Inconel 718 so với Inconel X750 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Inconel 718 và Inconel X-750 là hai trong số các hợp kim niken-crom gia cường kết tủa được chỉ định phổ biến nhất trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, phát điện và công nghiệp nhiệt độ cao. Các kỹ sư và nhóm mua sắm thường xuyên lựa chọn giữa hai loại vật liệu này khi thiết kế các linh kiện đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền chịu nhiệt độ cao, khả năng sản xuất, khả năng chống ăn mòn và chi phí. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm: lựa chọn vật liệu cho phần cứng chịu nhiệt (khi độ bền chịu nhiệt độ cao và khả năng chống rão là yếu tố quan trọng), lựa chọn vật liệu lò xo hoặc chốt (khi phản ứng xử lý nhiệt và tuổi thọ mỏi là rất quan trọng), hoặc lựa chọn hợp kim hàn để sửa chữa và lắp ráp.

Sự khác biệt kỹ thuật chính nằm ở cách mỗi hợp kim đạt được và duy trì độ bền ở nhiệt độ cao. Sự khác biệt này chi phối việc lựa chọn các bộ phận dự kiến ​​sẽ hoạt động dưới ứng suất liên tục ở nhiệt độ cao, và tạo ra sự tương phản về thành phần hóa học của hợp kim, quy trình xử lý nhiệt và đặc tính vận hành trong quá trình sử dụng. Vì cả hai đều là hợp kim niken có khả năng tôi già và có khả năng chống ăn mòn tương tự, nên việc so sánh thường thu hẹp lại ở hiệu suất cơ học ở nhiệt độ cao, cửa sổ xử lý nhiệt và các hạn chế về chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Inconel 718: UNS N07718 (tên gọi chung); được chỉ định rộng rãi trong các tài liệu AM/MS/AMS hàng không vũ trụ và công nghiệp, cũng như trong các thông số kỹ thuật sản phẩm cho thanh, rèn, tấm và dải. Nó xuất hiện trong nhiều thông số kỹ thuật sản phẩm ASTM/ASME cho hợp kim gốc niken được sử dụng trong các bộ phận chịu áp lực và kết cấu.
• Inconel X‑750: UNS N07750 (tên gọi chung); theo truyền thống được chỉ định trong các tài liệu AMS về hàng không vũ trụ và theo các thông số kỹ thuật công nghiệp đối với lò xo, ốc vít và phần cứng chịu nhiệt độ cao.
• Tiêu chuẩn tương đương và tiêu chuẩn khu vực: Các siêu hợp kim gốc niken này thường được quy định theo tiêu chuẩn sản phẩm UNS và AMS/ASTM thay vì các tiêu chuẩn tương đương trực tiếp EN, JIS hoặc GB. Người dùng thường xuyên ghi rõ số UNS/AMS trên bản vẽ kỹ thuật và tài liệu mua sắm.
• Phân loại: Cả hai đều là hợp kim niken-crom (hợp kim gia cường kết tủa có thể làm cứng theo thời gian), không phải thép không gỉ, thép dụng cụ, thép cacbon hoặc vật liệu HSLA.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Vai trò điển hình và cấp độ tương đối (718 so với X‑750)
C (cacbon)	Cả hai đều có hàm lượng carbon thấp (thậm chí thấp) để hạn chế sự hình thành cacbua có thể làm giòn ranh giới hạt; X‑750 thường được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất lò xo.
Mn (mangan)	Cả hai đều thấp; chỉ được sử dụng với lượng rất nhỏ để khử oxy.
Si (silicon)	Cả hai đều thấp; chất khử oxy, giữ ở mức thấp để duy trì khả năng chống ăn mòn.
P (phốt pho)	Giữ ở nhiệt độ rất thấp ở cả hai bên để tránh bị giòn.
S (lưu huỳnh)	Rất thấp ở cả hai; tránh sunfua để duy trì độ dẻo ở nhiệt độ cao.
Cr (crom)	Cả hai đều ở mức trung bình (có khả năng chống oxy hóa và ăn mòn); mức độ nhìn chung tương tự nhau mặc dù công thức có khác nhau.
Ni (niken)	Nguyên tố cơ bản trong cả hai (phần lớn hợp kim).
Mo (molypden)	Có mặt ở 718 ở mức có ý nghĩa để cải thiện khả năng gia cường dung dịch rắn và chống ăn mòn/biến dạng ở nhiệt độ cao; thấp hơn ở X‑750.
V (vanadi)	Nhỏ hoặc rất nhỏ; không phải là sự bổ sung tăng cường đáng kể ở cả hai.
Nb (niobi) / Ta	Cao hơn đáng kể ở 718 (cần thiết để tăng cường lượng mưa $\gamma''$); thấp đến trung bình ở X‑750.
Ti (titan)	Có mặt trong cả hai để tạo thành $\gamma'$ và các kết tủa khác; X‑750 phụ thuộc nhiều hơn vào $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) để có độ bền.
B (bo)	Đôi khi bổ sung thêm dấu vết để cải thiện khả năng chống nứt và cường độ ranh giới hạt; có ở lượng ppm được kiểm soát.
N (nitơ)	Thông thường rất thấp; không phải là yếu tố tăng cường có ý định thiết kế cho các hợp kim này.

