اینکونل: نوآوری هوافضا و انرژی سوخت آلیاژ با عملکرد بالا

دو خریدار همان آلیاژ 718 میله را در یک روز سفارش می‌دهند. یکی دیسک کمپرسور برای موتور هواپیما می‌سازد و دیگری بدنه سوپاپ برای ایستگاه انتقال گاز. هر دو نقشه UNS N07718 را دارند، هر دو به گواهینامه نیاز دارند و هیچ کدام از قطعات قابل تعویض با دیگری نیستند. تفاوت نه در ترکیب و نه در نام گرید است. بلکه در وضعیت تحویل، مسیر عملیات حرارتی، خاصیتی که انتظار می‌رود قطعه نهایی داشته باشد و سندی که اثبات می‌کند قطعه آن را برآورده می‌کند.

آلیاژ 718 یک آلیاژ نیکل-کروم سخت شده با رسوب است که آهن تعادل آن را تشکیل می‌دهد و توسط فازهای گاما پرایم و گاما دابل پرایم سخت می‌شود و نه با کار سرد. تولید کننده محدوده قابل استفاده از -253 درجه سانتیگراد تا 704 درجه سانتیگراد را بیان می‌کند و انتهای بالای این محدوده توسط همان رسوبی که استحکام را فراهم می‌کند، تعیین می‌شود. هر آنچه در مورد کارهای هوافضا و انرژی در ادامه می‌آید در این پنجره قرار می‌گیرد و این دو صنعت از بخش‌های مختلف آن با قوانین پذیرش متفاوت استفاده می‌کنند.

این صفحه شرایط تحویل را که بازارهای دوگانه را در بر می‌گیرد، دو مسیر عملیات حرارتی و آنچه هر کدام را از دست می‌دهد، دلیل اینکه پره توربین یک قطعه آلیاژ 718 نیست و مسیر سوم که نفت و گاز به آن اضافه می‌کند، بیان می‌کند.

ترکیب در محدوده‌های زیر ثابت است و وضعیت چیزی است که سفارش خرید انتخاب می‌کند. یک کارخانه آلیاژ 718 را در حالت آنیل شده محلول، در حالت آنیل شده محلول و پیر شده، یا در وضعیتی که به یکی از دو مسیر استاندارد عملیات حرارتی گره خورده است، عرضه می‌کند. شماره مشخصات از فرم و وضعیت با هم پیروی می‌کند، بنابراین میله‌ای که بر اساس سند اشتباه سفارش داده شده است با خواص اشتباه می‌رسد، صرف نظر از اینکه گواهینامه در مورد شیمی می‌گوید.

محدودیت‌های ترکیب 50.00 تا 55.00 درصد نیکل به علاوه کبالت، 17.00 تا 21.00 درصد کروم، آهن به عنوان تعادل، 4.75 تا 5.50 درصد نیوبیوم به علاوه تانتالوم، 2.80 تا 3.30 درصد مولیبدن، 0.65 تا 1.15 درصد تیتانیوم، 0.20 تا 0.80 درصد آلومینیوم، 1.00 درصد کبالت حداکثر، 0.08 درصد کربن حداکثر، و 0.006 درصد بور حداکثر است. چگالی در حالت آنیل شده 8.19 گرم بر سانتی‌متر مکعب و محدوده ذوب 1260 تا 1336 درجه سانتیگراد است.

دو ردیف اول باعث اختلافات تحویل می‌شوند. مواد AMS 5662 در وضعیت آنیل شده محلول عرضه می‌شود که به اندازه کافی نرم برای ماشین‌کاری و شکل‌دهی است و مشخصات ایجاب می‌کند که بتوان آن را برای برآورده کردن خواص AMS 5663 عملیات حرارتی کرد. خریداری که 5662 سفارش می‌دهد و میله را هنگام ورود بازرسی می‌کند، سختی و استحکام پایین را اندازه‌گیری خواهد کرد و هر دو خوانش صحیح هستند. خریداری که 5662 را با قصد حذف عملیات پیر کردن سفارش می‌دهد، قطعه‌ای با تقریباً نیمی از استحکام طراحی خود خریده است.

