Сплав 718, поковки из инконеля 718, UNS N07718

Сплав 718, Проволока из инконеля 718, UNS N07718

Введение в сплав 718 (проволока из инконеля 718, UNS N07718)

Сплав 718, коммерчески известный как Инконель 718 и классифицируемый под UNS N07718, представляет собой универсальный дисперсионно-упрочняющий никель-хром-ниобий-молибденовый суперсплав. Известный своим исключительным сочетанием высокотемпературной прочности, превосходной коррозионной стойкости и превосходной свариваемости, он надежно работает в широком диапазоне температур — от криогенных условий (-269 °C / -452 °F) до 650 °C / 1202 °F. Его прочность в первую очередь обусловлена образованием гамма-двойных простых (γ", Ni₃Nb) и гамма-простых (γ', Ni₃Al, Ti) осадков при контролируемом старении, в то время как содержание хрома и молибдена обеспечивает надежную стойкость к окислению, точечной коррозии и щелевой коррозии. Проволока Inconel 718, ключевая форма этого сплава, широко используется в отраслях, требующих точности, долговечности и производительности в экстремальных условиях, таких как аэрокосмическая, энергетическая и морская техника. В отличие от многих жаропрочных сплавов, он сохраняет превосходную пластичность и обрабатываемость, что делает его пригодным как для сложных конструкционных компонентов, так и для прецизионных деталей.

1. Химический состав (типичный, масс.%)

Химический состав UNS N07718 соответствует строгим отраслевым стандартам, включая ASTM B625 (для проволоки из никелевого сплава), ASTM B637 (для прутков из никелевого сплава) и ASME SB625, что обеспечивает стабильные характеристики осаждения и упрочнения, свариваемость и коррозионные характеристики. Типичный состав выглядит следующим образом:

Элемент

Диапазон содержания (масс.%)

Функция

Никель (Ni)

50.0 - 55.0

Служит матриксом сплава, стабилизирующим аустенитную структуру и способствующим образованию γ" и γ' осадков; Повышает устойчивость к воздействию окружающей среды.

Хром (Cr)

17.0 - 21.0

Образует плотный защитный слой из оксида хрома (Cr₂O₃), обеспечивающий стойкость к окислению до 650°C и стойкость к точечной/щелевой коррозии, вызванной хлоридами.

Железо (Fe)

Равновесие

Улучшает технологичность горячей обработки и свариваемости (критически важно для производства проволоки и изготовления компонентов); Снижает стоимость сплава без ущерба для эксплуатационных характеристик.

Ниобий (Nb) + тантал (Ta)

4.75 - 5.50

Первичный упрочняющий элемент — образует γ" осадки (Ni₃Nb), основной вклад в высокую прочность на разрыв и ползучести; Тантал усиливает устойчивость к высоким температурам.

Молибден (Mo)

2.80 - 3.30

Повышает локализованную коррозионную стойкость (например, в высокосернистых газах или кислых средах) и увеличивает прочность на ползучесть при высоких температурах; Улучшает свариваемость за счет снижения риска горячего растрескивания.

Титан (Ti)

0.65 - 1.15

Способствует образованию осадков γ'' (Ni₃Ti), дополняя γ" для оптимизации баланса прочности и пластичности; контролирует рост зерна при термической обработке.

Алюминий (Al)

0.20 - 0.80

Сотрудничает с титаном для уточнения размера и распределения осадка γ′; Поддерживает целостность защитного оксидного слоя.

Углерод (C)

≤ 0,08

Сведен к минимуму для предотвращения осаждения карбида на границах зерен, которое может вызвать межкристаллитное растрескивание в коррозионных или циклических термических средах; Небольшие количества улучшают прочность сварного шва.

Марганец (Mn)

≤ 0,35

Способствует раскислению во время плавления и улучшает холодную обрабатываемость для тонкого волочения проволоки; Контролируется во избежание ломкости.

Кремний (Si)

≤ 0,35

Контролирует образование оксидов при горячей обработке и снижает вязкость расплавленного сплава для литья; ограничены, чтобы избежать чрезмерного попадания оксидных включений.

Фосфор (P)

≤ 0,015

Строго ограничены во избежание хрупкости, особенно в сварных соединениях или компонентах при циклическом нагружении.

Сера (S)

≤ 0,010

Сведен к минимуму для предотвращения горячего растрескивания во время изготовления (что важно для волочения проволоки и сварки) и снижения подверженности коррозии.

Медь (Cu)

≤ 0.30

Контролируется для предотвращения образования осадка на γ"/γ′ и поддержания стойкости к окислению.