Cách hóa học liên kết với các tính chất: - Inconel 718 sử dụng sự kết hợp của Nb (niobi), Mo, Ti và Al để tạo ra phản ứng kết tủa $\gamma''$ (Ni3Nb) mạnh cùng với kết tủa $\gamma'$. Pha $\gamma''$ cho hiệu suất và độ bền kéo rất cao, đặc biệt là ở nhiệt độ trung gian cao. - Inconel X‑750 chủ yếu dựa vào kết tủa $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) để làm cứng theo tuổi; hàm lượng Nb và Mo của nó thấp hơn nhiều, do đó phổ kết tủa, độ ổn định và khả năng giữ nhiệt độ cao của nó khác với 718. - Crom cung cấp khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn cho cả hai hợp kim; Ni là nguyên tố nền giúp duy trì độ dẻo dai và độ ổn định ở nhiệt độ cao.

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

• Cấu trúc vi mô Inconel 718 (điển hình): một ma trận niken lập phương tâm mặt (FCC) với các kết tủa $\gamma''$ (Ni3Nb) mịn, mạch lạc làm pha gia cường chính và $\gamma'$ (Ni3(Al,Ti)) làm đồng kết tủa. Các cacbua và pha phụ có thể hình thành tùy thuộc vào lịch sử nhiệt và kiểm soát thành phần.
• Cấu trúc vi mô Inconel X‑750 (điển hình): Ma trận niken FCC được gia cường chủ yếu bằng các kết tủa $\gamma'$ và các cacbua ổn định; động học kết tủa, hình thái hạt và phân số thể tích khác đáng kể so với 718.

Hành vi xử lý nhiệt: - Inconel 718: Xử lý dung dịch sau đó lão hóa có kiểm soát tạo ra kết tủa $\gamma''$. Hợp kim này tương đối chịu được nhiều loại xử lý nhiệt sản xuất và thường được cung cấp trong điều kiện xử lý dung dịch và tôi già. Lão hóa quá mức hoặc chu kỳ nhiệt không phù hợp có thể làm $\gamma''$ thô hơn và giảm độ bền. - Inconel X‑750: Cần xử lý dung dịch và chu kỳ lão hóa chính xác để đạt được phân bố $\gamma'$ mong muốn. Nó nhạy cảm với các pha giòn (như kết tủa ranh giới hạt) nếu làm nguội hoặc lão hóa không đúng cách; một số loại được cung cấp ở điều kiện gia công nguội kết hợp lão hóa cho các ứng dụng lò xo.