همان آلیاژ از طریق دو برنامه منتشر شده به دو ترکیب خواص متفاوت می‌رسد و انتخاب یک تصمیم طراحی است که باید قبل از انتشار نقشه گرفته شود. تولید کننده یک مسیر را بهینه توصیف می‌کند که در آن عمر گسیختگی، عمر گسیختگی ناچ و ازدیاد طول گسیختگی با هم اهمیت دارند و مسیر دیگر را برای کاربردهای محدود به کششی در مقاطع ضخیم توصیف می‌کند.

این جدول کل بحث این صفحه را در یک مکان خلاصه می‌کند. مسیر دانه ریز بالاترین مقاومت خستگی و بهترین رفتار گسیختگی را ارائه می‌دهد و ازدیاد طول عرضی را در یک مقطع ضخیم فدا می‌کند. مسیر دانه درشت ازدیاد طول عرضی و چقرمگی ضربه را که یک فورجینگ سنگین نیاز دارد، ارائه می‌دهد و تمایلی به شکنندگی ناچ در تنش گسیختگی ایجاد می‌کند. خریداری که یک مسیر را به دلیل اینکه در سفارش خرید قبلی بوده است، مشخص می‌کند، تصمیمی در مورد حالت خرابی بدون بیان آن گرفته است.

پیر کردن نیز باید پس از آنیل محلول به دلیل دلیل متالورژیکی که تولید کننده ارائه می‌دهد، انجام شود. آلومینیوم، تیتانیوم و نیوبیوم که رسوبات سخت‌کننده را تشکیل می‌دهند، باید قبل از شروع پیر کردن در محلول باشند. اگر آنها قبلاً به عنوان فاز دیگری رسوب کرده باشند، به درستی رسوب نمی‌کنند و استحکام کامل آلیاژ به دست نمی‌آید. به همین دلیل است که یک میله آنیل شده در کارخانه نمی‌تواند پس از جوشکاری یا شکل‌دهی گرم بدون عملیات محلول جدید با پیر کردن به تنهایی سخت شود و چرا توالی در سفارش خرید قرار می‌گیرد.

هوافضا و انرژی همان گرید را با شواهد متفاوت خریداری می‌کنند. جدول دو موقعیت پذیرش را در کنار هم قرار می‌دهد و این واگرایی توضیح می‌دهد که چرا یک آلیاژ دو سطح قیمت و دو زمان تحویل دارد.

خطای مشخصات در ردیف آخر ارزش یک جمله جداگانه در سمت انرژی را دارد. یک فورجینگ سنگین که با مسیر دانه ریز پیر شده است، نیاز کششی دمای اتاق خود را برآورده می‌کند و همچنان می‌تواند مقادیر ازدیاد طول عرضی و ضربه را که مقطع ضخیم نیاز دارد، رد کند، زیرا آن خواص برای دستیابی به مقاومت خستگی فدا شده‌اند. خطای معکوس به همان اندازه رایج است: یک دیسک کمپرسور ساخته شده از مواد دانه درشت، تست کششی را پاس می‌کند و عمر خستگی کوتاه‌تری نسبت به آنچه طراحی فرض کرده است، ارائه می‌دهد.

تولید کننده حلقه‌ها، محفظه‌ها و قطعات مختلف ورق فلزی شکل‌دار برای موتورهای توربین گازی هواپیما و زمینی، همراه با قطعات برای موشک‌های سوخت مایع، مخازن برودتی، بست‌ها و قطعات ابزار دقیق را فهرست می‌کند. این لیست شامل پره‌های توربین نمی‌شود و این حذف تصادفی در کلمات نیست.

