phase bietet sehr hohe Streck- und Zugfestigkeit, insbesondere bei mittleren erhöhten Temperaturen. - Inconel X-750 verlässt sich hauptsächlich auf $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) Ausfällungen für die Altershärtung; seine Nb- und Mo-Gehalte sind viel niedriger, sodass sein Ausfällungsspektrum, seine Stabilität und seine Hochtemperaturretention sich von 718 unterscheiden. - Chrom bietet Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit für beide Legierungen; Ni ist das Matrixelement, das Zähigkeit und Hochtemperaturstabilität bewahrt.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

• Mikrostruktur von Inconel 718 (typisch): eine flächenzentrierte kubische (FCC) Nickelmatrix mit feinen, kohärenten $\gamma''$ (Ni3Nb) Ausfällungen als primäre Verstärkungsphase und $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) als Co-Ausfällung. Karbide und geringfügige Phasen können je nach thermischer Geschichte und Zusammensetzungssteuerung entstehen.
• Mikrostruktur von Inconel X-750 (typisch): FCC-Nickelmatrix, die überwiegend durch $\gamma'$-Ausfällungen und stabile Karbide verstärkt wird; die Ausfällungskinetik, die Partikelmorphologie und der Volumenanteil unterscheiden sich erheblich von 718.

Wärmebehandlungsverhalten: - Inconel 718: Lösungsglühen gefolgt von kontrollierter Alterung erzeugt die $\gamma''$-Ausfällungen. Die Legierung ist relativ tolerant gegenüber einer Reihe von Fertigungswärmebehandlungen und wird oft in lösungsgeglühten und altershärtenden Zuständen geliefert. Überalterung oder unangemessene thermische Zyklen können $\gamma''$ grob machen und die Festigkeit reduzieren. - Inconel X-750: Erfordert präzise Lösungsglühen und Alterungszyklen, um die gewünschte $\gamma'$-Verteilung zu erhalten. Es ist empfindlich gegenüber spröd machenden Phasen (wie der Ausfällung an Korngrenzen), wenn es unsachgemäß abgekühlt oder gealtert wird; einige Grade werden in kaltverarbeiteten plus gealterten Zuständen für Federanwendungen geliefert.

Verarbeitungseffekte: - Thermo-mechanische Bearbeitung (Schmieden, Kaltverformung) verfeinert die Korngröße und beeinflusst die Ausfällungskinetik in beiden Legierungen; Kaltverformung vor der Alterung erhöht typischerweise die Streckgrenze nach der Alterung, kann jedoch die Duktilität reduzieren. - Die Exposition gegenüber längeren hohen Temperaturen kann Phasengrobheit verursachen (was die Festigkeit reduziert) und unter bestimmten Bedingungen die Bildung von Ausfällungen an Korngrenzen fördern, die die Duktilität und die Lebensdauer bei Spannungsbruch reduzieren – dies ist legierungs- und temperaturabhängig und ist zentral für Auswahlentscheidungen.

4. Mechanische Eigenschaften

Erklärung: - Inconel 718 erreicht höhere Streck- und Zugfestigkeiten als X-750 in vielen gängigen alterten Zuständen, da $\gamma''$-Ausfällungen ein sehr effektives Hindernis für die Versetzungsbewegung bieten. Dies macht 718 zur bevorzugten Wahl, wenn höhere anhaltende Lasten bei erhöhter Temperatur zu erwarten sind. - X-750 funktioniert zuverlässig als Feder- und Befestigungsmaterial und wird für Anwendungen gewählt, bei denen gute Hochtemperaturermüdungs- und Relaxationsbeständigkeit erforderlich sind, aber wo die absolut höchste statische Festigkeit bei erhöhter Temperatur nicht notwendig ist.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeitsüberlegungen für ausfallhärtbare Nickellegierungen hängen von der Basischemie, der Härtbarkeit und der erforderlichen Nachschweißwärmebehandlung ab.

