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

Giới thiệu

Hợp kim 718 và biến thể 718H thường được chỉ định trong các trường hợp cần kết hợp độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và hiệu suất nhiệt độ cao — ví dụ, trong các bộ phận quay của ngành hàng không vũ trụ, tua-bin khí, van áp suất cao và các ứng dụng hạt nhân. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với một tình huống khó xử trong việc lựa chọn: ưu tiên hóa học cơ bản và tính linh hoạt trong xử lý nhiệt (dễ chế tạo và xử lý sau hàn) hoặc chấp nhận điều kiện độ bền/tuổi cao hơn, giúp giảm thiểu quá trình xử lý sau hàn nhưng lại hạn chế khả năng định hình và lựa chọn hàn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này không nằm ở sự thay đổi toàn bộ họ hợp kim mà nằm ở trạng thái luyện kim được cung cấp và ảnh hưởng của nó đến điều kiện tôi luyện trước (tiền lão hóa). Nói cách khác, 718H thường được cung cấp với điều kiện giao hàng hoặc một chút điều chỉnh về thành phần hóa học nhằm mang lại độ bền cao hơn khi nhận được hoặc cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao, trong khi 718 tiêu chuẩn là hợp kim 718 cơ bản UNS N07718 và thường được cung cấp ở điều kiện xử lý dung dịch hoặc ủ mềm để xử lý tiếp theo và tôi luyện cuối cùng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tên gọi chung phổ biến:
• UNS: N07718 (Hợp kim 718)
• Các thông số kỹ thuật phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ/sản xuất liên quan đến Hợp kim 718: các thông số kỹ thuật AMS (Thông số kỹ thuật Vật liệu Hàng không Vũ trụ) và ASTM khác nhau cho thanh, vật liệu rèn, tấm và vật liệu hàn. (Người mua nên chỉ định chính xác số AMS/ASTM/EN/GB/JIS cần thiết cho ứng dụng của mình.)
• Phân loại: Hợp kim siêu cứng kết tủa gốc niken (không phải thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp).
• Các dạng sản phẩm tiêu biểu được quy định trong tiêu chuẩn: thanh, rèn, tấm, lá, ống và vật liệu hàn (que/dây).

Lưu ý: 718H thường là ký hiệu của ngành hoặc nhà máy, chỉ ra một biến thể thành phần hoặc—phổ biến hơn—một điều kiện giao hàng/xử lý nhiệt khác. Luôn xác nhận tiêu chuẩn/xử lý nhiệt cụ thể trong tài liệu mua hàng và kỹ thuật.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây cho thấy phạm vi thành phần điển hình của hợp kim 718 tiêu chuẩn. 718H thường giữ nguyên thành phần hóa học cơ bản (Ni–Cr–Fe với Nb, Mo, Ti và Al) với một số điều chỉnh nhỏ đôi khi được nhà sản xuất thực hiện (ví dụ, hàm lượng cacbon cao hơn một chút hoặc các nguyên tố vi lượng được kiểm soát) để cải thiện độ bền rão hoặc khả năng kết tủa. Do quy trình sản xuất tại các nhà máy khác nhau, nên cần kiểm tra các thông số kỹ thuật cuối cùng đã đặt hàng.

