718 vs 718H – Komposisi, Perlakuan Panas, Sifat, dan Aplikasi
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Pengenalan
Alloy 718 dan varian terkaitnya 718H banyak digunakan dalam komponen berkinerja tinggi untuk industri dirgantara, pembangkit listrik, dan petrokimia. Insinyur dan profesional pengadaan secara rutin menghadapi trade-off saat memilih di antara keduanya: mengoptimalkan kekuatan dan ketahanan creep pada suhu tinggi versus memaksimalkan kemampuan las, ketangguhan, dan efisiensi biaya. Konteks keputusan yang umum termasuk bagian berputar yang memerlukan ketahanan kelelahan, pengikat dan pengencang yang terpapar suhu tinggi, dan rakitan yang dilas di mana perlakuan panas pasca-las dibatasi.
Perbedaan praktis utama antara 718 dan 718H terletak pada kondisi metalurgi yang dimaksudkan dan jendela perlakuan panas: 718H ditentukan untuk memberikan stabilitas yang lebih baik dan kinerja creep di bawah paparan suhu tinggi jangka panjang melalui kontrol kimia dan praktik perlakuan panas, sementara 718 standar dioptimalkan untuk pengerasan puncak usia dan keseimbangan sifat mekanik suhu ruangan dan kemampuan fabrikasi. Karena kedua grade berbagi sistem paduan dasar yang sama (Ni–Cr–Fe dengan Nb/Ta, Mo, Ti, dan Al), mereka biasanya dibandingkan ketika desain memerlukan penilaian tentang kekuatan suhu tinggi jangka panjang, perbaikan las, dan strategi pasca-proses.
1. Standar dan Penunjukan
Spesifikasi umum dan penunjukan industri untuk produk keluarga Alloy 718 termasuk dokumen internasional dan nasional yang digunakan oleh produsen dan pembeli:
- Spesifikasi gaya AMS/SAE/ASTM (digunakan dalam rantai pasokan dirgantara dan industri).
- Setara EN/DIN untuk paduan Nikel di Eropa.
- Standar JIS untuk pemasok Jepang.
- Seri GB/T untuk produksi dan pengadaan Tiongkok.
Klasifikasi: Alloy 718 dan 718H adalah superalloy penguatan presipitasi berbasis nikel (bukan baja karbon, baja alat, atau HSLA). Mereka biasanya ditentukan untuk bentuk produk batang, pelat, penempaan, dan las.
2. Komposisi Kimia dan Strategi Paduan
Keluarga Alloy 718 adalah matriks Ni–Cr–Fe yang diperkuat terutama oleh presipitasi fase intermetallic teratur ($\gamma''$ dan $\gamma'$) dan karbida/borida mikro paduan yang terkontrol. Kimia tipikal (rentang nominal, wt%) dari Alloy 718 standar ditunjukkan di bawah ini; perlu dicatat bahwa batas yang tepat tergantung pada spesifikasi pengendali.
| Elemen | Komposisi tipikal (Alloy 718, wt%) | Catatan tentang 718H |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 718H sering memiliki kontrol yang lebih ketat; peningkatan kecil dalam C mungkin diizinkan untuk meningkatkan stabilitas creep/karbida |
| Mn | ≤ 0.35 | Rendah untuk meminimalkan fase berbahaya |
| Si | ≤ 0.35 | Deoksidasi; dibatasi untuk mengontrol pencairan dan inklusi |
| P | ≤ 0.015 | Dipertahankan rendah untuk menjaga duktilitas dan ketahanan korosi |
| S | ≤ 0.015 | Dipertahankan rendah untuk menghindari retak panas |
| Cr | 17.0 – 21.0 | Memberikan ketahanan oksidasi dan korosi |
| Ni | 50.0 – 55.0 | Elemen matriks utama |
| Mo | 2.8 – 3.3 | Penguatan larutan padat |
| V | jejak | Bukan penambahan yang disengaja dalam 718 standar |
| Nb (+Ta) | 4.75 – 5.5 (Nb+Ta) | Kunci untuk penguatan presipitasi $\gamma''$ |
| Ti | 0.65 – 1.15 | Berkontribusi pada pembentukan $\gamma'$ dan $\gamma''$ |
| B | ≤ 0.006 | Penambahan jejak meningkatkan kekuatan batas butir; 718H mungkin mengontrol B untuk creep |
| N | jejak | Level rendah yang terkontrol |
Strategi paduan: Ni tinggi memberikan matriks yang duktil dengan ketahanan korosi; Cr, Mo, dan Fe menyeimbangkan oksidasi dan kekuatan; Nb/Ta, Ti, dan Al memungkinkan pengerasan presipitasi ($\gamma''$ Ni3Nb adalah fase pengerasan utama). Jejak B dan C terikat di batas butir untuk mempengaruhi perilaku creep dan pecah. Varian 718H bukanlah paduan yang secara fundamental berbeda tetapi varian yang ditentukan dengan kimia dan praktik perlakuan panas yang dioptimalkan untuk stabilitas suhu tinggi jangka panjang dan creep.