یک پره در مسیر گاز در دمای فلزی بالاتر از سقف 704 درجه سانتیگراد که تولید کننده برای این آلیاژ بیان می‌کند، قرار می‌گیرد، بنابراین رسوب گاما دابل پرایم که استحکام را فراهم می‌کند، درشت می‌شود و قطعه خاصیت خود را که برای آن انتخاب شده بود، از دست می‌دهد. پره‌ها از آلیاژهایی ساخته می‌شوند که برای آن موقعیت در موتور طراحی شده‌اند و ریخته‌گری‌ها با انجماد جهت‌دار یا به صورت کریستال‌های منفرد تولید می‌شوند تا مرزهای دانه از بخش داغ عبور نکنند. آلیاژ 718 یک گرید کار شده است و مسیر آن به موتور بخش کمپرسور، محفظه‌ها، حلقه‌ها و مونتاژهای ورق فلزی پشت بخش داغ است.

این تمایز آنچه را که خریدار باید درخواست کند تغییر می‌دهد. درخواست پره‌های آلیاژ 718 را نمی‌توان با محصول کار شده برآورده کرد و تأمین کننده‌ای که استعلام را می‌پذیرد یا آن را اشتباه متوجه شده است یا آلیاژ متفاوتی را قیمت‌گذاری می‌کند. درخواست دیسک‌های کمپرسور آلیاژ 718، محفظه‌ها، آب‌بندها و بست‌ها یک استعلام کار شده معمولی است و مشخصات و مسیر عملیات حرارتی دو موردی هستند که تعیین می‌کنند آیا برآورده می‌شود.

نفت و گاز نیازی را اضافه می‌کند که نه هوافضا و نه تولید برق تحمیل می‌کنند و این از محیط ناشی می‌شود و نه از دما. تولید ترش حاوی سولفید هیدروژن است و یک آلیاژ نیکل با استحکام بالا در آن سرویس در معرض ترک خوردگی تنشی سولفیدی قرار می‌گیرد. NACE MR0175 و ISO 15156 از طریق سختی به آن می‌پردازند و تولید کننده یک وضعیت آلیاژ 718 را که بر اساس این حد ساخته شده است، عرضه می‌کند.

مواد تولید شده برای استفاده در میادین نفتی تحت NACE MR0175 باید حداکثر سختی 40 HRC را در وضعیت آنیل شده محلول و پیر شده برآورده کنند. تولید کننده با عملیات محلول در دمای 1010 تا 1038 درجه سانتیگراد و سپس پیر کردن در دمای 788 درجه سانتیگراد به مدت شش تا هشت ساعت و خنک‌سازی هوا، که یک برنامه سوم متمایز از هر دو مسیر در جدول بالا است، به آن دست می‌یابد.

حد سختی بخشی است که خریدار معمولاً آن را نادیده می‌گیرد. وضعیت استاندارد هوافضا برای آلیاژ 718 در محدوده 331 تا 341 HB قرار دارد و تبدیل به راکول سی آن را بالاتر از سقف 40 HRC که سرویس ترش مجاز می‌داند، قرار می‌دهد. آلیاژ همان است و شیمی همان است، بنابراین گواهینامه‌ای که ترکیب صحیح و عملیات حرارتی اشتباه را گزارش می‌دهد، همچنان برنامه را رد خواهد کرد. وضعیت میدان نفتی به این دلیل وجود دارد که استحکام که هوافضا آن را به حداکثر می‌رساند، استحکام است که سرویس ترش آن را محدود می‌کند.

آلیاژ 718 پاسخ استحکام در این خانواده است و دو گرید دیگر وظایفی را پوشش می‌دهند که در آن‌ها استحکام الزام محدود کننده نیست. آلیاژ 625 به مولیبدن و نیوبیوم در محلول جامد متکی است و نه به رسوب، بنابراین خواص خود را بدون عملیات پیر کردن حفظ می‌کند و مقاومت اکسیداسیون را تا حدود 980 درجه سانتیگراد در هوا تحمل می‌کند. آلیاژ 600 گرید نیکل-کروم با استحکام پایین‌تر است که در مبدل‌های حرارتی و در بخش‌های دمای بالاتر نیروگاه‌ها ظاهر می‌شود.