Hiệu ứng xử lý: - Xử lý nhiệt cơ học (rèn, gia công nguội) làm mịn kích thước hạt và ảnh hưởng đến động học kết tủa trong cả hai hợp kim; gia công nguội trước khi lão hóa thường làm tăng giới hạn chảy sau khi lão hóa nhưng có thể làm giảm độ dẻo. - Tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài có thể gây ra hiện tượng thô pha (giảm độ bền) và trong một số điều kiện thúc đẩy sự kết tủa ranh giới hạt làm giảm độ dẻo và tuổi thọ chịu ứng suất - điều này phụ thuộc vào hợp kim và nhiệt độ và là yếu tố then chốt trong các quyết định lựa chọn.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	Inconel 718 (tương đối)	Inconel X‑750 (tương đối)
Độ bền kéo	Cao hơn ở trạng thái đỉnh cao do sự tăng cường của $\gamma''$	Trung bình; cao khi già đi nhưng nhìn chung thấp hơn 718 đối với các phạm vi nhiệt độ tương đương
Sức chịu lực	Cao hơn ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ trung bình cao (lợi thế 718)	Thấp hơn 718 trong nhiều điều kiện xử lý nhiệt
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt cho siêu hợp kim có độ bền cao; lão hóa làm giảm độ giãn dài	Độ dẻo tốt ở điều kiện thích hợp nhưng có thể thấp hơn nếu quá cũ hoặc xử lý nhiệt không đúng cách
Độ bền va đập	Nói chung là tốt, nhưng phụ thuộc vào xử lý nhiệt và điều kiện ranh giới hạt; 718 thường có độ dẻo dai được duy trì tốt hơn ở nhiệt độ cao	Có thể đủ, nhưng có xu hướng giảm nhanh hơn khi tiếp xúc với nhiệt độ cao
Độ cứng	Độ cứng có thể đạt được cao hơn sau khi lão hóa đạt đỉnh ở 718	Cao sau khi lão hóa nhưng thường thấp hơn 718 tuổi ở độ tuổi cao nhất

Giải thích: - Inconel 718 đạt được độ bền kéo và độ chảy dẻo cao hơn X-750 trong nhiều điều kiện lão hóa thông thường vì kết tủa $\gamma''$ tạo ra khả năng cản trở chuyển động trật khớp rất hiệu quả. Điều này khiến 718 trở thành lựa chọn ưu tiên khi dự đoán tải trọng duy trì cao hơn ở nhiệt độ cao. - X‑750 hoạt động đáng tin cậy như vật liệu lò xo và chốt và được lựa chọn cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mỏi và giãn nở ở nhiệt độ cao nhưng không cần độ bền tĩnh cao nhất tuyệt đối ở nhiệt độ cao.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn đối với hợp kim niken gia cường kết tủa phụ thuộc vào thành phần hóa học cơ bản, khả năng làm cứng và xử lý nhiệt sau hàn cần thiết.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Lượng cacbon tương đương (IIW) của thép (chỉ mang tính chất tham khảo): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức Pcm thường dùng để đánh giá khả năng nứt của thép: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích về các hợp kim niken này: - Các công thức dựa trên thép này không thể áp dụng trực tiếp về mặt định lượng cho siêu hợp kim gốc niken, nhưng các yếu tố định tính vẫn quan trọng: mức độ cao hơn của các nguyên tố dễ phân tách (Nb, Ti) và sự hiện diện của cacbua hoặc pha giòn ở ranh giới hạt làm tăng khả năng nứt mối hàn và mất các đặc tính sau khi hàn. - Inconel 718: Nhìn chung được coi là có thể hàn được với kim loại điền đầy và quy trình hàn phù hợp. Hàn thường đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt lượng đầu vào, nhiệt độ nung nóng trước/nhiệt độ giao thoa trong một số trường hợp, và một dung dịch sau hàn và xử lý lão hóa xác định để phục hồi độ bền kết tủa. Vì pha gia cường chính của 718 ($\gamma''$) có thể được phục hồi bằng quy trình xử lý sau hàn, các kết cấu hàn có thể lấy lại phần lớn các đặc tính cơ học của chúng. - Inconel X-750: Khó hàn hơn trong nhiều ứng dụng. X-750 dễ bị giòn do vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nứt do ăn mòn ứng suất hơn trong các mối hàn được làm nguội không đúng cách hoặc bị lão hóa. Đối với các chi tiết quan trọng, việc hàn thường đòi hỏi kiểm soát quy trình cẩn thận và xử lý nhiệt sau hàn; đối với một số ứng dụng lò xo, việc hàn bị tránh hoặc chỉ được thực hiện theo các quy trình nghiêm ngặt.

