718 so với 718H – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Hợp kim 718 và biến thể liên quan chặt chẽ 718H được sử dụng rộng rãi trong các linh kiện hiệu suất cao cho ngành hàng không vũ trụ, phát điện và hóa dầu. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải đối mặt với sự đánh đổi khi lựa chọn giữa chúng: tối ưu hóa độ bền và khả năng chống rão ở nhiệt độ cao so với việc tối đa hóa khả năng hàn, độ bền và hiệu quả chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các bộ phận quay đòi hỏi khả năng chống mỏi, bu lông và ốc vít tiếp xúc với nhiệt độ cao, và các cụm hàn bị hạn chế về xử lý nhiệt sau hàn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa 718 và 718H nằm ở điều kiện luyện kim và khoảng thời gian xử lý nhiệt dự kiến: 718H được thiết kế để mang lại độ ổn định và hiệu suất chống rão được cải thiện khi tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài thông qua quy trình hóa học và xử lý nhiệt được kiểm soát, trong khi tiêu chuẩn 718 được tối ưu hóa cho quá trình tôi cứng ở tuổi cao nhất và cân bằng giữa các đặc tính cơ học và khả năng chế tạo ở nhiệt độ phòng. Vì cả hai loại thép đều sử dụng cùng một hệ hợp kim cơ bản (Ni–Cr–Fe với Nb/Ta, Mo, Ti và Al), chúng thường được so sánh khi một thiết kế đòi hỏi phải đánh giá về độ bền nhiệt độ cao trong thời gian dài, các chiến lược sửa chữa mối hàn và hậu xử lý.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các thông số kỹ thuật chung và tên gọi ngành cho các sản phẩm thuộc dòng Alloy 718 bao gồm các tài liệu quốc tế và quốc gia được nhà sản xuất và người mua sử dụng:

• Thông số kỹ thuật theo phong cách AMS/SAE/ASTM (được sử dụng trong chuỗi cung ứng công nghiệp và hàng không vũ trụ).
• Tiêu chuẩn tương đương EN/DIN cho hợp kim Niken ở Châu Âu.
• Tiêu chuẩn JIS dành cho nhà cung cấp Nhật Bản.
• Dòng GB/T dành cho sản xuất và mua sắm tại Trung Quốc.

Phân loại: Hợp kim 718 và 718H là siêu hợp kim tôi kết tủa gốc niken (không phải thép cacbon, thép dụng cụ hoặc HSLA). Chúng thường được chỉ định cho các dạng sản phẩm thanh, tấm, rèn và hàn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Hợp kim 718 là một ma trận Ni–Cr–Fe được gia cường chủ yếu bằng cách kết tủa các pha liên kim loại có trật tự ($\gamma''$ và $\gamma'$) và các hợp kim cacbua/borua vi mô được kiểm soát. Thành phần hóa học điển hình (khoảng danh nghĩa, wt%) của hợp kim 718 tiêu chuẩn được thể hiện bên dưới; lưu ý rằng giới hạn chính xác phụ thuộc vào thông số kỹ thuật kiểm soát.

Yếu tố	Thành phần điển hình (Hợp kim 718, wt%)	Ghi chú về 718H
C	0,03 – 0,08	718H thường có khả năng kiểm soát chặt chẽ hơn; có thể cho phép tăng một chút C để cải thiện độ ổn định của vật liệu cacbua/rơi tự do
Mn	≤ 0,35	Thấp để giảm thiểu các giai đoạn có hại
Si	≤ 0,35	Khử oxy hóa; giới hạn để kiểm soát sự tan chảy và tạp chất
P	≤ 0,015	Giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo và khả năng chống ăn mòn
S	≤ 0,015	Giữ ở nhiệt độ thấp để tránh nứt nóng
Cr	17,0 – 21,0	Cung cấp khả năng chống oxy hóa và ăn mòn
Ni	50,0 – 55,0	Phần tử ma trận chính
Mo	2,8 – 3,3	Dung dịch rắn tăng cường
V	dấu vết	Không phải là sự bổ sung có chủ ý trong tiêu chuẩn 718
Nb (+Ta)	4,75 – 5,5 (Nb+Ta)	Chìa khóa để tăng cường lượng mưa $\gamma''$
Ti	0,65 – 1,15	Góp phần hình thành $\gamma'$ và $\gamma''$
B	≤ 0,006	Việc bổ sung dấu vết cải thiện độ bền ranh giới hạt; 718H có thể kiểm soát B đối với hiện tượng rão
N	dấu vết	Mức độ thấp được kiểm soát