سه گرید رتبه‌بندی نیستند. یک قطعه ورق 625 در دمای 900 درجه سانتیگراد کاری را انجام می‌دهد که یک قطعه 718 نمی‌تواند انجام دهد و یک دیسک 718 در دمای 650 درجه سانتیگراد باری را حمل می‌کند که یک دیسک 625 در همان مقطع نمی‌تواند حمل کند. انتخاب از مکانیسم مورد انتظار برای پایان دادن به قطعه پیروی می‌کند، که همان جمله‌ای است که انتخاب عملیات حرارتی را در داخل آلیاژ 718 خود حاکم می‌کند.

مجموعه اسناد از فرم پیروی می‌کند و فرم از مسیر تولید پیروی می‌کند. خریداری که قطعه را می‌شناسد و مشخصات را نمی‌شناسد، تمایل دارد اشتباه آن را سفارش دهد.

ASTM B637 و اسناد AMS در شیمی همپوشانی دارند و در کنترل متفاوت هستند. مشخصات ASTM آلیاژ را برای استفاده عمومی مهندسی پوشش می‌دهد و وضعیت را بین خریدار و تأمین کننده قابل توافق می‌داند. اسناد AMS وضعیت، حداقل خواص و قابلیت ردیابی را که یک انتشار هوافضا نیاز دارد، تعیین می‌کنند. یک قطعه می‌تواند B637 را برآورده کند و فقط به دلیل مستندات، انتشار AMS را رد کند، به همین دلیل نقشه باید سند و نه گرید را نام ببرد.

هشت مورد یک قیمت قابل مقایسه را از قیمتی که باید دوباره قیمت‌گذاری شود، جدا می‌کند.

DLX آلیاژ 718 را از چانگژو، جیانگ سو، در سیم از 0.025 میلی‌متر، میله گرد تا 50 میلی‌متر، نوار از 0.50 میلی‌متر تا 2.5 میلی‌متر ضخامت، و لوله و صفحه در اندازه‌های استاندارد کارخانه، همراه با 625 و 600 برای وظایفی که گرید سخت شده با رسوب پاسخ مناسبی نیست، عرضه می‌کند. مواد بر اساس مشخصات ASTM یا AMS نامگذاری شده در سفارش، با گواهینامه EN 10204 3.1 در صورت درخواست و شماره حرارت قابل ردیابی به نتایج تست عرضه می‌شوند.

سوالی که یک قیمت را تعیین می‌کند معمولاً حالت خرابی است و نه گرید. قطعه‌ای که با خستگی اندازه‌گیری می‌شود، قطعه‌ای که با گسیختگی در مقطع ضخیم اندازه‌گیری می‌شود، و قطعه‌ای که با سقف سختی در سرویس ترش اندازه‌گیری می‌شود، سه سفارش متفاوت برای همان آلیاژ هستند و مشخص کردن صحیح هر کدام ارزان‌تر از جایگزینی است.

خیر. تولید کننده حلقه‌ها، محفظه‌ها و قطعات ورق فلزی شکل‌دار برای موتورهای توربین گازی را فهرست می‌کند و پره‌ها را فهرست نمی‌کند. آلیاژ 718 یک گرید کار شده با سقف مشخص شده 704 درجه سانتیگراد است و پره در مسیر گاز بالاتر از آن دما قرار می‌گیرد. پره‌ها از آلیاژهایی ساخته می‌شوند که برای بخش داغ طراحی شده‌اند و ریخته‌گری‌ها با انجماد جهت‌دار یا به صورت کریستال‌های منفرد تولید می‌شوند. آلیاژ 718 در کمپرسور، محفظه‌ها، حلقه‌ها و مونتاژهای ورق فلزی ظاهر می‌شود.

