718 против 718H – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Сплав 718 и его вариант 718H часто указываются там, где требуется сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и работы при повышенных температурах — например, в аэрокосмических вращающихся компонентах, газовых турбинах, высоконапорных клапанах и ядерных приложениях. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с дилеммой выбора: отдать предпочтение базовой химии и гибкости термообработки (легкость обработки и постсварочной обработки) или принять более высокую прочность/возрастное состояние, которое снижает требуемую постобработку, но ограничивает формуемость и выбор сварки.
Основное практическое различие между двумя марками заключается не в коренной смене семейства сплавов, а в поставляемом металлургическом состоянии и его влиянии на предзакаленное (предстареющее) состояние. Другими словами, 718H обычно предлагается с состоянием поставки или небольшим изменением химии, предназначенным для обеспечения более высокой прочности при получении или улучшенной стабильности при высоких температурах, в то время как стандартный 718 является базовой химией UNS N07718 Alloy 718 и чаще всего поставляется в состоянии, подвергнутом растворной обработке или мягкому отжигу для последующей обработки и окончательной старения.
1. Стандарты и обозначения
- Общие универсальные обозначения:
- UNS: N07718 (Сплав 718)
- Общие аэрокосмические/производственные спецификации, ссылающиеся на сплав 718: различные AMS (Спецификации аэрокосмических материалов) и спецификации ASTM для прутков, кованых изделий, плит и сварочных присадок. (Покупатели должны указывать точный номер AMS/ASTM/EN/GB/JIS, необходимый для их применения.)
- Классификация: никелевый осадочный суперсплав (не углеродная или низколегированная сталь).
- Типичные формы продукции, охватываемые стандартами: пруток, кованые изделия, плита, лист, труба и сварочная присадка (пруток/проволока).
Примечание: 718H обычно является обозначением отрасли или завода, указывающим либо на вариант состава, либо — чаще — на другое состояние поставки/термообработки. Всегда подтверждайте конкретный стандарт/указание на термообработку в документах на закупку и проектирование.
2. Химический состав и стратегия легирования
Таблица ниже показывает типичные диапазоны состава для стандартного сплава 718. 718H обычно сохраняет ту же базовую химию (Ni–Cr–Fe с Nb, Mo, Ti и Al) с небольшими корректировками, которые иногда вносят производители (например, немного более высокий углерод или контролируемые следовые элементы) для улучшения прочности на ползучесть или поведения осаждения. Поскольку практики на заводах различаются, окончательные спецификации заказа должны быть проверены.
| Элемент | Типичный сплав 718 (диапазон, вес%) | Примечания относительно 718H |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 718H может быть указан с немного более высоким верхним пределом углерода в некоторых спецификациях для улучшения прочности при высоких температурах; подтвердите в заказе. |
| Mn | ≤ 0.35 | Незначительное легирование. |
| Si | ≤ 0.35 | Обезвоживатель/контроль примесей. |
| P | ≤ 0.015 | Контроль примесей. |
| S | ≤ 0.015 | Контроль примесей. |
| Cr | 17.0 – 21.0 | Коррозионная и окислительная стойкость. |
| Ni | Остальное (~50 – 55) | Базовый элемент; обеспечивает матрицу и прочность при высоких температурах. |
| Mo | 2.8 – 3.3 | Укрепление твердого раствора; поддерживает стабильность карбидов/фаз. |
| V | обычно следы | Не является преднамеренным основным добавлением. |
| Nb (+Ta) | 4.75 – 5.5 (в виде Nb+Ta) | Ключевой для осаждения $\gamma''$ (прочность). |
| Ti | 0.65 – 1.15 | Работает с Al для формирования укрепляющих осадков. |
| B | ≤ 0.006 | Небольшие добавки улучшают прочность границ зерен. |
| N | ≤ 0.05 | Обычно низкий; влияет на образование нитридов. |
Как работает стратегия легирования: - Ni обеспечивает матричную фазу (аустенитная матрица в никелевых сплавах) и базовую прочность при высоких температурах. - Cr обеспечивает стойкость к окислению/коррозии. - Nb (и Ta), Ti и Al образуют мелкие когерентные осадки (в основном $\gamma''$ и некоторые $\gamma'$), которые обеспечивают основную часть прочности на старение. - Mo способствует укреплению твердого раствора и стойкости к ползучести при высоких температурах. - Микролегирующие элементы (B, C) и низкие уровни N влияют на когезию границ зерен и поведение при ползучести.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
- Типичная микроструктура 718 (состояние, подвергнутое растворной обработке или отжигу): преимущественно $\gamma$ (никелевая матрица) с карбидами и фоном грубой зернистой структуры, если не подвергалось механической обработке. После старения мелкая дисперсия когерентных пластинок $\gamma''$ (Ni3Nb) и некоторых осадков $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) определяет предел текучести.
- Маршруты термообработки 718:
- Растворная обработка (например, 980–1020 °C), за которой следует контролируемое охлаждение для растворения осадков, затем старение (один или два цикла старения) для осаждения $\gamma''$ и $\gamma'$.
