Rundstab aus Inconel 718

Inconel ( / ˈ ɪ nk ən əl / IN -co-nel ) ist eine Superlegierung , die hauptsächlich aus Nickel , Chrom und Eisen besteht und häufig in extremen Umgebungen eingesetzt wird, in denen Bauteile hohen Temperaturen, Drücken oder mechanischen Belastungen ausgesetzt sind . Inconel-Legierungen sind oxidations- und korrosionsbeständig . Beim Erhitzen bildet Inconel eine dicke, stabile Passivierungsschicht, die die Oberfläche vor weiteren Angriffen schützt. Inconel behält seine Festigkeit über einen weiten Temperaturbereich und ist daher attraktiv für Hochtemperaturanwendungen, bei denen Aluminium und Stahl aufgrund thermisch induzierter Kristallfehlstellen kriechen würden . Die Hochtemperaturfestigkeit von Inconel wird je nach Legierung durch Mischkristallverfestigung oder Ausscheidungshärtung erzielt . [ 1 ] [ 2 ]

Inconel wurde Anfang der 1930er Jahre von Wissenschaftlern der International Nickel Company (später Inco Limited ) entdeckt. Gängige Handelsnamen für verschiedene Inconel-Legierungen sind:

  • Legierung 625: Inconel 625 , Chronin 625, Altemp 625, Sanicro 625, Haynes 625, Nickelvac 625, Nicrofer 6020 und UNS-Bezeichnung N06625. [ 3 ]
  • Legierung 600: NA14, BS3076, 2.4816, NiCr15Fe (FR), NiCr15Fe (EU), NiCr15Fe8 (DE) und UNS-Bezeichnung N06600.
  • Legierung 718: Nicrofer 5219, Superimphy 718, Haynes 718, Pyromet 718, Supermet 718, Udimet 718 und UNS-Bezeichnung N07718. [ 4 ]

Geschichte

Die Inconel-Legierungsfamilie wurde erstmals vor Dezember 1932 entwickelt, als die Marke von der International Nickel Company aus Delaware und New York registriert wurde. [ 5 ] [ 6 ] Eine bedeutende frühe Anwendung fand sich in der Unterstützung der Entwicklung des Whittle -Strahltriebwerks [ 7 ] in den 1940er Jahren durch Forschungsteams von Henry Wiggin & Co in Hereford, England, einer Tochtergesellschaft der Mond Nickel Company , [ 8 ] die 1928 mit Inco fusionierte. Das Werk in Hereford und seine Vermögenswerte, einschließlich der Marke Inconel, wurden 1998 von der Special Metals Corporation übernommen . [ 9 ]

Spezifische Daten

Legierung Solidus °C (°F) Liquidus °C (°F)
Inconel 600 [ 10 ]1354 (2.469) 1413 (2.575)
Inconel 617 [ 11 ] [ 12 ]1332 (2.430) 1377 (2.511)
Inconel 625 [ 13 ]1290 (2.350) 1350 (2460)
Inconel 690 [ 14 ]1343 (2.449) 1377 (2.511)
Inconel 718 [ 15 ]1260 (2.300) 1336 (2.437)
Inconel 738CL [ 16 ]1269 (2.316) 1336 (2.437)
Inconel X-750 [ 17 ]1390 (2.530) 1430 (2.610)

Zusammensetzung

Inconel-Legierungen weisen große Unterschiede in ihrer Zusammensetzung auf, bestehen aber alle überwiegend aus Nickel, mit Chrom als zweitem Element.