3. Mikrostruktur dan Respons Perlakuan Panas
Mikrostruktur tipikal (seperti yang diproses) - Matriks: kubik pusat wajah (FCC) $\gamma$ (larutan padat Ni–Fe–Cr). - Presipitat penguat: platelet $\gamma''$ (Ni3Nb) koheren dan partikel bulat/teratur $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)). - Fase kedua: karbida MC (karbida Nb/Ti), fase batas butir (borida, karbida), dan kemungkinan presipitat $\delta$ (Ni3Nb) di bawah sejarah termal tertentu.
Respons perlakuan panas - Perlakuan larutan dan penuaan: 718 standar dilarutkan (biasanya 980–1066 °C tergantung pada bentuk produk) untuk melarutkan presipitat yang ada, diikuti oleh penuaan ganda yang terkontrol untuk mempresipitasi $\gamma''$ dan $\gamma'$, menghasilkan kekuatan puncak. Penuaan puncak menghasilkan kekuatan hasil dan tarik maksimum tetapi dapat meninggalkan beberapa kerentanan terhadap presipitat batas butir tergantung pada sejarah termal. - Praktik 718H: 718H menekankan perlakuan larutan dan jadwal penuaan yang meminimalkan pembentukan fase $\delta$ yang kasar dan rapuh atau fase antar butir sambil mempromosikan distribusi stabil presipitat penguat halus untuk creep jangka panjang. Varian H mungkin menggunakan suhu larutan atau waktu tahan yang berbeda dan kontrol kimia yang lebih ketat (C, B) untuk menggeser keseimbangan ke arah stabilitas jangka panjang daripada hanya kekerasan puncak. - Pemrosesan termo-mekanis: Penempaan dan pendinginan terkontrol mempengaruhi ukuran butir dan distribusi karbida/borida; 718H sering mendapatkan manfaat dari pemrosesan yang mengurangi presipitat batas butir yang merugikan untuk meningkatkan umur creep.
4. Sifat Mekanik
Sifat mekanik keluarga 718 sangat tergantung pada perlakuan panas dan bentuk produk. Tabel di bawah ini membandingkan kecenderungan fungsional daripada angka tetap tunggal.
| Sifat | Alloy 718 (kondisi puncak usia tipikal) | Alloy 718H (kondisi H untuk stabilitas suhu tinggi) |
|---|---|---|
| Kekuatan tarik | Sangat tinggi setelah penuaan puncak (dioptimalkan untuk beban statis dan kelelahan pada suhu sedang) | Sebanding atau sedikit lebih tinggi pada suhu tinggi; dirancang untuk kekuatan tarik/creep jangka panjang yang unggul |
| Kekuatan hasil | Tinggi dalam kondisi puncak usia | Serupa atau sedikit lebih tinggi untuk suhu layanan jangka panjang karena stabilitas mikrostruktur |
| Peregangan (duktilitas) | Duktilitas baik pada suhu ruangan | Duktilitas suhu ruangan sedikit berkurang dalam beberapa spesifikasi H karena kontrol karbida/presipitat |
| Ketangguhan impak | Umumnya baik ketika diperlakukan dan dipanaskan dengan benar | Dapat sedikit lebih rendah jika mikrostruktur dioptimalkan untuk creep (trade-off) |
| Kekerasan | Tinggi (dikeraskan usia) | Serupa atau sedikit lebih tinggi tergantung pada jadwal penuaan; dirancang untuk stabilitas di bawah paparan termal |
Mengapa perbedaan muncul: 718 mencapai kekuatan tinggi melalui presipitasi partikel $\gamma''$ dan $\gamma'$. Toleransi perlakuan panas dan komposisi 718H memprioritaskan stabilitas presipitat dan kimia batas butir sehingga kekuatan dan duktilitas dipertahankan selama paparan jangka panjang pada suhu tinggi, yang mungkin sedikit mempengaruhi metrik mekanis puncak jangka pendek.
