718 против 718H – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Сплав 718 и его близкий вариант 718H широко используются в высокопроизводительных компонентах для аэрокосмической, энергетической и нефтехимической промышленности. Инженеры и специалисты по закупкам регулярно сталкиваются с компромиссами при выборе между ними: оптимизация прочности и сопротивления ползучести при повышенной температуре против максимизации свариваемости, прочности и экономической эффективности. Типичные контексты принятия решений включают вращающиеся детали, которые требуют сопротивления усталости, болты и крепежные элементы, подвергающиеся высоким температурам, и сварные сборки, где термообработка после сварки ограничена.
Основное практическое различие между 718 и 718H заключается в их предполагаемом металлургическом состоянии и окне термообработки: 718H специфицируется для обеспечения повышенной стабильности и производительности при ползучести при длительном воздействии высоких температур за счет контролируемой химии и практики термообработки, в то время как стандартный 718 оптимизирован для максимального старения и баланса механических свойств при комнатной температуре и обрабатываемости. Поскольку оба сорта имеют одну и ту же базовую систему сплава (Ni–Cr–Fe с Nb/Ta, Mo, Ti и Al), их обычно сравнивают, когда проект требует оценки долгосрочной прочности при высоких температурах, сварочного ремонта и стратегий постобработки.
1. Стандарты и обозначения
Общие спецификации и отраслевые обозначения для продуктов семейства сплава 718 включают международные и национальные документы, используемые производителями и покупателями:
- Спецификации в стиле AMS/SAE/ASTM (используются в аэрокосмической и промышленной цепочках поставок).
- Эквиваленты EN/DIN для никелевых сплавов в Европе.
- Стандарты JIS для японских поставщиков.
- Серия GB/T для китайского производства и закупок.
Классификация: Сплав 718 и 718H являются никелевыми суперсплавами с осаждением (не углеродными сталями, инструментальными сталями или HSLA). Обычно они специфицируются для форм в виде прутков, плит, ковки и сварных изделий.
2. Химический состав и стратегия легирования
Семейство сплава 718 представляет собой матрицу Ni–Cr–Fe, укрепленную в основном за счет осаждения упорядоченных интерметаллических фаз ($\gamma''$ и $\gamma'$) и контролируемых микроаллоидных карбидов/боридов. Типичная химия (номинальные диапазоны, мас.%) стандартного сплава 718 показана ниже; обратите внимание, что точные пределы зависят от контролирующей спецификации.
| Элемент | Типичный состав (сплав 718, мас.%) | Примечания по 718H |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 718H часто имеет более строгий контроль; небольшое увеличение C может быть разрешено для улучшения стабильности ползучести/карбидов |
| Mn | ≤ 0.35 | Низкий, чтобы минимизировать вредные фазы |
| Si | ≤ 0.35 | Обезуглероживание; ограничено для контроля плавления и включений |
| P | ≤ 0.015 | Сохраняется на низком уровне для поддержания пластичности и коррозионной стойкости |
| S | ≤ 0.015 | Сохраняется на низком уровне, чтобы избежать горячих трещин |
| Cr | 17.0 – 21.0 | Обеспечивает стойкость к окислению и коррозии |
| Ni | 50.0 – 55.0 | Основной элемент матрицы |
| Mo | 2.8 – 3.3 | Укрепление твердого раствора |
| V | следы | Не является преднамеренной добавкой в стандартном 718 |
| Nb (+Ta) | 4.75 – 5.5 (Nb+Ta) | Ключевой для осаждения $\gamma''$ |
| Ti | 0.65 – 1.15 | Способствует образованию $\gamma'$ и $\gamma''$ |
| B | ≤ 0.006 | Следовые добавки улучшают прочность на границах зерен; 718H может контролировать B для ползучести |
| N | следы | Контролируемые низкие уровни |
Стратегия легирования: Высокий Ni обеспечивает пластичную матрицу с коррозионной стойкостью; Cr, Mo и Fe балансируют окисление и прочность; Nb/Ta, Ti и Al позволяют осаждение твердых растворов ($\gamma''$ Ni3Nb является основной фазой упрочнения). Следовые B и C связываются на границах зерен, чтобы повлиять на поведение ползучести и разрушения. Вариант 718H не является принципиально другим сплавом, а специфицированным вариантом с химией и практикой термообработки, оптимизированными для долгосрочной стабильности при повышенной температуре и ползучести.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичная микроструктура (в обработанном состоянии) - Матрица: кубическая решетка с центром на грани (FCC) $\gamma$ (твердый раствор Ni–Fe–Cr). - Укрепляющие осадки: когерентные пластинки $\gamma''$ (Ni3Nb) и сферические/упорядоченные частицы $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)). - Вторичные фазы: карбиды MC (карбиды Nb/Ti), фазы на границах зерен (бориды, карбиды) и возможные осадки $\delta$ (Ni3Nb) при определенных термических историях.