Inconel Element, Massenanteil (%)
NiCrFeMoNb & TaCoMnCuAlTiSiCSPB
600 [ 18 ]≥72,0 [ a ]14,0–17,0 6,0–10,0 N / A≤1,0 ≤0,5 ≤0,5 ≤0,15 ≤0,015
617 [ 19 ]44,2–61,0 20,0–24,0 ≤3,0 8,0–10,0 10,0–15,0 ≤0,5 ≤0,5 0,8–1,5 ≤0,6 ≤0,5 0,05–0,15 ≤0,015 ≤0,015 ≤0,006
625 [ 20 ]≥58,0 20,0–23,0 ≤5,0 8,0–10,0 3.15–4.15 ≤1,0 ≤0,5 ≤0,4 ≤0,4 ≤0,5 ≤0,1 ≤0,015 ≤0,015
690 [ 21 ]≥58 27–31 7–11 ≤0,50 ≤0,50 ≤0,50 ≤0,05 ≤0,015
Nuklearqualität 690 [ 21 ]≥58 28–31 7–11 ≤0,10 ≤0,50 ≤0,50 ≤0,50 ≤0,04 ≤0,015
718 [ 1 ]50,0–55,0 17,0–21,0 Gleichgewicht 2,8–3,3 4,75–5,5 ≤1,0 ≤0,35 ≤0,3 0,2–0,8 0,65–1,15 ≤0,35 ≤0,08 ≤0,015 ≤0,015 ≤0,006
X-750 [ 22 ]≥70,0 14,0–17,0 5,0–9,0 0,7–1,2 ≤1,0 ≤1,0 ≤0,5 0,4–1,0 2,25–2,75 ≤0,5 ≤0,08 ≤0,01
  1. ^ Enthält Kobalt

Eigenschaften

Beim Erhitzen bildet Inconel eine dicke und stabile Passivierungsschicht, die die Oberfläche vor weiteren Angriffen schützt. Inconel behält seine Festigkeit über einen weiten Temperaturbereich und ist daher attraktiv für Hochtemperaturanwendungen, bei denen Aluminium und Stahl aufgrund thermisch induzierter Kristallfehlstellen kriechen würden (siehe Arrhenius-Gleichung ). Die Hochtemperaturfestigkeit von Inconel wird je nach Legierung durch Mischkristallverfestigung oder Ausscheidungshärtung erzielt. Bei aushärtbaren oder ausscheidungshärtenden Varianten verbindet sich Niob in geringen Mengen mit Nickel zur intermetallischen Verbindung Ni₃Nb oder γ ″ . γ″ bildet kleine kubische Kristalle, die Gleitung und Kriechen bei hohen Temperaturen wirksam hemmen. Die Bildung von γ″-Kristallen nimmt mit der Zeit zu, insbesondere nach dreistündiger Wärmebehandlung bei 850 °C (1560 °F), und setzt sich auch nach 72 Stunden fort. [ 23 ]

Verstärkungsmechanismen

Die häufigsten Härtungsmechanismen für Inconel-Legierungen sind Ausscheidungshärtung und Mischkristallhärtung . Bei Inconel-Legierungen dominiert oft einer der beiden Mechanismen. Bei Legierungen wie Inconel 718 ist die Ausscheidungshärtung der Hauptmechanismus. Die Härtung beruht größtenteils auf dem Vorhandensein von γ″-Ausscheidungen. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] Inconel-Legierungen besitzen eine γ - Matrixphase mit kubisch-flächenzentrierter ( kfz ) Struktur. [ 26 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] Die γ″-Ausscheidungen bestehen aus Ni und Nb, genauer gesagt aus Ni₃Nb . Diese Ausscheidungen sind feine, kohärente, scheibenförmige intermetallische Partikel mit tetragonaler Struktur . [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] Diese Phase ist am wichtigsten zu stabilisieren, daher werden Inconel-Legierungen verstärkt, indem die Vergröberung der γ″-Ausscheidungen begrenzt und der Phasenübergang von γ″ zu Delta (δ) begrenzt wird.

Die sekundäre Ausscheidungshärtung beruht auf γ'-Ausscheidungen. Die γ'-Phase kann in verschiedenen Zusammensetzungen wie Ni₃ (Al,Ti) auftreten . [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] Die Ausscheidungsphase ist kohärent und besitzt wie die γ-Matrix eine kubisch-flächenzentrierte (kfz) Struktur . [ 34 ] [ 28 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] Die γ'-Phase ist deutlich seltener als die γ''-Phase. Der Volumenanteil der γ''- und γ'-Phase beträgt nach der Ausscheidung etwa 15 % bzw. 4 %. [ 25 ] [ 26 ] Aufgrund der Kohärenz zwischen der γ-Matrix und den γ'- und γ''-Ausscheidungen existieren Spannungsfelder, die die Versetzungsbewegung behindern. Das häufige Vorkommen von Carbiden mit der Zusammensetzung MX(Nb, Ti)(C, N) trägt ebenfalls zur Festigkeitssteigerung des Materials bei. [ 26 ] Für die Ausscheidungshärtung spielen Elemente wie Niob, Titan und Tantal eine entscheidende Rolle. [ 35 ]