Бор (В)

≤ 0,006

Микроэлемент, который укрепляет границы зерен, повышая сопротивление ползучести и снижая риск межкристаллитного растрескивания свариваемых компонентов.

2. Физические свойства

Проволока Inconel 718 демонстрирует стабильные физические свойства в широком диапазоне рабочих температур, а механические характеристики оптимизированы за счет старения. Основные свойства (измеренные при комнатной температуре, если не указано иное):

Свойство

Ценность

Условия испытания

Плотность

8,19 г/см³

Комнатная температура (25°C)

Диапазон температур плавления

1260 - 1320°C

-

Коэффициент теплового расширения

12,2 × 10⁻⁶/°C

20 - 100°С; 15,4 × 10⁻⁶/°C (20–600°C)

Теплопроводность

11,4 Вт/(м·К)

100°С; 18,8 Вт/(м·К) (600°C)

Удельное электрическое сопротивление

1,29 × 10⁻⁶ Ω м

Комнатная температура (25°C); 1,51 × 10⁻⁶ Ω·м (600°C)

Модуль упругости

206 ГПа

Комнатная температура (при растяжении); 167 ГПа (600°C)

Коэффициент Пуассона

0.30

Комнатная температура

Температура Кюри

≈ -196°C

Ниже этой температуры, слабо ферромагнитный (не имеет значения для большинства температур применения).

Прочность на разрыв (после старения)

≥ 1310 МПа

Комнатная температура; ≥ 965 МПа (600°C)

Предел текучести (смещение 0,2%, после выдержки)

≥ 1170 МПа

Комнатная температура; ≥ 860 МПа (600°C)

Удлинение (после старения)

≥ 15%

Комнатная температура

Твердость (после старения)

38 - 44 HRC

Комнатная температура

Прочность на разрыв при ползучести

240 МПа

1000 часов при 600°C; 105 МПа (1000 часов при 650°C)

3. Процесс производства проволоки Inconel 718

Производство проволоки Inconel 718 требует точного контроля химии, термообработки и формовки для оптимизации дисперсионного упрочнения, свариваемости и точности размеров. Ключевые шаги включают в себя:

3.1 Плавка и литье сырья

Плавка: Высокочистое сырье (никель, хром, ниобий, молибден и т. д.) плавится методом вакуумной индукционной плавки (VIM) с последующим вакуумно-дуговым переплавом (VAR) или электронно-лучевым переплавом (EBM). Этот процесс двух/тройного плавления удаляет газообразные примеси (O₂ < 20 ppm, N₂ < 40 ppm) and ensures uniform distribution of niobium, titanium, and boron—critical for consistent γ″/γ′ precipitate formation and grain boundary strength.

Литье: Расплавленный сплав отливают в слитки (500 - 3000 кг) или блюмы, которые подвергаются гомогенизационному отжигу при 1100 - 1160°C в течение 8 - 12 часов. Этот этап устраняет химическую сегрегацию (особенно ниобия) и очищает микроструктуру после литья, подготавливая материал к горячей обработке.

3.2 Горячая обработка и производство катанки

Горячая прокатка: Слитки/блюмы горячо прокатываются при температуре 1050 - 1150°C в катанки (диаметр: 8 - 20 мм). Горячая прокатка разрушает крупнозернистые зерна и улучшает удобоукладываемость; Стержни охлаждаются воздухом до комнатной температуры, чтобы предотвратить преждевременное образование осадка (что может снизить пластичность при холодном волочении).

Удаление окалины: горячекатаные прутки подвергаются дробеструйной обработке (для удаления рыхлой окалины) с последующим кислотным травлением (раствор азотной плавиковой кислоты) для удаления остаточных оксидных слоев, что имеет решающее значение для предотвращения поверхностных дефектов в окончательной проволоке.

3.3 Холодное волочение (формовка проволоки)

Многопроходное холодное волочение: Катанки проходят холодную вытяжку через алмазные штампы за 6 - 10 проходов для достижения желаемого диаметра (обычно 0,1 мм - 10 мм). Каждый проход уменьшает диаметр на 12 - 20%, с отжигом промежуточного раствора (950 - 1000°C в течение 30 - 60 минут, закалка водой) между проходами. Этот этап отжига растворяет существующие осадки, уменьшает деформационное упрочнение и восстанавливает пластичность, предотвращая обрыв проволоки во время волочения.