Реакция на термообработку - Обработка раствором и старение: Стандартный 718 подвергается отжигу в растворе (обычно 980–1066 °C в зависимости от формы продукта) для растворения существующих осадков, за которым следует контролируемое двойное старение для осаждения $\gamma''$ и $\gamma'$, что приводит к максимальной прочности. Максимальное старение обеспечивает максимальную текучесть и прочность на разрыв, но может оставить некоторую восприимчивость к осадкам на границах зерен в зависимости от термической истории. - Практика 718H: 718H акцентирует внимание на отжиге в растворе и графиках старения, которые минимизируют образование грубых, хрупких фаз $\delta$ или межзеренных фаз, одновременно способствуя стабильному распределению мелких укрепляющих осадков для долгосрочной ползучести. Вариант H может использовать разные температуры раствора или время выдержки и более строгий контроль химии (C, B), чтобы сместить баланс в пользу долгосрочной стабильности, а не только максимальной твердости. - Термомеханическая обработка: Ковка и контролируемое охлаждение влияют на размер зерна и распределение карбидов/боридов; 718H часто выигрывает от обработки, которая уменьшает вредные осадки на границах зерен, чтобы улучшить срок службы при ползучести.
4. Механические свойства
Механические свойства семейства 718 сильно зависят от термообработки и формы продукта. Таблица ниже сравнивает функциональные тенденции, а не фиксированные числа.
| Свойство | Сплав 718 (типичное состояние после пикового старения) | Сплав 718H (H-состояние для стабильности при повышенной температуре) |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв | Очень высокая после пикового старения (оптимизирована для статической и усталостной нагрузки при умеренных температурах) | Сравнима с более высокой при повышенных температурах; спроектирована для превосходной долгосрочной прочности на разрыв/ползучести |
| Прочность текучести | Высокая в состоянии пикового старения | Сравнимая или немного выше для долгосрочных рабочих температур из-за стабильности микроструктуры |
| Удлинение (пластичность) | Хорошая пластичность при комнатной температуре | Немного сниженная пластичность при комнатной температуре в некоторых спецификациях H из-за контроля карбидов/осадков |
| Ударная вязкость | Как правило, хорошая при правильном старении и термообработке | Может быть немного ниже, если микроструктура оптимизирована для ползучести (компромисс) |
| Твердость | Высокая (старение) | Сравнимая или немного выше в зависимости от графика старения; спроектирована для стабильности при термическом воздействии |
Почему возникают различия: 718 достигает высокой прочности за счет осаждения мелких частиц $\gamma''$ и $\gamma'$. Т tolerances на термообработку и состав 718H придают приоритет стабильности осадков и химии на границах зерен, чтобы прочность и пластичность сохранялись во время длительных воздействий при повышенной температуре, что может умеренно повлиять на краткосрочные пиковые механические характеристики.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит от состава, термических циклов и восприимчивости к трещинам.
- Углеродный эквивалент и эффекты легирования: Никелевые сплавы более свариваемы, чем многие высокопрочные стали, но сплав 718 может быть подвержен ликвационным трещинам в зоне термического влияния и трещинам старения при напряжении, если не будет правильно обработан после сварки.
- При оценке свариваемости никелевых сплавов формулы, такие как углеродный эквивалент IIW и $P_{cm}$, адаптированы для сталей; однако следующие формулы полезны для качественной интерпретации и в контексте смешанных металлов: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Интерпретация: Высокие уровни Nb, Ti и легирующих элементов увеличивают закаливаемость сплава и склонность к трещинам при затвердевании или старении под быстрыми термическими циклами. Поэтому:
- Предварительный подогрев, контролируемые температуры межпрохода и соответствующая металлургия присадок являются стандартной практикой.
- Обработка раствором после сварки и старение обычно требуются для восстановления коррозионной и механической целостности.
- 718H, поскольку он специфицирован для долгосрочной службы при повышенной температуре, часто требует более строгих процедур сварки и полной термообработки после сварки для достижения заданных свойств ползучести и разрушения.
6. Коррозия и защита поверхности
- Сплав 718 по своей природе устойчив к коррозии и окислению во многих средах благодаря высокому содержанию Ni и Cr. Для некоррозионных применений или работы в агрессивных средах могут применяться дополнительные обработки поверхности.