Nützliche Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW) für Stähle (nur zur Referenz): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm-Formel, die häufig verwendet wird, um die Rissanfälligkeit in Stählen zu bewerten: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation für diese Nickellegierungen: - Diese stahlbasierten Formeln sind quantitativ nicht direkt auf nickelbasierte Superlegierungen anwendbar, aber die qualitativen Faktoren sind weiterhin wichtig: Höhere Gehalte an segregationsanfälligen Elementen (Nb, Ti) und das Vorhandensein von Karbiden oder spröden Phasen an Korngrenzen erhöhen die Anfälligkeit für Schweißrisse und den Verlust von Eigenschaften nach dem Schweißen. - Inconel 718: Allgemein als schweißbar mit geeigneten Füllmetallen und Verfahren angesehen. Das Schweißen erfordert typischerweise die Kontrolle der Wärmezufuhr, Vorwärm-/Zwischenpass-Temperaturen in einigen Fällen und eine definierte Nachschweißlösung und Alterungsbehandlung, um die Ausfallhärtung wiederherzustellen. Da die primäre Verstärkungsphase von 718 ($\gamma''$) durch Nachschweißbearbeitung wiederhergestellt werden kann, können geschweißte Strukturen einen Großteil ihrer mechanischen Eigenschaften zurückgewinnen. - Inconel X-750: In vielen Anwendungen schwieriger zu schweißen. X-750 ist empfindlicher gegenüber der Sprödigkeit der wärmebeeinflussten Zone (HAZ) und der Spannungs-Korrosions-Rissbildung in unsachgemäß abgekühlten oder gealterten Schweißnähten. Für kritische Komponenten erfordert das Schweißen oft eine sorgfältige Prozesskontrolle und Nachschweißwärmebehandlungen; für einige Federanwendungen wird das Schweißen vermieden oder nur mit strengen Verfahren durchgeführt.