Da die γ″-Phase metastabil ist , kann Überalterung zur Umwandlung von γ″-Phasenausscheidungen in ihre stabilen δ-Phasenausscheidungen führen. [ 26 ] [ 28 ] Die δ-Phase besitzt eine orthorhombische Struktur, eine Ni₃ (Nb, Mo, Ti) -Zusammensetzung und ist inkohärent. [ 36 ] [ 30 ] Folglich führt die Umwandlung von γ″ in δ in Inconel-Legierungen zum Verlust der Kohärenzverfestigung und damit zu einem schwächeren Werkstoff. In geeigneten Mengen trägt die δ-Phase jedoch zur Korngrenzenverankerung und damit zur Festigkeitssteigerung bei. [ 34 ] [ 33 ] [ 30 ] Die Zusammensetzung von Inconel-Legierungen wird so optimiert, dass die Stabilität dieser metastabilen γ″-Phase maximiert und der Phasenübergang verlangsamt wird. Dies führt zu einem engen Konzentrationsbereich von Nb, Al und Ti in Inconel-Legierungen. Diese Elemente neigen außerdem zur Bildung anderer unerwünschter Phasen, die sich an den Korngrenzen abscheiden und die Matrix an wichtigen Elementen verarmen lassen. [ 37 ]

Eine weitere häufige Phase in Inconel-Legierungen ist die intermetallische Laves-Phase . Ihre Zusammensetzungen sind (Ni, Cr, Fe) <sub>x</sub> (Nb, Mo, Ti) <sub>y</sub> und Ni <sub>y </sub>Nb . Sie ist spröde und kann die mechanischen Eigenschaften von Inconel-Legierungen beeinträchtigen. [ 28 ] [ 34 ] [ 38 ] Bereiche mit hohen Anteilen der Laves-Phase neigen aufgrund ihres höheren Potenzials für Spannungskonzentrationen zur Rissausbreitung. [ 32 ] Aufgrund ihres hohen Gehalts an Nb, Mo und Ti kann die Laves-Phase die Matrix dieser Elemente erschöpfen, was letztendlich die Bildung der γ″-Phase einschränkt und die Ausscheidungshärtung sowie die Mischkristallverfestigung erschwert. [ 33 ] [ 38 ] [ 29 ]

Während der Alterung erfolgt die Niobcarbid- Ausscheidung in der Legierung 718 vorwiegend an den Korngrenzen und schreitet mit steigender Temperatur und Haltezeit von isolierten Ausscheidungen zu filmartigen Grenzschichten entlang der Korngrenzen fort. Das vorherrschende Korngrenzencarbid ist ein niobreicher MC-Typ. MC-Carbid-haltige Korngrenzen weisen häufig deutlich abgegrenzte Bereiche ohne γ″- und, in geringerem Maße, γ″-Ausscheidungen auf. Diese ausscheidungsfreien Zonen entstehen durch lokale Verarmung an gelösten Elementen und Leerstellen in der Nähe der Korngrenze. Bei etwa 700–750 °C (1292–1382 °F) nimmt der Anteil carbidbedeckter Korngrenzen mit der Zeit zu; bei höheren Temperaturen wird häufig eine Kopräzipitation mit der δ-Phase beobachtet. Die fortschreitende Bedeckung der Korngrenzen mit Carbiden korreliert mit einem Wechsel des Bruchmodus von transgranular zu intergranular , wobei Mikrorisse häufig an den Matrix-Carbid-Grenzflächen entstehen, wo Deformationsbänder auf die Korngrenze treffen. [ 39 ]

Das Ausscheidungsverhalten von Inconel 718 wird durch seine Zeit-Temperatur-Umwandlungscharakteristik bestimmt , welche die Entwicklung des Mikrogefüges unter verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen beschreibt. Nach dem Lösungsglühen bei etwa 1165 °C lösen sich die meisten Phasen wie γ', γ″, δ und Laves wieder in der kubisch-flächenzentrierten γ-Matrix auf. Durch gezielte Auslagerungsbehandlungen werden anschließend verstärkende oder stabilisierende Phasen selektiv ausgeschieden. Eine kurze Auslagerung bei etwa 960 °C fördert die Bildung der Delta-Phase entlang der Korngrenzen, was zwar das Korngefüge verfeinert, aber die Menge an Niob, die für die γ″-Ausscheidung zur Verfügung steht, verringern kann. Dies ist ungünstig, da γ″ die primäre Ausscheidung ist, die für die Festigkeitssteigerung verantwortlich ist. Durch anschließendes Altern bei etwa 760 °C (1400 °F) und eine darauffolgende Niedertemperaturphase bei etwa 680 °C (1256 °F) entsteht eine feine Dispersion kohärenter Gamma-Prime- und γ″-Teilchen in der gesamten Matrix.