Chiến lược hợp kim: Ni cao tạo ra một nền dẻo có khả năng chống ăn mòn; Cr, Mo và Fe cân bằng quá trình oxy hóa và độ bền; Nb/Ta, Ti và Al cho phép tôi kết tủa ($\gamma''$ Ni3Nb là pha tôi chính). Vết B và C liên kết tại ranh giới hạt để ảnh hưởng đến độ rão và độ đứt gãy. Biến thể 718H không phải là một hợp kim khác biệt về cơ bản mà là một biến thể được chỉ định với quy trình xử lý nhiệt và hóa học được tối ưu hóa cho độ ổn định và độ rão ở nhiệt độ cao trong thời gian dài.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô điển hình (đã qua xử lý) - Ma trận: khối lập phương tâm mặt (FCC) $\gamma$ (dung dịch rắn Ni–Fe–Cr). - Kết tủa tăng cường: các tiểu cầu $\gamma''$ (Ni3Nb) kết dính và các hạt $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) hình cầu/có trật tự. - Pha thứ hai: Cacbua MC (cacbua Nb/Ti), pha ranh giới hạt (borua, cacbua) và có thể kết tủa $\delta$ (Ni3Nb) theo một số lịch sử nhiệt nhất định.

Phản ứng xử lý nhiệt - Xử lý dung dịch và lão hóa: Tiêu chuẩn 718 được ủ trong dung dịch (thường ở nhiệt độ 980–1066 °C tùy thuộc vào dạng sản phẩm) để hòa tan các kết tủa hiện có, sau đó được ủ kép có kiểm soát để kết tủa $\gamma''$ và $\gamma'$, tạo ra cường độ cực đại. Lão hóa cực đại tạo ra giới hạn chảy và cường độ kéo tối đa nhưng có thể để lại một số nguy cơ kết tủa ranh giới hạt tùy thuộc vào lịch sử nhiệt. - Thực hành 718H: 718H nhấn mạnh vào các quy trình ủ và lão hóa dung dịch giúp giảm thiểu sự hình thành các pha $\delta$ thô, giòn hoặc pha liên hạt, đồng thời thúc đẩy sự phân bố ổn định của các kết tủa gia cường mịn cho quá trình rão dài hạn. Biến thể H có thể sử dụng các nhiệt độ dung dịch hoặc thời gian giữ khác nhau và kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn (C, B) để chuyển dịch cân bằng theo hướng có lợi cho sự ổn định lâu dài thay vì chỉ đạt độ cứng tối đa. - Xử lý nhiệt cơ học: Rèn và làm nguội có kiểm soát ảnh hưởng đến kích thước hạt và sự phân bố của cacbua/borua; 718H thường được hưởng lợi từ quá trình xử lý giúp giảm các chất kết tủa có hại ở ranh giới hạt để tăng tuổi thọ kéo dài.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của họ 718 phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý nhiệt và hình dạng sản phẩm. Bảng dưới đây so sánh các xu hướng chức năng thay vì các số cố định đơn lẻ.

Tài sản	Hợp kim 718 (điều kiện điển hình của thời kỳ đỉnh cao)	Hợp kim 718H (Điều kiện H để tăng độ ổn định nhiệt độ)
Độ bền kéo	Rất cao sau khi lão hóa đạt đỉnh (tối ưu hóa cho tải tĩnh và tải mỏi ở nhiệt độ vừa phải)	Có thể so sánh với nhiệt độ cao hơn; được thiết kế để có độ bền kéo/biến dạng dài hạn vượt trội
Sức chịu lực	Cao ở trạng thái đỉnh cao	Tương tự hoặc cao hơn một chút đối với nhiệt độ sử dụng lâu dài do tính ổn định của cấu trúc vi mô
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt ở nhiệt độ phòng	Độ dẻo ở nhiệt độ phòng giảm nhẹ trong một số thông số kỹ thuật H do kiểm soát cacbua/kết tủa
Độ bền va đập	Nói chung là tốt khi được ủ đúng cách và xử lý nhiệt	Có thể thấp hơn một chút nếu cấu trúc vi mô được tối ưu hóa cho hiện tượng rão (đánh đổi)
Độ cứng	Cao (cứng theo tuổi tác)	Tương tự như hơi cao hơn tùy thuộc vào lịch trình lão hóa; được thiết kế để ổn định khi tiếp xúc với nhiệt