Yếu tố	Hợp kim 718 điển hình (phạm vi, wt%)	Ghi chú liên quan đến 718H
C	0,03 – 0,08	718H có thể được chỉ định với giới hạn C trên cao hơn một chút trong một số thông số kỹ thuật để cải thiện độ bền nhiệt độ cao; xác nhận trên PO.
Mn	≤ 0,35	Chỉ hợp kim nhỏ.
Si	≤ 0,35	Chất khử oxy/kiểm soát bụi bẩn.
P	≤ 0,015	Kiểm soát tạp chất.
S	≤ 0,015	Kiểm soát tạp chất.
Cr	17,0 – 21,0	Chống ăn mòn và oxy hóa.
Ni	Cân bằng (~50 – 55)	Yếu tố cơ bản; cung cấp nền tảng và độ bền ở nhiệt độ cao.
Mo	2,8 – 3,3	Gia cố bằng dung dịch rắn; hỗ trợ độ ổn định của cacbua/pha.
V	thường theo dõi	Không phải là sự bổ sung lớn có chủ đích.
Nb (+Ta)	4,75 – 5,5 (như Nb+Ta)	Chìa khóa cho lượng mưa $\gamma''$ (cường độ).
Ti	0,65 – 1,15	Kết hợp với Al để tạo thành chất kết tủa tăng cường.
B	≤ 0,006	Những bổ sung nhỏ sẽ cải thiện độ bền của ranh giới hạt.
N	≤ 0,05	Thường ở mức thấp; ảnh hưởng đến quá trình hình thành nitride.

Chiến lược hợp kim hoạt động như thế nào: - Ni cung cấp pha nền (nền austenit trong hợp kim Ni) và độ bền cơ bản ở nhiệt độ cao. - Cr có khả năng chống oxy hóa/ăn mòn. - Nb (và Ta), Ti và Al tạo thành các kết tủa mịn liên kết (chủ yếu là $\gamma''$ và một số $\gamma'$) cung cấp phần lớn cường độ cứng theo tuổi. - Mo góp phần tăng cường khả năng gia cường dung dịch rắn và chống biến dạng ở nhiệt độ cao. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (B, C) và hàm lượng N thấp ảnh hưởng đến lực kết dính ranh giới hạt và hành vi nứt do rão.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình của 718 (điều kiện xử lý dung dịch hoặc ủ): chủ yếu là $\gamma$ (ma trận gốc Ni) với các cacbua và nền cấu trúc hạt thô nếu không được gia công cơ học. Sau khi tôi già, sự phân tán mịn của các tiểu cầu liên kết $\gamma''$ (Ni3Nb) và một số kết tủa $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) quyết định giới hạn chảy.
• 718 tuyến xử lý nhiệt:
• Xử lý bằng dung dịch (ví dụ, 980–1020 °C) sau đó làm lạnh có kiểm soát để hòa tan kết tủa, sau đó làm cứng theo thời gian (chu kỳ lão hóa đơn hoặc kép) để kết tủa $\gamma''$ và $\gamma'$.
• Xử lý nhiệt cơ học (rèn/cán) sau đó là xử lý và ủ để tinh chỉnh hạt và tối ưu hóa độ bền mỏi và độ bền kéo dài.
• Cấu trúc vi mô/phản ứng 718H:
• 718H thường được xử lý hoặc nhiệt luyện để tạo ra trạng thái rắn chắc hơn ngay khi giao (lão hóa một phần hoặc cấu trúc vi mô ổn định) nhằm cải thiện độ bền và/hoặc độ ổn định nhiệt độ cao ngay khi nhận được. Điều này làm giảm mức độ hòa tan có sẵn cho quá trình tạo hình cơ học tiếp theo hoặc mức độ làm cứng lão hóa tiếp theo mà không cần xử lý hòa tan lại.
• Nếu 718H có giới hạn cacbon hoặc nguyên tố vi lượng thay đổi, những thay đổi đó chủ yếu ảnh hưởng đến quá trình kết tủa cacbua và tính chất hóa học của ranh giới hạt, từ đó ảnh hưởng đến hiện tượng nứt vỡ và độ ổn định lâu dài ở nhiệt độ cao.

Ý nghĩa thực tiễn: Tiêu chuẩn 718 cung cấp phạm vi xử lý sau khi giao hàng rộng hơn (dễ dàng tạo hình, hàn hoặc xử lý nhiệt lại hơn), trong khi 718H giảm các bước xử lý bằng cách đạt đến trạng thái có độ bền/ổn định cao hơn với cái giá phải trả là khả năng tạo hình và khả năng hàn tự do.