5. Kemampuan Las
Kemampuan las tergantung pada komposisi, siklus termal, dan kerentanan terhadap retak.
- Setara karbon dan efek paduan: Paduan berbasis nikel lebih mudah dilas daripada banyak baja berkekuatan tinggi, tetapi Alloy 718 dapat rentan terhadap retak liquation di zona yang terpengaruh panas dan retak usia regangan jika tidak diperlakukan dengan benar setelah pengelasan.
- Ketika menilai kemampuan las untuk paduan nikel, rumus seperti setara karbon IIW dan $P_{cm}$ disesuaikan untuk baja; namun, berikut ini berguna dalam interpretasi kualitatif dan dalam konteks logam campuran: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretasi: Tingkat Nb, Ti, dan elemen minor yang tinggi meningkatkan kemampuan pengerasan paduan dan kecenderungan untuk retak solidifikasi atau retak usia regangan di bawah siklus termal yang cepat. Oleh karena itu:
- Pra-pemanasan, suhu antar-passing yang terkontrol, dan kecocokan metalurgi pengisi adalah praktik standar.
- Perlakuan larutan pasca-las dan penuaan biasanya diperlukan untuk memulihkan integritas korosi dan mekanis.
- 718H, karena ditentukan untuk layanan suhu tinggi jangka panjang, sering memerlukan prosedur las yang lebih ketat dan perlakuan panas pasca-las penuh untuk mencapai sifat creep dan pecah yang dirancang.
6. Korosi dan Perlindungan Permukaan
- Alloy 718 secara inheren tahan korosi dan oksidasi di banyak lingkungan karena kandungan Ni dan Cr yang tinggi. Untuk aplikasi non-korosif atau layanan di lingkungan agresif, perlakuan permukaan tambahan dapat diterapkan.
- Untuk analog indeks stainless, paduan dinilai dengan ukuran seperti PREN untuk baja tahan karat: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ tetapi PREN tidak berarti untuk superalloy berbasis nikel di mana Ni mendominasi dan Nb/Ti/Mo memiliki peran yang berbeda.
- Perlindungan permukaan: Untuk bagian keluarga 718, praktik umum termasuk pelapisan pelindung (pelapisan penghalang termal untuk suhu tinggi), shot peening untuk meningkatkan umur kelelahan, dan kontrol ketat terhadap finishing permukaan; galvanisasi atau pengecatan sederhana jarang dilakukan untuk paduan Nikel suhu tinggi.
7. Fabrikasi, Kemudahan Pemesinan, dan Kemudahan Pembentukan
- Kemudahan pemesinan: Alloy 718 cukup sulit untuk diproses karena kecenderungan pengerasan kerja dan kekuatan tinggi; alat karbida, sudut rake positif, dan umpan terkontrol disarankan. 718H, dengan kimia yang serupa, memiliki tuntutan pemesinan yang serupa; parameter pemesinan dapat diperketat untuk menghindari tempering atau pelunakan sebagian.
- Kemudahan pembentukan: Pembentukan dingin terbatas; penempaan panas dan kerja panas terkontrol adalah norma untuk komponen besar. 718H mungkin memerlukan sejarah termal tertentu untuk menghindari kerapuhan akibat presipitat kasar.