Nguyên nhân phát sinh sự khác biệt: 718 đạt được độ bền cao thông qua quá trình kết tủa các hạt $\gamma''$ và $\gamma'$ mịn. Xử lý nhiệt và dung sai thành phần của 718H ưu tiên tính ổn định của kết tủa và tính chất hóa học ranh giới hạt để duy trì độ bền và độ dẻo trong quá trình tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao, điều này có thể ảnh hưởng một chút đến các chỉ số cơ học đỉnh cao trong thời gian ngắn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào thành phần, chu kỳ nhiệt và khả năng nứt.

• Hiệu ứng hợp kim và tương đương cacbon: Hợp kim gốc niken dễ hàn hơn nhiều loại thép có độ bền cao, nhưng Hợp kim 718 có thể dễ bị nứt hóa lỏng ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt và nứt do lão hóa ứng suất nếu không được xử lý sau khi hàn đúng cách.
• Khi đánh giá khả năng hàn của hợp kim niken, các công thức như công thức tương đương cacbon IIW và $P_{cm}$ được thiết kế riêng cho thép; tuy nhiên, những công thức sau đây hữu ích trong việc giải thích định tính và trong bối cảnh kim loại hỗn hợp: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Diễn giải: Hàm lượng Nb, Ti và các nguyên tố phụ cao làm tăng khả năng tôi cứng của hợp kim và xu hướng đông đặc hoặc nứt do biến dạng trong các chu kỳ nhiệt nhanh. Do đó:
• Việc nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp và luyện kim phụ phù hợp là những biện pháp thực hành tiêu chuẩn.
• Ủ dung dịch sau hàn và làm già thường được yêu cầu để phục hồi khả năng chống ăn mòn và tính toàn vẹn về mặt cơ học.
• 718H, vì được chỉ định sử dụng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, thường yêu cầu quy trình hàn nghiêm ngặt hơn và xử lý nhiệt hoàn toàn sau khi hàn để đạt được các đặc tính chống rão và đứt gãy theo thiết kế.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hợp kim 718 có khả năng chống ăn mòn và oxy hóa trong nhiều môi trường nhờ hàm lượng Ni và Cr cao. Đối với các ứng dụng không ăn mòn hoặc hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, có thể áp dụng các phương pháp xử lý bề mặt bổ sung.
• Đối với các chất tương tự chỉ số thép không gỉ, hợp kim được đánh giá bằng các biện pháp như PREN đối với thép không gỉ: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ nhưng PREN không có ý nghĩa đối với siêu hợp kim gốc niken, trong đó Ni chiếm ưu thế và Nb/Ti/Mo có vai trò khác nhau.
• Bảo vệ bề mặt: Đối với các bộ phận thuộc dòng 718, các biện pháp thông thường bao gồm lớp phủ bảo vệ (lớp phủ chắn nhiệt cho nhiệt độ cao), phun bi để cải thiện tuổi thọ chịu mỏi và kiểm soát chặt chẽ lớp hoàn thiện bề mặt; mạ kẽm hoặc sơn đơn giản không phổ biến đối với hợp kim Niken chịu nhiệt độ cao.

7. Chế tạo, Khả năng gia công và Khả năng định hình

• Khả năng gia công: Hợp kim 718 có độ khó gia công ở mức trung bình do có xu hướng làm cứng khi gia công và độ bền cao; nên sử dụng dụng cụ cacbua, góc nghiêng dương và chế độ chạy dao được kiểm soát. 718H, có tính chất hóa học tương tự, có nhu cầu gia công tương tự; có thể siết chặt các thông số gia công để tránh bị ram hoặc làm mềm một phần.
• Khả năng tạo hình: Tạo hình nguội bị hạn chế; rèn nóng và gia công nóng có kiểm soát là tiêu chuẩn đối với các thành phần lớn. 718H có thể yêu cầu lịch sử nhiệt cụ thể để tránh giòn do kết tủa thô.
• Hoàn thiện: Các kỹ thuật mài, EDM và giảm ứng suất bề mặt là phổ biến. Xử lý nhiệt sau gia công (dung dịch + lão hóa) thường là bắt buộc sau quá trình gia công nhiệt hoặc cơ học đáng kể, đặc biệt đối với các chi tiết 718H được thiết kế để chịu ứng suất kéo dài.