4. Tính chất cơ học

Giá trị tính chất của Hợp kim 718 phụ thuộc rất nhiều vào quá trình gia công và điều kiện tuổi thọ. Bảng dưới đây cung cấp hướng dẫn định tính và phạm vi điển hình; giá trị chính xác phải được lấy từ thông số kỹ thuật hiện hành hoặc báo cáo thử nghiệm tại nhà máy.

Tài sản	Hợp kim 718 điển hình (xử lý bằng dung dịch và làm cứng theo thời gian)	718H điển hình (đã được làm cứng/ổn định trước khi giao)
Độ bền kéo (UTS)	Cao; phạm vi điển hình phụ thuộc vào độ tuổi xử lý (thường là phạm vi 1000–1400 MPa)	Tương đương hoặc cao hơn một chút trong tình trạng giao hàng do lão hóa trước
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Cao (thường >700–1000 MPa tùy thuộc vào độ lão hóa)	Thông thường cao hơn khi giao hàng; tiềm năng tăng thêm theo tuổi tác thấp hơn
Độ giãn dài (tính bằng 50 mm)	Trung bình (8–20%, tùy thuộc vào tình trạng)	Độ dẻo thấp hơn so với 718 ủ mềm, do có độ bền cao hơn
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ phòng nếu được xử lý nhiệt đúng cách; có thể giảm theo hạt thô hoặc quá cũ	Có thể giảm so với 718 mềm nếu được sản xuất ở trạng thái cứng hơn
Độ cứng	Thay đổi theo độ tuổi (thường là ~30–40 HRC trong điều kiện tuổi cao nhất khi chuyển đổi)	Độ cứng khi giao hàng thường cao hơn; ít thay đổi hơn khi lão hóa tiếp theo mà không cần phân giải lại

Giải thích: - Loại nào bền hơn? Ở dạng nguyên bản, 718H thường bền hơn. Sau khi tôi luyện theo tuổi được kiểm soát hoàn toàn, 718 tiêu chuẩn có thể đạt được các đặc tính đỉnh tương tự nếu được xử lý bằng dung dịch và lão hóa đúng cách. - Loại nào cứng hơn/dẻo hơn? Thép 718 tiêu chuẩn được cung cấp ở trạng thái mềm/xử lý dung dịch hoặc được ram đúng cách sẽ có khả năng định hình tốt hơn và độ dẻo cao hơn trước khi lão hóa hoàn toàn. Thép 718H đánh đổi một phần độ dẻo để lấy độ bền và độ ổn định như ban đầu.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của hợp kim 718 gốc niken nhìn chung tốt hơn so với các loại thép có độ cứng cao, nhưng cần phải cẩn thận do hiện tượng tôi cứng theo tuổi tác, khả năng phân tách và kiểm soát sự hình thành pha delta hoặc pha Laves. - Các yếu tố hàn chính: hiệu ứng tương đương cacbon cơ bản ít được sử dụng cho hợp kim Ni hơn so với thép, nhưng khả năng tôi cứng từ Nb/Ti và các chất kết tủa do cacbon kiểm soát lại rất quan trọng. Sự hình thành kết tủa gần mối hàn có thể làm giòn hoặc cứng các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. - Các chỉ số định tính hữu ích: - Đối với thép, người ta sử dụng các nguyên tố cacbon tương đương; đối với hợp kim Ni, hãy xem xét sự phân tách và các nguyên tố tạo kết tủa. - Tuy nhiên, khi so sánh khả năng hàn, người thực hành có thể sử dụng công thức thép tiêu chuẩn làm tham chiếu định tính. Ví dụ: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Diễn giải (định tính): các giá trị cao hơn cho thấy cần phải gia nhiệt trước/sau và làm mát có kiểm soát nhiều hơn. Hợp kim 718 cần phải gia nhiệt trước/sau và xử lý nhiệt sau hàn có kiểm soát để tránh hình thành kết tủa có hại và khôi phục các đặc tính cơ học đã thiết kế. - Lưu ý thực tế: 718H, được cung cấp ở trạng thái tôi trước/già hóa một phần, có thể kém chịu được mối hàn nếu không được xử lý tái tạo và già hóa hoàn toàn. Nếu cần hàn nhiều, hãy chỉ định 718 ủ dung dịch hoặc lên kế hoạch xử lý nhiệt dung dịch và già hóa sau khi hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hợp kim 718: khả năng chống ăn mòn tổng thể tốt và khả năng chống oxy hóa tuyệt vời trong nhiều môi trường lên đến nhiệt độ trung gian. Không phải loại thép không gỉ “cao cấp” cho môi trường oxy hóa cao hoặc môi trường clo hóa, nơi cần sử dụng hợp kim chuyên dụng.
• Bảo vệ bề mặt cho bề mặt không gỉ hoặc bị xuống cấp: có thể sử dụng phương pháp hoàn thiện cơ học, lớp phủ bảo vệ hoặc mạ chuyên dụng tùy thuộc vào dịch vụ.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) thường áp dụng cho hợp kim thép không gỉ; đối với hợp kim gốc Ni, chỉ số này không được sử dụng phổ biến. Để tham khảo, PREN là: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ nhưng đây không phải là chỉ số hiệu suất đã được thiết lập cho Alloy 718.
• 718 và 718H có đặc tính ăn mòn tương tự nhau vì hàm lượng Cr và Ni cơ bản về cơ bản không thay đổi. Những khác biệt nhỏ về hóa học hoặc xử lý nhiệt làm biến đổi kết tủa (cacbua, pha Laves) có thể ảnh hưởng đến khả năng ăn mòn cục bộ và đặc tính ranh giới hạt trong suốt thời gian sử dụng, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt.