Bei längeren Aushärtungszeiten oder höheren Temperaturen wandelt sich die metastabile γ″-Phase allmählich in δ um, und es können sich grobe, niobreiche Laves- oder Niobcarbidpartikel an den Korngrenzen bilden. Diese Umwandlungen verbrauchen Matrixniob und führen zu Überalterung, wodurch die Festigkeit abnimmt. Die präzise Steuerung von Temperatur und Haltezeit während der mehrstufigen Aushärtung bestimmt das Gleichgewicht zwischen Festigkeitssteigerung und Mikrostrukturstabilität in Inconel 718. [ 40 ] [ 41 ]

Bei Legierungen wie Inconel 625 ist die Mischkristallhärtung der Hauptverfestigungsmechanismus. In Inconel 625 dienen die erhöhten Molybdän- (~9 Gew.-%) und Chromgehalte (~22 Gew.-%) als starke Mischkristall-Matrixversteifer, die die Kriechfestigkeit und Hochtemperaturfestigkeit verbessern, ohne auf die für Superlegierungen typischen Aushärtungsausscheidungen angewiesen zu sein. Niob und Tantal tragen in geringerem Maße ebenfalls zur Mischkristallhärtung bei. [ 35 ] Bei der Mischkristallhärtung werden Molybdänatome in die γ-Matrix von Inconel-Legierungen eingebaut. Da Molybdänatome einen deutlich größeren Radius als Nickelatome (209 pm bzw. 163 pm) aufweisen, erzeugt der Einbau Spannungsfelder im Kristallgitter, welche die Versetzungsbewegung behindern und somit das Material verfestigen.

Die Kombination aus Elementzusammensetzung und Verstärkungsmechanismen ist der Grund dafür, dass Inconel-Legierungen ihre günstigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften, wie z. B. hohe Festigkeit und Dauerfestigkeit, auch bei erhöhten Temperaturen, insbesondere bis zu 650 °C (1202 °F), beibehalten. [ 24 ]

Bearbeitung

Inconel ist aufgrund seiner schnellen Kaltverfestigung ein schwer zu bearbeitender Metall, der sich mit herkömmlichen Kaltumformverfahren nur schwer formen lässt. Nach dem ersten Bearbeitungsgang führt die Kaltverfestigung bei den folgenden Durchgängen häufig zu plastischer Verformung des Werkstücks oder des Werkzeugs. Daher werden ausgehärtete Inconel-Werkstoffe wie 718 typischerweise mit einem harten Werkzeug und einem aggressiven, aber langsamen Schnitt bearbeitet, um die Anzahl der benötigten Durchgänge zu minimieren. Alternativ kann der Großteil der Bearbeitung am lösungsgeglühten Werkstück erfolgen, wobei nur die letzten Schritte nach der Aushärtung durchgeführt werden. Einige behaupten jedoch, dass Inconel mit sehr hohen Spindeldrehzahlen und einem mehrschneidigen Keramikwerkzeug mit geringer Schnittbreite und hohem Vorschub extrem schnell bearbeitet werden kann, da dies zu lokaler Erwärmung und Erweichung vor der Schneide führt.

Außengewinde werden entweder durch Einpunktdrehen auf einer Drehbank oder durch Walzen im lösungsgeglühten Zustand (bei härtbaren Legierungen) auf einer Schraubenmaschine hergestellt. Inconel 718 kann nach vollständiger Aushärtung auch durch induktives Erhitzen auf 700 °C (1290 °F) ohne Kornvergrößerung gewalzt werden . Bohrungen mit Innengewinde werden durch Gewindefräsen gefertigt. Innengewinde können auch mittels Senkerodieren (EDM) hergestellt werden.