Ghi chú thực tế: - Đối với cả hai hợp kim, các cụm hàn sẽ trải qua nhiệt độ làm việc cao phải được kiểm tra bằng cách thử nghiệm: thử nghiệm kéo, thử nghiệm rão và thử nghiệm đứt ứng suất sau toàn bộ chu kỳ nhiệt được sử dụng để làm việc. - Khi không thể tránh khỏi việc hàn sửa chữa, hãy tuân theo hướng dẫn của nhà máy hoặc OEM và sử dụng kim loại hàn phù hợp cũng như phương pháp xử lý nhiệt sau hàn được khuyến nghị cho từng hợp kim.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả Inconel 718 và X‑750 đều không phải là thép không gỉ; chúng là siêu hợp kim gốc niken có khả năng chống ăn mòn và oxy hóa tốt nhờ hàm lượng niken/crom cao.
• Đối với các chỉ số ăn mòn cục bộ như PREN, hệ mét được thiết kế cho thép không gỉ và thường không được sử dụng cho siêu hợp kim gốc niken. Để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3\lần \text{Mo} + 16\lần \text{N}$$ Chỉ số này không áp dụng được làm công cụ thiết kế cho Inconel 718/X‑750 vì hành vi ăn mòn của chúng phụ thuộc vào ma trận niken, crom, chất ổn định hợp kim và cấu trúc kết tủa tổng thể chứ không chỉ phụ thuộc vào thành phần Cr/Mo/N được sử dụng trong thép không gỉ.
• Bảo vệ bề mặt: Khi cần thiết, cả hai hợp kim đều có thể được phủ hoặc sơn. Các biện pháp bảo vệ công nghiệp thông thường (lớp phủ gốm, lớp phủ khuếch tán aluminide, lớp phủ chắn nhiệt hoặc lớp phủ kim loại phun) được áp dụng để bảo vệ chống oxy hóa ở nhiệt độ cao trong môi trường điện lực hoặc hàng không vũ trụ.
• Cân nhắc về khả năng chống ăn mòn: 718 nhìn chung có khả năng chống chịu tuyệt vời với nhiều môi trường ăn mòn và oxy hóa ở nhiệt độ trung bình cao. X-750 cũng chống oxy hóa và ăn mòn, nhưng nhà thiết kế phải xem xét các khe hở, nứt do ăn mòn ứng suất clorua và các hiện tượng phụ thuộc vào điều kiện sử dụng; việc lựa chọn vật liệu nên được xác nhận bằng thử nghiệm môi trường sử dụng.

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

• Gia công: Cả hai hợp kim đều khó gia công hơn thép thông thường. Inconel 718 nổi tiếng về độ cứng khi gia công và mài mòn dụng cụ nhanh nếu không tối ưu hóa bước tiến, tốc độ và dụng cụ. X-750 cũng khó gia công, đặc biệt là trong điều kiện gia công nguội hoặc lão hóa. Việc sử dụng dụng cụ carbide hoặc ceramic, thiết lập cứng vững và độ sâu cắt bảo toàn là những thông lệ tiêu chuẩn.
• Tạo hình: Cả hai hợp kim đều có thể tạo hình trong điều kiện xử lý dung dịch nhưng đòi hỏi lực lớn hơn thép. Gia công nguội trước khi lão hóa có thể làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo; do đó, tạo hình thường được thực hiện trong điều kiện xử lý dung dịch, sau đó là một chu kỳ lão hóa được kiểm soát.
• Hoàn thiện: Mài và đánh bóng là phương pháp phổ biến để tạo ra kích thước cuối cùng và bề mặt hoàn thiện; phương pháp phay hóa học hoặc phương pháp điện hóa có thể được sử dụng cho các bộ phận phức tạp.
• Độ nhạy xử lý nhiệt: Vì các tính chất cơ học cuối cùng phụ thuộc vào chu trình nhiệt chính xác nên phải lập kế hoạch cho các trình tự chế tạo có sử dụng nhiệt cục bộ (hàn, uốn với nhiệt độ cục bộ cao) để bộ phận có thể nhận được giải pháp cần thiết và xử lý lão hóa sau đó.

8. Ứng dụng điển hình

Inconel 718 — Công dụng điển hình	Inconel X‑750 — Công dụng điển hình
Các thành phần động cơ tua-bin (đĩa, trục, miếng đệm), ốc vít, các bộ phận kết cấu đòi hỏi độ bền kéo và độ bền chảy cao ở nhiệt độ cao	Lò xo và bộ phận giữ nhiệt độ cao, lò xo động cơ máy bay và lò xo công nghiệp, ốc vít cần khả năng chống giãn
Van và phụ kiện nhiệt độ cao, phần cứng kết cấu hàng không vũ trụ, rôto và vỏ trong động cơ tua bin khí	Các thành phần đòi hỏi tuổi thọ mỏi tốt và khả năng chống giãn ứng suất ở nhiệt độ cao nhưng vừa phải
Ứng dụng đông lạnh (718 vẫn giữ được độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp trong khi vẫn mang lại độ bền cao)	Lò xo và các thành phần nhỏ trong đó tải trọng tuần hoàn ở nhiệt độ cao là động lực chính