وضعیت عملیات حرارتی. AMS 5662 در وضعیت آنیل شده محلول عرضه می‌شود که به اندازه کافی نرم برای ماشین‌کاری و شکل‌دهی است و مشخصات ایجاب می‌کند که مواد بتوانند متعاقباً برای برآورده کردن خواص AMS 5663 پیر شوند. AMS 5663 به صورت آنیل شده محلول و پیر شده عرضه می‌شود، با 185 ksi کششی، 150 ksi تسلیم، 12 درصد ازدیاد طول، و 331 HB در دمای اتاق. قطعه‌ای که با 5662 خریداری شده و بدون پیر کردن نصب می‌شود، تقریباً نیمی از استحکام طراحی خود را دارد.

مسیر دانه درشت در دمای 1038 تا 1066 درجه سانتیگراد، زمانی که ازدیاد طول عرضی و استحکام ضربه در مقطع ضخیم پذیرش را تعیین می‌کنند. این مسیر بهترین ازدیاد طول عرضی و بهترین خواص ضربه و کشش ناچ دمای پایین را ارائه می‌دهد و تمایلی به شکنندگی ناچ در تنش گسیختگی دارد. مسیر دانه ریز در دمای 927 تا 1010 درجه سانتیگراد بالاترین مقاومت خستگی و بهترین رفتار گسیختگی را ارائه می‌دهد و ازدیاد طول عرضی را در یک مقطع ضخیم فدا می‌کند.

زیرا استحکام از رسوبات گاما پرایم و گاما دابل پرایم ناشی می‌شود و فاز دابل پرایم با افزایش دما درشت می‌شود. تولید کننده محدوده قابل استفاده از -253 درجه سانتیگراد تا 704 درجه سانتیگراد را بیان می‌کند و رقم بالایی یکی از خواص مکانیسم سخت‌کننده است و نه حد محدوده ذوب که 1260 تا 1336 درجه سانتیگراد است. قطعه‌ای که باید بالاتر از این سقف کار کند نیاز به گرید متفاوتی دارد و گریدهای محلول جامد در این خانواده جایی است که این جستجو آغاز می‌شود.

بله، در وضعیتی که برای آن تحت NACE MR0175 و ISO 15156 تولید شده است، با حداکثر سختی 40 HRC. تولید کننده با عملیات محلول در دمای 1010 تا 1038 درجه سانتیگراد و پیر کردن در دمای 788 درجه سانتیگراد به مدت شش تا هشت ساعت، و سپس خنک‌سازی هوا، به این حد می‌رسد. وضعیت استاندارد هوافضا در محدوده 331 تا 341 HB قرار دارد که بالاتر از سقف سرویس ترش تبدیل می‌شود، بنابراین عملیات حرارتی و نه شیمی تعیین می‌کند که آیا قطعه قابل استفاده است.

بستگی به این دارد که چه کسی باید قطعه را بپذیرد. ASTM B637 آلیاژ را برای استفاده عمومی مهندسی پوشش می‌دهد و وضعیت را بین خریدار و تأمین کننده قابل توافق می‌داند که برای کارهای صنعتی و انرژی مناسب است. اسناد AMS وضعیت، حداقل خواص و قابلیت ردیابی را که یک انتشار هوافضا نیاز دارد، تعیین می‌کنند. یک قطعه می‌تواند B637 را برآورده کند و همچنان به دلیل مستندات، انتشار AMS را رد کند، بنابراین نقشه باید سند و بازنگری آن را نام ببرد.

آلیاژ 718 یک ترکیب با چندین وضعیت تحویل است و وضعیت توسط حالت خرابی انتخاب می‌شود. مسیر دانه ریز استحکام خستگی را که یک قطعه هوافضا دوار نیاز دارد، ارائه می‌دهد. مسیر دانه درشت ازدیاد طول عرضی و چقرمگی ضربه را که یک فورجینگ انرژی سنگین نیاز دارد، با هزینه تمایل به شکنندگی ناچ در تنش گسیختگی ارائه می‌دهد. مسیر سوم برای سرویس ترش وجود دارد، جایی که سقف 40 HRC بیشتر از استحکام کششی اهمیت دارد.