Контроль размеров: натяжение, выравнивание штампа и скорость волочения точно регулируются для поддержания жесткого допуска по диаметру (±0,015 мм для прецизионной проволоки) и округлости (≤0,008 мм). Для таких областей применения, как аэрокосмический крепеж или медицинские устройства, для обеспечения стабильности используется лазерный контроль диаметра.

3.4 Старческое упрочнение (оптимизация прочности)

Старение является основным этапом активации γ" и γ' осадков и достижения целевой прочности. Процесс проходит по стандартизированному трехступенчатому циклу (согласно ASTM B625):

Отжиг на раствор: Нагрев проволоки до 980 - 1020°C в течение 1 - 2 часов с последующей быстрой закалкой водой. На этом этапе обеспечивается однородная аустенитная микроструктура и растворяются все осадки.

Первое старение (промежуточный): Нагрев до 715 - 745°C в течение 8 часов, затем охлаждение печи до 600 - 630°C со скоростью 55 - 85°C/час. На этом этапе инициируется образование мелкодисперсных γ" осадков.

Второе старение (окончательное): выдерживание при температуре 600 - 630°C в течение 8 часов с последующим охлаждением на воздухе. Этот этап способствует росту γ" (первичного упрочнителя) и γ' (вторичного упрочнителя), что приводит к характерной для сплава высокой прочности и ударной вязкости.

Примечание: Для ультратонкой проволоки (диаметр < 0.5 mm), aging times are reduced by 2 - 3 hours to avoid excessive hardening, which could compromise flexibility for applications like springs or sensor wires.

3.5 Отделка поверхности и контроль качества

Поверхностная обработка:

Травление: Послестареющее травление в азотно-плавиковой кислоте для удаления оксидных накипей и повышения коррозионной стойкости.

Пассивация: дополнительная пассивация хроматом или азотной кислотой для укрепления защитного оксидного слоя — идеально подходит для морских или химических применений, подверженных воздействию соленой воды или агрессивных сред.

Полировка: Для высокоточных применений (например, медицинские инструменты, аэрокосмические датчики) проволока полируется до гладкой поверхности (Ra ≤ 0,15 мкм) с помощью абразивных лент или электрохимической полировки.

Контроль качества:

Химический анализ: оптическая эмиссионная спектроскопия (OES) и масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) для проверки содержания ниобия, молибдена и бора, что имеет решающее значение для осаждения, упрочнения и свариваемости.

Механические испытания: Испытание на растяжение (прочность/удлинение), испытание на твердость (HRC), усталостное испытание (для компонентов с циклическим нагружением, таких как пружины) и испытание на ползучесть (для высокотемпературных применений).

Коррозионные испытания: испытания в солевом тумане (ASTM B117), щелевые коррозионные испытания (ASTM G48) и межкристаллитные коррозионные испытания (ASTM A262 Practice E) для подтверждения устойчивости к суровым условиям окружающей среды.

Неразрушающий контроль: вихретоковый контроль (для поверхностных дефектов, таких как трещины или ямки), ультразвуковой контроль (для внутренних дефектов) и магнитопорошковый контроль (для ферромагнитных включений — редко встречается в Inconel 718, но проверяется для критических применений).

Контроль размеров: лазерное измерение для подтверждения диаметра, прямолинейности (≤0,08 мм/м) и точности длины. Для катушечной проволоки проводится испытание на натяжение для обеспечения равномерной размотки.

4. Применение продукта

Уникальное сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости, свариваемости и температурной универсальности проволоки Inconel 718 делает ее незаменимой в требовательных отраслях промышленности:

4.1 Аэрокосмическая и оборонная промышленность

Авиационные двигатели: тонкая проволока (0,2 - 1,5 мм) для креплений лопаток турбины, пружин ротора компрессора и компонентов топливных форсунок - выдерживает 600 - 650 °C и циклические термические нагрузки. Его свариваемость позволяет производить ремонт деталей двигателя на месте.

Компоненты космических аппаратов: Проволока для конструкционных опор спутников, приводов сопел ракет и креплений криогенных топливопроводов — сохраняет прочность при температуре -269°C (температура жидкого гелия) и устойчива к космической радиации.

Аэрокосмический крепеж: холоднотянутая проволока для высокопрочных заклепок, болтов и гаек в фюзеляжах и крыльях — устойчива к атмосферной коррозии (например, от влажности или загрязняющих веществ) и сохраняет целостность на больших высотах.

4.2 Производство энергии

Газовые турбины: Проволока для лопаток ротора турбины, лопаток статора и труб теплообменников на электростанциях комбинированного цикла — устойчива к коррозии дымовых газов и деформации ползучести при температуре 550–650 °C. Его свариваемость упрощает сборку турбины.