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Inconel 718 cho tải trọng tĩnh cao hơn ở nhiệt độ cao, cho các bộ phận có thể áp dụng xử lý nhiệt sau hàn để phục hồi độ bền và khi cần cải thiện hiệu suất kéo và chống rão. - Chọn Inconel X‑750 khi hành vi lò xo, khả năng chống giãn ứng suất và hiệu suất chống mỏi đã được chứng minh trong các ứng dụng lò xo ở nhiệt độ cao là mối quan tâm chính và khi cường độ tĩnh tối đa ít quan trọng hơn khả năng giãn và độ ổn định theo chu kỳ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Inconel 718 được chỉ định rộng rãi và có sẵn ở nhiều dạng sản phẩm (thanh, rèn, tấm, dây, bột) và thường có giá cao hơn so với thép thông dụng. So với X-750, chi phí vật liệu 718 có thể tương đương hoặc cao hơn một chút tùy thuộc vào giá thị trường của Nb và Mo, cũng như quy trình chế biến (rèn/già hóa so với gia công nguội/già hóa).
• Tính khả dụng: Cả hai hợp kim này đều phổ biến trong thị trường hàng không vũ trụ và năng lượng, và có sẵn từ nhiều nguồn cung cấp. Inconel 718 là một trong những siêu hợp kim gốc niken được dự trữ phổ biến nhất, giúp cải thiện thời gian giao hàng và tính khả dụng. X-750 có sẵn rộng rãi, đặc biệt là ở dạng lò xo và chốt.
• Hình dạng sản phẩm: 718 có xu hướng được cung cấp rộng rãi hơn ở dạng rèn lớn và dạng kết cấu; X‑750 có sẵn ở dạng dây, thanh và lò xo hoàn thiện.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	Inconel 718	Inconel X‑750
Khả năng hàn	Tốt với quy trình phù hợp và xử lý nhiệt sau hàn; chịu được sự phục hồi do lão hóa tốt hơn	Nhạy cảm hơn với hiện tượng giòn do HAZ; quá trình hàn đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ và xử lý sau khi hàn
Độ bền – Độ dẻo dai ở nhiệt độ cao	Độ bền duy trì cao hơn ở nhiệt độ trung bình đến cao; độ bền tĩnh và khả năng chống rão tốt hơn	Khả năng chống mỏi và giãn nở tốt cho lò xo; độ bền tĩnh thấp hơn ở điều kiện tương đương
Chi phí và tính khả dụng	Có sẵn rộng rãi; giá cả thường cạnh tranh so với hiệu suất của nó	Có sẵn rộng rãi cho lò xo/ốc; giá có thể thấp hơn một chút tùy thuộc vào hình thức và thị trường

Khuyến nghị kết luận: - Chọn Inconel 718 nếu bạn cần sự kết hợp cao nhất giữa độ bền kéo và độ bền chảy ở nhiệt độ trung bình đến cao, yêu cầu khả năng chịu tải tĩnh tốt hơn hoặc cần hợp kim phản ứng tốt với quá trình phục hồi sau khi hàn bằng cách lão hóa sau hàn. - Chọn Inconel X‑750 nếu yêu cầu chính là hiệu suất lò xo ở nhiệt độ cao, khả năng chống giãn ứng suất hoặc hành vi mỏi đã được chứng minh trong các ứng dụng tuần hoàn, trong đó yêu cầu về độ bền tĩnh tối đa thấp hơn và trong đó quá trình gia công nguội cộng với quá trình lão hóa là một phần của quy trình sản xuất.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai hợp kim đều yêu cầu thông số kỹ thuật cẩn thận về xử lý nhiệt, điều kiện bề mặt và quy trình chế tạo để đạt được các đặc tính mong muốn khi sử dụng. Đối với các linh kiện quan trọng, hãy luôn tham khảo biểu đồ xử lý nhiệt của OEM/nhà máy, xác nhận quy trình hàn và kiểm tra chất lượng các bộ phận bằng thử nghiệm đại diện cho môi trường nhiệt độ/ứng suất dự kiến.