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

• Khả năng gia công: Hợp kim niken siêu bền hơn thép hợp kim thấp khi gia công. Cả 718 và 718H đều có đặc tính cắt tương tự nhau, nhưng độ cứng cao hơn của 718H có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ và đòi hỏi các thông số gia công nặng hơn.
• Khả năng tạo hình: 718 được xử lý bằng dung dịch chuẩn (mềm) dễ tạo hình và định hình nguội hơn. 718H ở trạng thái đông cứng trước sẽ khó tạo hình hơn và có thể cần gia công nóng hoặc xử lý lại trước khi tạo hình đáng kể.
• Hoàn thiện: Mài bề mặt, đánh bóng và gia công xung điện (EDM) là phổ biến. Xử lý nhiệt và ứng suất dư nên được cân nhắc cho các linh kiện có dung sai chặt chẽ.

8. Ứng dụng điển hình

Hợp kim 718 (tiêu chuẩn)	Hợp kim 718H
Các bộ phận quay của ngành hàng không vũ trụ được nhà sản xuất hoặc người dùng thực hiện quá trình lão hóa sau khi chế tạo; các thành phần yêu cầu độ bền cao sau khi xử lý lão hóa có kiểm soát; các sản phẩm rèn và thanh dùng để gia công và xử lý nhiệt tiếp theo.	Các thành phần được chỉ định để đạt được độ bền cao hơn hoặc điều kiện ổn định hơn (ví dụ: van, phụ kiện hoặc các thành phần mà quá trình lão hóa tại nhà máy là không thực tế); các ứng dụng yêu cầu cải thiện độ ổn định khi giao hàng.
Các thành phần có thể sửa chữa được khi có kế hoạch hàn và xử lý nhiệt lại	Các bộ phận ưu tiên giảm nhu cầu xử lý tiếp theo; các cơ sở lắp đặt tại hiện trường có công suất hạn chế về giải pháp sau hàn và lão hóa
Các ứng dụng có độ bền cao, trong đó các nhà thiết kế đưa ra giải pháp toàn diện và chu kỳ lão hóa để có được các đặc tính tốt nhất	Các tình huống mà bên mua muốn có độ bền và độ ổn định kích thước cao hơn khi nhận; đôi khi được sử dụng khi mong đợi dịch vụ nhiệt độ cao trong thời gian dài mà không có chu kỳ lão hóa tiếp theo