Ядерная энергетика: проволока для приводов регулирующих стержней, циркуляционных труб охлаждающей жидкости и компонентов парогенераторов — низкое поглощение нейтронов, стойкость к коррозии борированной воды и устойчивость к радиации.

Возобновляемые источники энергии: Проволока для трубок поглотителей тепла концентрированной солнечной энергии (CSP) и катушек ветрогенераторов — выдерживает коррозию расплавленных солей (CSP) при температуре 600–650 °C и морскую атмосферную коррозию (морской ветер).

4.3 Химическая и нефтехимическая промышленность

Переработка высокосернистого газа: Проволока для кабелей скважинных датчиков, штоков клапанов и валов насосов в скважинах с высокосернистым газом — устойчива к H₂S и коррозии, вызванной хлоридами, при температуре 400–500 °C.

Высокотемпературные реакторы: фильтры из проволочной сетки и пружины мешалки для реакторов по производству полимеров (например, синтез полиэтилена) — устойчивы к температурам 500–600 °C и агрессивным мономерам, таким как этилен.

Фармацевтическое производство: санитарная проволока для смесительных лопастей, сенсорных щупов и упаковочного оборудования — соответствует стандартам FDA (21 CFR Part 177) для контакта с пищевыми продуктами и лекарствами и устойчива к чистящим средствам (например, гидроксиду натрия, азотной кислоте).

4.4 Морская техника

Морские платформы: Проволока для натяжителей швартовного каната, пружин подводных клапанов и компонентов стояка — устойчива к коррозии морской воды (3,5% NaCl) и биообрастанию в глубоководных условиях (на глубине до 3000 метров).

Военно-морские суда: Проволока для компонентов силовой установки (например, гребных валов) и креплений корпуса — превосходит нержавеющую сталь в соленой воде, снижая затраты на техническое обслуживание и продлевая срок службы.

4.5 Медицинские устройства

Хирургические инструменты: ультратонкая проволока (0,05 - 0,2 мм) для лапароскопических инструментов, ортопедических винтов для имплантатов и зубных брекетов - биосовместимая (ISO 10993), устойчивая к коррозии биологических жидкостей (например, слюны, крови) и обеспечивает достаточную прочность для несущих приложений.

Диагностическое оборудование: проволока для датчиков катетеров и МРТ-совместимых компонентов — немагнитная (выше температуры Кюри) и стабильная при стерилизации (автоклавирование при 134°C).

4.6 Промышленное оборудование

Высокотемпературные печи: проволока для опор нагревательных элементов, оболочек термопар и пружин дверцы печи — работает при температуре 600–650 °C на воздухе или в инертном газе (например, аргоне).

Автомобильная промышленность (высокопроизводительная): проволока для компонентов турбокомпрессора, пружин выхлопной системы и разъемов аккумулятора электромобиля (EV) — устойчива к коррозии выхлопных газов при температуре 550–600 °C и сохраняет проводимость в системах электромобилей.

Заключение

Сплав 718 (проволока Inconel 718, UNS N07718) - это первоклассная проволока из жаропрочного сплава, отличающаяся непревзойденным балансом высокотемпературной прочности, коррозионной стойкости, свариваемости и универсальности. Строгий контроль производства — от двойного плавления до прецизионной стареющей закалки — обеспечивает надежность в критически важных областях применения в аэрокосмической, энергетической и медицинской промышленности. Независимо от того, используется ли проволока Inconel 718 в авиационных турбинах, ядерных реакторах или хирургических инструментах, она обеспечивает стабильную производительность в экстремальных условиях. Для индивидуальных требований, таких как сверхточная проволока (диаметр до 0,01 мм), специализированная обработка поверхности (например, электрополировка) или индивидуальные циклы старения для конкретных потребностей в прочности, производители предлагают индивидуальные решения для решения уникальных задач применения.

Упаковка Стандартная упаковка:

Типичная оптовая упаковка включает в себя паллетированный пластик 5 галлонов/25 кг. ведра, бочки с фиброй и сталью до 1 тонны супермешков в полных контейнерах (FCL) или грузовиках (T/L). Исследуемые и отобранные количества, а также гигроскопичные, окисляющие или другие чувствительные к воздуху материалы могут быть упакованы в условиях аргона или вакуума. Растворы упаковываются в полипропиленовые, пластиковые или стеклянные банки объемом до 793 галлонов для жидкости на поддонах Специальная упаковка доступна по запросу.