دو واقعیت انتخاب خانواده را صادقانه نگه می‌دارند. سقف 704 درجه سانتیگراد از رسوب ناشی می‌شود، بنابراین پره در مسیر گاز یک ریخته‌گری است و نه یک قطعه 718 کار شده. و همان آلیاژ در محدوده 331 تا 341 HB یک حد سرویس ترش را رد می‌کند که شیمی به تنهایی نمی‌تواند آن را آشکار کند. گرید، مشخصات، وضعیت و حالت خرابی حاکم باید با هم در استعلام قرار گیرند، زیرا هر سه مورد بدون مورد چهارم قطعه‌ای را تولید می‌کنند که گواهینامه خود را برآورده می‌کند و نه وظیفه خود را.

بولتن فنی Special Metals برای آلیاژ INCONEL 718، انتشار SMC-045. منبع شماره UNS N07718 و شماره Werkstoff 2.4668، محدودیت‌های ترکیب 50.00 تا 55.00 درصد نیکل به علاوه کبالت و 17.00 تا 21.00 درصد کروم با آهن به عنوان تعادل، چگالی 8.19 گرم بر سانتی‌متر مکعب، محدوده ذوب 1260 تا 1336 درجه سانتیگراد، محدوده قابل استفاده از -253 درجه سانتیگراد تا 704 درجه سانتیگراد، مکانیسم سخت‌کننده گاما پرایم و گاما دابل پرایم، دو برنامه استاندارد عملیات حرارتی در 927 تا 1010 درجه سانتیگراد و 1038 تا 1066 درجه سانتیگراد، بیان اینکه مسیر دانه ریز برای عمر گسیختگی و ازدیاد طول گسیختگی بهینه است و بالاترین مقاومت خستگی را تولید می‌کند، بیان اینکه مسیر دانه درشت برای کاربردهای محدود به کششی در مقاطع ضخیم با تمایل به شکنندگی ناچ در تنش گسیختگی ترجیح داده می‌شود، حداقل خواص برای AMS 5596، 5597، 5589، 5662، 5663 و 5664، لیست کاربرد شامل حلقه‌ها، محفظه‌ها و قطعات ورق فلزی شکل‌دار برای موتورهای توربین گازی، و وضعیت میدان نفتی تحت NACE MR0175 با حداکثر 40 HRC.

AMS 5662 و AMS 5663، مشخصات مواد هوافضا برای میله، فورجینگ و حلقه‌های آلیاژ نیکل 718 در شرایط آنیل شده محلول و آنیل شده محلول و پیر شده.

AMS 5596 و AMS 5597، مشخصات مواد هوافضا برای ورق، نوار و صفحه آلیاژ نیکل 718.

AMS 5664، مشخصات مواد هوافضا برای میله، فورجینگ و حلقه‌های آلیاژ نیکل 718 در وضعیت دانه درشت.

AMS 5589، مشخصات مواد هوافضا برای لوله بدون درز آلیاژ نیکل 718.

ASTM B637، مشخصات استاندارد برای میله‌ها، فورجینگ‌ها و مواد اولیه فورجینگ آلیاژ نیکل سخت شده با رسوب برای سرویس دمای بالا.

NACE MR0175 و ISO 15156، استاندارد مواد برای استفاده در محیط‌های حاوی سولفید هیدروژن در تولید نفت و گاز.

EN 10204، اسناد بازرسی، برای تعریف گواهینامه 3.1 به عنوان سندی که نتایج واقعی تست را حمل می‌کند و توسط نماینده بازرسی مستقل سازنده تأیید شده است.

ترکیبات و حداقل خواص بالا مقادیر مشخصات و نتایج معمول برای گریدهای و شرایط نامگذاری شده هستند و محدودیت‌های پذیرش برای یک دسته تحویل داده شده نیستند. خواص به اندازه مقطع، جهت تست و عملیات حرارتی انجام شده بستگی دارد، بنابراین مقداری که از یک جدول نقل شده است می‌تواند با آن متفاوت باشد.