- Penyelesaian: Penggilingan, EDM, dan teknik penghilang stres permukaan adalah umum. Perlakuan panas pasca-proses (larutan + penuaan) sering kali wajib setelah pemrosesan termal atau mekanis yang signifikan, terutama untuk bagian 718H yang ditujukan untuk layanan creep.
8. Aplikasi Tipikal
| Alloy 718 | Alloy 718H |
|---|---|
| Poros turbin, cakram, dan pengikat di mana kekuatan tinggi dan ketahanan kelelahan diperlukan | Pengikatan suhu tinggi, katup, dan komponen turbin gas yang dirancang untuk umur creep yang panjang |
| Komponen mesin jet dan rumah rotor (di mana sifat puncak usia dimanfaatkan) | Komponen yang dimaksudkan untuk paparan berkepanjangan dekat batas suhu paduan di mana mikrostruktur yang stabil sangat penting |
| Bagian struktural kriogenik dan suhu ruangan di mana kekuatan dan ketangguhan gabungan diperlukan | Bagian yang menahan tekanan di pembangkit listrik dan pabrik petrokimia di mana umur pecah creep menjadi prioritas |
Rasional pemilihan: Pilih 718 standar ketika pengerasan puncak usia, ketangguhan suhu ruangan, dan kemampuan fabrikasi menjadi yang utama. Pilih 718H ketika umur desain pada suhu tinggi, meminimalkan penurunan sifat di bawah paparan termal, dan kekuatan creep jangka panjang yang terjamin menjadi pendorong.
9. Biaya dan Ketersediaan
- Biaya relatif: Kedua varian didasarkan pada paduan dasar yang sama dan menggunakan rute pemrosesan yang sama; perbedaan biaya biasanya moderat dan dipengaruhi oleh ketatnya spesifikasi, bentuk produk, dan persyaratan perlakuan panas/pemeriksaan. Bagian 718H mungkin lebih mahal karena toleransi kimia yang lebih ketat dan perlakuan panas serta pengujian yang lebih menuntut.
- Ketersediaan: Alloy 718 adalah salah satu superalloy nikel yang paling banyak tersedia di seluruh dunia; 718H juga umum tetapi mungkin memerlukan pemesanan berdasarkan spesifikasi H tertentu atau melalui pemasok khusus untuk komponen kritis.
10. Ringkasan dan Rekomendasi
| Kriteria | Alloy 718 | Alloy 718H |
|---|---|---|
| Kemampuan las | Baik dengan prosedur yang tepat; perlakuan panas pasca-las biasanya diperlukan | Memerlukan kontrol las yang lebih ketat dan perlakuan panas pasca-las penuh untuk memenuhi persyaratan creep |
| Kekuatan–Ketangguhan | Kekuatan puncak yang sangat baik dan ketangguhan yang baik setelah penuaan standar | Dioptimalkan untuk kekuatan jangka panjang pada suhu; mungkin mengorbankan beberapa ketangguhan jangka pendek |
| Biaya | Tersedia luas; biaya dasar | Premium sedikit untuk kimia/pemrosesan yang lebih ketat untuk stabilitas creep |
Rekomendasi - Pilih Alloy 718 jika kebutuhan utama adalah kekuatan statis dan kelelahan yang tinggi, ketangguhan suhu ruangan yang baik, dan respons pengerasan usia standar—dengan pengelasan konvensional dan perlakuan panas pasca-las yang diizinkan. - Pilih Alloy 718H jika komponen harus mempertahankan kekuatan dan menahan creep/pecah selama paparan jangka panjang pada suhu tinggi dan di mana kontrol tingkat spesifikasi (kimia, siklus larutan/usia) diperlukan untuk memastikan stabilitas mikrostruktur selama masa layanan.
Catatan akhir: Karena keluarga 718 sangat sensitif terhadap proses, spesifikasi pengadaan harus menyebutkan bentuk produk yang tepat, siklus larutan/usia, dan kriteria penerimaan (misalnya, tarik, pecah creep, kekerasan, mikrostruktur) yang diperlukan untuk layanan yang dimaksudkan. Konsultasikan spesifikasi material pengendali dan metalurgis pemasok saat memilih antara 718 dan 718H untuk komponen kritis.