8. Ứng dụng điển hình

Hợp kim 718	Hợp kim 718H
Trục tua-bin, đĩa và ốc vít yêu cầu độ bền cao và khả năng chống mỏi	Bu lông, van và các bộ phận tua-bin khí chịu nhiệt độ cao được thiết kế để có tuổi thọ lâu dài
Các thành phần động cơ phản lực và vỏ rotor (nơi khai thác các đặc tính có tuổi thọ cao nhất)	Các thành phần được thiết kế để tiếp xúc lâu dài gần giới hạn nhiệt độ của hợp kim, trong đó cấu trúc vi mô ổn định là rất quan trọng
Các bộ phận kết cấu ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ cực thấp cần kết hợp độ bền và độ dẻo dai	Các bộ phận chịu áp suất trong các nhà máy phát điện và hóa dầu, nơi tuổi thọ chống vỡ do rão là ưu tiên hàng đầu

Cơ sở lựa chọn: Chọn tiêu chuẩn 718 khi các yếu tố chính là độ cứng đạt đỉnh, độ bền ở nhiệt độ phòng và khả năng chế tạo. Chọn 718H khi tuổi thọ thiết kế ở nhiệt độ cao, giảm thiểu sự suy giảm tính chất khi tiếp xúc với nhiệt và đảm bảo độ bền kéo dài lâu dài.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai biến thể đều dựa trên cùng một hợp kim cơ bản và sử dụng cùng một quy trình xử lý; sự chênh lệch về chi phí thường không đáng kể và phụ thuộc vào độ chặt chẽ của thông số kỹ thuật, hình dạng sản phẩm và yêu cầu xử lý nhiệt/kiểm tra. Các bộ phận 718H có thể có giá cao hơn do dung sai hóa học chặt chẽ hơn và yêu cầu xử lý nhiệt và thử nghiệm khắt khe hơn.
• Tính khả dụng: Hợp kim 718 là một trong những siêu hợp kim niken được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới; 718H cũng phổ biến nhưng có thể yêu cầu đặt hàng theo thông số kỹ thuật H cụ thể hoặc thông qua các nhà cung cấp chuyên dụng cho các thành phần quan trọng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chuẩn	Hợp kim 718	Hợp kim 718H
Khả năng hàn	Tốt với quy trình phù hợp; thường yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn	Yêu cầu kiểm soát mối hàn chặt chẽ hơn và PWHT đầy đủ để đáp ứng các yêu cầu về độ rão
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền đỉnh cao tuyệt vời và độ dẻo dai tốt sau khi lão hóa tiêu chuẩn	Được tối ưu hóa cho độ bền lâu dài ở nhiệt độ; có thể đánh đổi một số độ dẻo dai ngắn hạn
Trị giá	Có sẵn rộng rãi; chi phí cơ bản	Phí bảo hiểm nhẹ cho hóa chất/xử lý chặt chẽ hơn để ổn định độ rão

Sự giới thiệu - Chọn Hợp kim 718 nếu nhu cầu chính là độ bền tĩnh và độ bền mỏi cao, độ dẻo dai ở nhiệt độ phòng tốt và phản ứng làm cứng theo tuổi tiêu chuẩn—cho phép hàn thông thường và xử lý nhiệt sau hàn. - Chọn Hợp kim 718H nếu linh kiện phải giữ được độ bền và chống lại sự biến dạng/vỡ khi tiếp xúc lâu với nhiệt độ cao và khi cần kiểm soát ở mức thông số kỹ thuật (hóa học, chu kỳ dung dịch/tuổi) để đảm bảo tính ổn định của cấu trúc vi mô trong suốt thời gian sử dụng.

Lưu ý cuối cùng: Vì dòng 718 rất nhạy cảm với quy trình sản xuất, các thông số kỹ thuật mua sắm cần nêu rõ dạng sản phẩm, chu kỳ dung dịch/lão hóa và các tiêu chí chấp nhận (ví dụ: độ bền kéo, độ rão, độ cứng, cấu trúc vi mô) cần thiết cho ứng dụng dự kiến. Hãy tham khảo thông số kỹ thuật vật liệu kiểm soát và chuyên gia luyện kim của nhà cung cấp khi lựa chọn giữa 718 và 718H cho các linh kiện quan trọng.