- Термо-механическая обработка (ковка/прокат), за которой следует растворная обработка и старение для уточнения зерен и оптимизации прочности на усталость и ползучесть.
- Микроструктура/реакция 718H:
- 718H обычно обрабатывается или термообрабатывается для получения более жесткого состояния при поставке (частичное старение или стабилизированная микроструктура), предназначенного для улучшения прочности при получении и/или стабильности при высоких температурах. Это снижает степень растворения, доступного для последующей механической формовки, или степень дальнейшего старения, которая практична без повторной растворной обработки.
- Если у 718H изменены пределы углерода или следовых элементов, эти изменения в первую очередь влияют на осаждение карбидов и химию границ зерен, что, в свою очередь, влияет на ползучесть и долгосрочную стабильность при высоких температурах.
Практическое значение: Стандартный 718 предлагает более широкий диапазон постпоставочной обработки (легче формовать, сваривать или повторно термообрабатывать), в то время как 718H снижает количество этапов обработки, поступая в состоянии с более высокой прочностью/стабилизацией за счет некоторой формуемости и свободы сварки.
4. Механические свойства
Значения свойств для сплава 718 сильно зависят от обработки и состояния старения. Таблица ниже предоставляет качественные и типичные диапазоны; точные значения должны быть взяты из соответствующей спецификации или отчета о заводских испытаниях.
| Свойство | Типичный сплав 718 (растворная обработка и старение) | Типичный 718H (при поставке предстареный/стабилизированный) |
|---|---|---|
| Прочность на разрыв (UTS) | Высокая; типичные диапазоны зависят от обработки старением (часто 1000–1400 МПа) | Сравнимая или немного выше в состоянии при поставке из-за предстарения |
| Предел текучести (0.2% смещение) | Высокий (часто >700–1000 МПа в зависимости от старения) | Обычно выше при поставке; меньший потенциал для дальнейшего увеличения за счет старения |
| Удлинение (в 50 мм) | Умеренное (8–20%, в зависимости от состояния) | Низкая пластичность по сравнению с мягким отожженным 718 из-за более высокой прочности |
| Ударная вязкость | Хорошая при комнатной температуре, если правильно термообработано; может снизиться с грубой зернистостью или переостарением | Может быть снижена по сравнению с мягким 718, если произведена в более жестком состоянии |
| Твердость | Меняется в зависимости от старения (обычно ~30–40 HRC в условиях пикового старения при преобразовании) | Твердость при поставке обычно выше; меньше изменений с последующим старением без повторного растворения |
Интерпретация: - Что сильнее? В состоянии при поставке 718H обычно сильнее. После полной контролируемой термообработки стандартный 718 может достичь аналогичных пиковых свойств, если он был подвергнут растворной обработке и правильно старен. - Что более прочное/пластичное? Стандартный 718, предоставленный в мягком/растворном состоянии или в правильно закаленном состоянии, предложит лучшую формуемость и более высокую пластичность перед окончательным старением. 718H жертвует некоторой пластичностью ради прочности и стабильности при получении.
5. Сварка
Сварка никелевых сплавов семейства 718 в целом хороша по сравнению с высокопрочными сталями, но требуется осторожность из-за старения, потенциальной сегрегации и контроля образования дельта-фазы или фазы Лавеса. - Ключевые факторы сварки: эффекты эквивалента углерода менее применимы для никелевых сплавов, чем для сталей, но закаливаемость от Nb/Ti и контролируемых осадков углерода имеет значение. Образование осадков вблизи сварного шва может сделать зоны термического воздействия хрупкими или закаленными. - Полезные качественные индексы: - Для сталей используются эквиваленты углерода; для никелевых сплавов учитываются сегрегация и элементы, образующие осадки. - Тем не менее, при сравнении свариваемости практики могут использовать стандартные формулы стали в качестве качественного ориентира. Например: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Интерпретация (качественная): более высокие значения предполагают необходимость в большем предварительном/последующем нагреве и контролируемом охлаждении. Сплавы 718 требуют контролируемого предварительного нагрева/межпроходного и постсварочного термообработки, чтобы избежать вредного образования осадков и восстановить проектные механические свойства. - Практическое примечание: 718H, поставляемый в предстареном/частично старом состоянии, может быть менее терпим к сварке без полной повторной растворной и повторной термообработки. Если требуется обширная сварка, укажите растворно-отожженный 718 или планируйте постсварочную растворную и термообработку.
6. Коррозия и защита поверхности
- Семейство сплава 718: хорошая общая коррозионная стойкость и отличная стойкость к окислению во многих средах до промежуточных температур. Не является "суперior" по классу нержавеющей стали для сильно окисляющих или хлорированных сред, где требуются специализированные сплавы.
- Защита поверхности для не нержавеющих или деградированных поверхностей: механическая отделка, защитные покрытия или специализированное покрытие могут использоваться в зависимости от условий эксплуатации.
- PREN (Эквивалентный номер стойкости к коррозии) обычно применяется к нержавеющим сплавам; для никелевых сплавов этот индекс не используется. Для справки, PREN: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ но это не установленный метрический показатель производительности для сплава 718.