Cơ sở lựa chọn: - Chọn tiêu chuẩn 718 khi cần tạo hình hạ lưu, hàn hoặc làm cứng theo tuổi tùy chỉnh. - Chọn 718H khi người mua yêu cầu độ bền/độ ổn định cao hơn khi giao hàng và khi các chu kỳ nhiệt tiếp theo không khả thi hoặc khi cần độ ổn định đã được kiểm chứng tại nhà máy để sử dụng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Cả hai đều là siêu hợp kim gốc niken và có chi phí nguyên liệu thô cao; 718H có thể có giá cao hơn một chút nếu nhà máy thực hiện thêm quá trình ổn định/xử lý hoặc nếu cần kiểm soát chặt chẽ hơn các nguyên tố vi lượng.
• Tính khả dụng: Hợp kim 718 theo thông số kỹ thuật tiêu chuẩn được cung cấp rộng rãi trên toàn cầu dưới dạng thanh, rèn, tấm và hàn. Tính khả dụng của 718H phụ thuộc nhiều hơn vào từng nhà máy và có thể có các tùy chọn chứng nhận hạn chế hoặc thời gian giao hàng dài hơn tùy thuộc vào yêu cầu xử lý nhiệt và tài liệu.
• Hình thức sản phẩm rất quan trọng: thanh và sản phẩm rèn thường được lưu kho; kích thước tùy chỉnh hoặc điều kiện xử lý nhiệt đặc biệt (718H) có thể yêu cầu thời gian giao hàng lâu hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	718 (tiêu chuẩn)	718H
Khả năng hàn	Tốt với các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn; dễ dàng hơn nếu được cung cấp trong điều kiện ủ dung dịch	Hạn chế hơn; trạng thái tôi cứng trước có thể làm phức tạp quá trình hàn nếu không có dung dịch/tuổi sau hàn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Linh hoạt: có thể được điều chỉnh bằng cách xử lý nhiệt để cân bằng độ bền và độ dẻo dai	Độ bền khi tiếp nhận cao hơn; có thể giảm độ dẻo và độ dai so với 718 mềm
Trị giá	Đường cơ sở cho hợp kim 718	Có thể tăng giá nhẹ cho sản phẩm đã được ổn định/ủ trước

Kết luận — hướng dẫn rõ ràng: - Chọn 718 (tiêu chuẩn UNS N07718) nếu bạn cần sự linh hoạt: nếu cần tạo hình, gia công hoặc hàn đáng kể trước khi xử lý nhiệt cuối cùng hoặc nếu bạn có kế hoạch thực hiện xử lý dung dịch có kiểm soát và lão hóa tại cơ sở của mình để đạt được các đặc tính cao nhất. - Chọn 718H nếu bạn cần một linh kiện có độ bền cao hơn hoặc trạng thái ổn định hơn (giảm nhu cầu xử lý nhiệt tiếp theo), nếu ưu tiên tính ổn định lâu dài ở nhiệt độ cao khi sử dụng hoặc nếu hạn chế về mua sắm yêu cầu trạng thái giao hàng có độ bền cao, sẵn sàng sử dụng — nhưng phải lập kế hoạch cho khả năng định hình giảm và các quy trình hàn/sau hàn hạn chế hơn.

Lưu ý cuối cùng: Vì “718H” có thể là ký hiệu riêng của nhà máy hoặc người mua, hãy luôn ghi rõ yêu cầu về hóa chất, tính chất cơ học, xử lý nhiệt và các yêu cầu sau hàn trong tài liệu mua hàng. Yêu cầu báo cáo thử nghiệm nhà máy và hồ sơ xử lý nhiệt, đồng thời xác nhận xem vật liệu được giao đã được ủ dung dịch, lão hóa hoàn toàn hay ổn định trước để có thể dự đoán được hiệu suất chế tạo và sử dụng.