Praktische Hinweise: - Für beide Legierungen sollten geschweißte Baugruppen, die erhöhten Betriebstemperaturen ausgesetzt sind, durch Tests qualifiziert werden: Zug-, Kriech- und Spannungsbruchtests nach dem vollständigen thermischen Zyklus, der für den Betrieb verwendet wird. - Wo Reparaturschweißen unvermeidlich ist, befolgen Sie die Richtlinien des Herstellers oder der OEM und verwenden Sie passende Füllmetalle sowie die für jede Legierung empfohlenen Nachschweißwärmebehandlungen.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder Inconel 718 noch X-750 sind rostfreie Stähle; sie sind nickelbasierte Superlegierungen mit guter allgemeiner Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit aufgrund hoher Nickel-/Chromgehalte.
• Für lokale Korrosionsindizes wie PREN ist die Metrik für rostfreie Stähle konzipiert und wird im Allgemeinen nicht für nickelbasierte Superlegierungen verwendet. Zur Referenz: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3\times \text{Mo} + 16\times \text{N}$$ Dieser Index ist nicht als Entwurfswerkzeug für Inconel 718/X-750 anwendbar, da ihr Korrosionsverhalten durch die gesamte Nickelmatrix, Chrom, Legierungsstabilisatoren und die Ausfällungsstruktur bestimmt wird, anstatt nur durch die in rostfreien Stählen verwendeten Cr/Mo/N-Beiträge.
• Oberflächenschutz: Wo erforderlich, können beide Legierungen beschichtet oder lackiert werden. Übliche industrielle Schutzmaßnahmen (keramische Beschichtungen, Aluminid-Diffusionsbeschichtungen, thermische Barriereschichtungen oder gesprühte Metallbeschichtungen) werden für den Hochtemperaturschutz gegen Oxidation in Energie- oder Luft- und Raumfahrtumgebungen angewendet.
• Überlegungen zur Korrosionsbeständigkeit: 718 zeigt im Allgemeinen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber vielen korrosiven Umgebungen und gegenüber Oxidation bei mittleren erhöhten Temperaturen. X-750 widersteht ebenfalls Oxidation und Korrosion, aber der Designer muss Rissbildung durch Spalten, Chlorid-Spannungs-Korrosionsrissbildung und dienstabhängige Phänomene berücksichtigen; die Materialauswahl sollte durch Tests unter den Umgebungsbedingungen validiert werden.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitung: Beide Legierungen sind schwieriger zu bearbeiten als gängige Stähle. Inconel 718 ist bekannt für die Kaltverfestigung und für schnellen Werkzeugverschleiß, wenn Vorschübe, Geschwindigkeiten und Werkzeuge nicht optimiert sind. X-750 ist ebenfalls schwierig zu bearbeiten, insbesondere in gealterten oder kaltverarbeiteten Zuständen. Der Einsatz von Hartmetall- oder Keramikwerkzeugen, starren Aufbauten und konservativen Schnitttiefen ist gängige Praxis.
• Formen: Beide Legierungen sind in lösungsgeglühten Zuständen formbar, erfordern jedoch höhere Kräfte als Stähle. Kaltverformung vor der Alterung kann die Festigkeit erhöhen, aber die Duktilität reduzieren; daher erfolgt das Formen typischerweise im lösungsgeglühten Zustand, gefolgt von einem kontrollierten Alterungszyklus.
• Oberflächenbearbeitung: Schleifen und Polieren sind üblich für die Endmaße und die Oberflächenbeschaffenheit; chemisches Fräsen oder elektrochemische Methoden können für komplexe Teile verwendet werden.
• Empfindlichkeit gegenüber Wärmebehandlungen: Da die endgültigen mechanischen Eigenschaften von präzisen thermischen Zyklen abhängen, müssen Fertigungssequenzen, die lokale Erwärmung einführen (Schweißen, Biegen mit hohen lokalen Temperaturen), so geplant werden, dass das Teil die erforderlichen Lösung- und Alterungsbehandlungen danach erhalten kann.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie Inconel 718 für höhere statische Lasten bei erhöhten Temperaturen, für Teile, bei denen eine Nachschweißwärmebehandlung angewendet werden kann, um die Verstärkung wiederherzustellen, und wenn verbesserte Kriech- und Zugfestigkeit erforderlich sind. - Wählen Sie Inconel X-750, wenn das Hauptkriterium die Hochtemperatur-Federleistung, die Spannungsentspannungsbeständigkeit oder das nachgewiesene Ermüdungsverhalten in zyklischen Anwendungen ist, bei denen die maximale statische Festigkeitsanforderung geringer ist und wo Kaltverformungs- plus Alterungsprozesse Teil des Fertigungsweges sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: Inconel 718 ist weit verbreitet spezifiziert und in vielen Produktformen (Stangen, Schmiedeteile, Platten, Draht, Pulver) erhältlich und wird typischerweise zu einem Aufpreis im Vergleich zu Handelsstählen angeboten. Im Vergleich zu X-750 kann 718 in den Materialkosten ähnlich oder etwas höher sein, abhängig von den Marktpreisen für Nb und Mo sowie von der Verarbeitung (geschmiedet/gealtert vs. kaltverarbeitet/gealtert).
• Verfügbarkeit: Beide Legierungen sind in den Luft- und Raumfahrt- und Energiemärkten verbreitet und von einer breiten Lieferbasis erhältlich. Inconel 718 ist eine der am häufigsten lagernden nickelbasierten Superlegierungen, was oft die Lieferzeiten und die Verfügbarkeit verbessert. X-750 ist breit verfügbar, insbesondere in Formen, die auf Federn und Befestigungen ausgerichtet sind.
• Produktformen: 718 ist tendenziell in großen geschmiedeten Formen und Strukturformen breiter verfügbar; X-750 ist leicht in Draht-, Stangen- und fertigen Federformen erhältlich.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Abschließende Empfehlungen: - Wählen Sie Inconel 718, wenn Sie die höchste Kombination aus Zug- und Streckfestigkeit benötigen, die bei mittleren bis erhöhten Temperaturen erhalten bleibt, eine bessere statische Tragfähigkeit benötigen oder eine Legierung benötigen, die gut auf die Wiederherstellung nach dem Schweißen durch Nachschweißalterung reagiert. - Wählen Sie Inconel X-750, wenn die Hauptanforderung die Hochtemperatur-Federleistung, die Spannungsentspannungsbeständigkeit oder das nachgewiesene Ermüdungsverhalten in zyklischen Anwendungen ist, bei denen die maximale statische Festigkeitsanforderung geringer ist und wo Kaltverformungs- plus Alterungsprozesse Teil des Fertigungsweges sind.

Letzte Anmerkung: Beide Legierungen erfordern eine sorgfältige Spezifikation der Wärmebehandlung, des Oberflächenzustands und des Fertigungsweges, um die erwarteten Eigenschaften im Einsatz zu realisieren. Für kritische Komponenten sollten immer die Wärmebehandlungsdiagramme des OEM/Mills, die Schweißverfahren validiert und Teile mit repräsentativen Tests für die beabsichtigte Temperatur-/Stressumgebung qualifiziert werden.