- 718 и 718H имеют в целом схожее поведение при коррозии, поскольку базовое содержание Cr и Ni по сути не изменилось. Небольшие различия в химии или термообработке, которые изменяют осадки (карбиды, фаза Лавеса), могут влиять на локальную коррозионную восприимчивость и поведение границ зерен на протяжении срока службы, особенно в агрессивных средах.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость: никелевые суперсплавы сложнее обрабатывать, чем низколегированные стали. Как 718, так и 718H схожи по характеристикам резания, но более высокая твердость 718H при поставке может сократить срок службы инструмента и потребовать более жестких параметров инструмента.
- Формуемость: стандартный растворно-обработанный 718 (мягкий) более податлив для холодной формовки и формовки. 718H в предстареном состоянии будет менее формуемым и может потребовать горячей обработки или повторной растворной обработки перед значительной формовкой.
- Отделка: шлифовка, полировка и EDM являются обычными. Термообработки и остаточные напряжения должны учитываться для компонентов с жесткими допусками.
8. Типичные применения
| Сплав 718 (стандартный) | Сплав 718H |
|---|---|
| Аэрокосмические вращающиеся части, где постобработка старением выполняется производителем или пользователем; компоненты, требующие высокой прочности после контролируемой термообработки; кованые изделия и прутки, предназначенные для механической обработки и последующей термообработки. | Компоненты, указанные для поступления в состоянии с более высокой прочностью или стабилизированным состоянием (например, клапаны, фитинги или компоненты, для которых старение на заводе непрактично); приложения, требующие улучшенной стабильности при ползучести при поставке. |
| Ремонтируемые компоненты, где планируется сварка и повторная термообработка | Части, где приоритетом является снижение необходимости в дальнейшей обработке; полевые установки с ограниченной возможностью постсварочной растворной обработки и старения |
| Применения с высокой прочностью, где проектировщики указывают полные циклы растворной обработки и старения для достижения лучших свойств | Ситуации, когда закупка требует более высокой прочности и размерной стабильности при получении; иногда используется, когда ожидается длительная работа при высоких температурах без дальнейших циклов старения |
Обоснование выбора: - Выбирайте стандартный 718, когда требуется последующая формовка, сварка или индивидуальная термообработка. - Выбирайте 718H, когда покупатели требуют более высокой прочности/стабильности при поставке и когда последующие термические циклы непрактичны или когда требуется стабильность, подтвержденная на заводе, для длительной работы при повышенных температурах.
9. Стоимость и доступность
- Относительная стоимость: оба являются никелевыми суперсплавами и имеют высокие затраты на сырье; 718H может иметь умеренную надбавку, если завод выполняет дополнительную стабилизацию/обработку или если требуется более строгий контроль следовых элементов.
- Доступность: Сплав 718 в стандартных спецификациях широко доступен по всему миру в виде прутков, кованых изделий, плит и сварочных присадок. Доступность 718H более специфична для завода и может иметь ограниченные варианты сертификации или более длительные сроки поставки в зависимости от требуемой термообработки и документации.
- Форма продукции имеет значение: прутки и кованые изделия обычно есть в наличии; нестандартные размеры или специальные термообработанные условия (718H) могут потребовать более длительных сроков поставки.
10. Резюме и рекомендации
| Атрибут | 718 (стандартный) | 718H |
|---|---|---|
| Сварка | Хорошая с соблюдением стандартных мер предосторожности; легче, если поставляется в состоянии растворного отжига | Более ограниченная; предстареное состояние может усложнить сварку без постсварочной растворной обработки/старения |
| Баланс прочности и прочности | Гибкий: может быть адаптирован с помощью термообработки для балансировки прочности и прочности | Более высокая прочность при получении; может иметь сниженные пластичность и прочность по сравнению с мягким 718 |
| Стоимость | Базовая для сплава 718 | Небольшая надбавка возможна для предстабилизированного/стареного продукта |
Заключение — четкие рекомендации: - Выбирайте 718 (стандартный UNS N07718), если вам нужна гибкость: если будет выполнена значительная формовка, механическая обработка или сварка перед окончательной термообработкой, или если вы планируете выполнять контролируемую растворную обработку и старение в вашем учреждении для достижения пиковых свойств. - Выбирайте 718H, если вам нужен компонент, который поступает в состоянии с более высокой прочностью или стабилизированным состоянием (сниженная необходимость в последующей термообработке), если приоритетом является долгосрочная стабильность при высоких температурах в эксплуатации, или если ограничения закупки требуют готового к использованию, более прочного состояния поставки — но планируйте на снижение формуемости и более строгие процедуры сварки/послесварки.
Заключительное примечание: Поскольку "718H" может быть обозначением, специфичным для завода или покупателя, всегда указывайте требуемую химию, механические свойства, термообработку и требования после сварки в документах на закупку. Запрашивайте отчеты о заводских испытаниях и записи термообработки и подтверждайте, является ли поставляемый материал растворно-отожженным, полностью стареным или предстабилизированным, чтобы обеспечить предсказуемость обработки и эксплуатационных характеристик.