- Для аналогов нержавеющей стали сплавы оцениваются с помощью таких мер, как PREN для нержавеющих сталей: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ но PREN не имеет смысла для никелевых суперсплавов, где доминирует Ni, а Nb/Ti/Mo играют разные роли.
- Защита поверхности: Для деталей семейства 718 общие практики включают защитные покрытия (термобарьерные покрытия для высоких температур), дробеструйную обработку для улучшения срока службы при усталости и строгий контроль отделки поверхности; оцинковка или простая покраска не распространены для никелевых сплавов при высоких температурах.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: Сплав 718 умеренно труден в обработке из-за тенденции к упрочнению при деформации и высокой прочности; рекомендуется использовать карбидные инструменты, положительные углы резания и контролируемые подачи. 718H, с аналогичной химией, имеет аналогичные требования к обработке; параметры обработки могут быть ужесточены, чтобы избежать отпускания или частичного размягчения.
- Формуемость: Холодная формовка ограничена; горячая ковка и контролируемая горячая обработка являются нормой для крупных компонентов. 718H может требовать специфической термической истории, чтобы избежать хрупкости от грубых осадков.
- Отделка: Шлифовка, EDM и методы снятия напряжений на поверхности являются обычными. Термообработка после процесса (раствор + старение) часто обязательна после значительной термической или механической обработки, особенно для деталей 718H, предназначенных для работы при ползучести.
8. Типичные применения
| Сплав 718 | Сплав 718H |
|---|---|
| Валы турбин, диски и крепежные элементы, где требуются высокая прочность и устойчивость к усталости | Высокотемпературные болты, клапаны и компоненты газовых турбин, спроектированные для длительного срока службы при ползучести |
| Компоненты реактивных двигателей и корпуса роторов (где используются свойства пикового старения) | Компоненты, предназначенные для длительного воздействия вблизи температурных пределов сплава, где критична стабильная микроструктура |
| Криогенные и структурные детали при комнатной температуре, где необходимы комбинированные прочность и прочность на удар | Детали, содержащие давление в энергетических и нефтехимических установках, где приоритетом является срок службы при ползучести |
Обоснование выбора: Выбирайте стандартный 718, когда первоочередными являются максимальное старение, прочность при комнатной температуре и обрабатываемость. Выбирайте 718H, когда срок службы при повышенной температуре, минимизация деградации свойств при термическом воздействии и гарантированная долгосрочная прочность на ползучесть являются основными факторами.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: Оба варианта основаны на одном и том же базовом сплаве и используют одни и те же технологические процессы; различия в стоимости обычно незначительны и зависят от строгости спецификации, формы продукта и требований к термообработке/инспекции. Части 718H могут стоить дороже из-за более строгих химических допусков и более требовательной термообработки и испытаний.
- Доступность: Сплав 718 является одним из самых широко доступных никелевых суперсплавов в мире; 718H также распространен, но может потребовать заказа по конкретной спецификации H или через специализированных поставщиков для критических компонентов.
10. Резюме и рекомендации
| Критерии | Сплав 718 | Сплав 718H |
|---|---|---|
| Свариваемость | Хорошая при правильной процедуре; термообработка после сварки обычно требуется | Требует более строгого контроля сварки и полной термообработки после сварки для соответствия требованиям ползучести |
| Прочность–Устойчивость | Отличная пиковая прочность и хорошая прочность после стандартного старения | Оптимизирована для долгосрочной прочности при температуре; может уступить в краткосрочной прочности |
| Стоимость | Широко доступен; базовая стоимость | Небольшая надбавка за более строгую химию/обработку для стабильности при ползучести |
Рекомендация - Выбирайте сплав 718, если основными потребностями являются высокая статическая и усталостная прочность, хорошая прочность при комнатной температуре и стандартная реакция на старение — с разрешенной обычной сваркой и термообработкой после сварки. - Выбирайте сплав 718H, если компонент должен сохранять прочность и сопротивляться ползучести/разрушению при длительных воздействиях при повышенной температуре и где требуется контроль на уровне спецификации (химия, циклы раствора/старения), чтобы обеспечить стабильность микроструктуры на протяжении всего срока службы.
Заключительная заметка: Поскольку семейство 718 очень чувствительно к процессам, спецификации закупок должны четко указывать точную форму продукта, циклы раствора/старения и критерии приемки (например, прочность на разрыв, ползучесть, твердость, микроструктура), необходимые для предполагаемой службы. Консультируйтесь с контролирующей спецификацией материала и металлургом поставщика при выборе между 718 и 718H для критических компонентов.