Beitritt

Das Schweißen einiger Inconel-Legierungen (insbesondere der Gamma-Prime-ausscheidungsgehärteten Legierungen, z. B. Waspaloy und X-750) kann aufgrund von Rissbildung und Gefügeentmischung der Legierungselemente in der Wärmeeinflusszone schwierig sein . Allerdings wurden verschiedene Legierungen wie 625 und 718 entwickelt, um diese Probleme zu beheben. Die gängigsten Schweißverfahren sind das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) und das Elektronenstrahlschweißen . [ 42 ]

Verwendung

Delphin 3.0 Raketentriebwerk, verwendet in der Astra Rocket . 3D-gedruckt aus Inconel.

Inconel wird häufig in extremen Umgebungen eingesetzt. Es findet gängige Verwendung in Gasturbinenschaufeln , Dichtungen und Brennkammern sowie in Turboladerrotoren und -dichtungen, Motorwellen von elektrischen Tauchpumpen, Hochtemperaturbefestigungselementen, chemischen Prozessanlagen und Druckbehältern , Wärmetauscherrohren , Dampferzeugern und Kernkomponenten in Druckwasserreaktoren [ 43 ] , der Erdgasaufbereitung mit Verunreinigungen wie H₂S und CO₂ , Schalldämpfern für Schusswaffen sowie Abgasanlagen der Formel 1 , NASCAR , NHRA und von APR, LLC [ 44 ] [ 45 ] . Es wird außerdem im Turbosystem des Mazda RX-7 der dritten Generation und in den Abgasanlagen von Hochleistungs -Wankelmotoren und Norton-Motorrädern eingesetzt , wo die Abgastemperaturen über 1000 °C erreichen [ 46 ] . Inconel findet zunehmend Verwendung in den Kesseln von Müllverbrennungsanlagen . [ 47 ] Die Vakuumgefäße der Tokamaks Joint European Torus und DIII-D bestehen aus Inconel. [ 48 ] Inconel 718 wird häufig für kryogene Lagertanks, Bohrlochschächte, Bohrlochkopfteile [ 49 ] und in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet, wo es sich zu einem vielversprechenden Werkstoff für den Bau hitzebeständiger Turbinen entwickelt hat. [ 50 ]

Luft- und Raumfahrt

Automobil

  • Tesla gibt an, im Hauptbatterie-Schütz des Model S Inconel anstelle von Stahl zu verwenden , damit dieser auch unter der Hitze hoher Ströme elastisch bleibt. Tesla behauptet, dies ermögliche es diesen aufgerüsteten Fahrzeugen, die maximale Batterieleistung sicher von 1300 auf 1500 Ampere zu erhöhen und so eine Leistungssteigerung (Beschleunigung) zu erzielen, die Tesla als „ Ludicrous Mode “ bezeichnet. [ 55 ] [ 61 ]
  • Die Ford Motor Company verwendet Inconel zur Herstellung des Turbinenrads im Turbolader ihrer 2016 eingeführten EcoBlue -Dieselmotoren. [ 62 ]
  • Die Auslassventile von NHRA Top Fuel- und Funny Car-Dragstermotoren bestehen häufig aus Inconel. [ 63 ]
  • Ford Australien verwendete in seinen turbogeladenen Barra -Motoren Inconel-Ventile. Diese Ventile haben sich als sehr zuverlässig erwiesen und hielten Leistungen von über 1900 PS stand. [ 64 ]
  • Seitdem verwendet BMW Inconel im Abgaskrümmer seines Hochleistungs-Luxuswagens, des BMW M5 E34 mit dem S38-Motor, wodurch höhere Temperaturen beständig werden und der Abgasgegendruck reduziert wird. [ 65 ]
  • Jaguar Cars hat seinen Hochleistungssportwagen Jaguar F-Type SVR serienmäßig mit einer neuen, leichten Abgasanlage aus Inconel-Titan ausgestattet, die höheren Spitzentemperaturen standhält, den Abgasgegendruck reduziert und 16 kg (35 lb) Fahrzeuggewicht einspart. [ 66 ]
  • DeLorean Motor Company bietet Inconel-Ersatzteile für die anfälligen OE-Längslenkerbolzen des DMC-12 an . Ein Versagen dieser Bolzen kann zum Verlust des Fahrzeugs führen. [ 67 ]
  • Honda verwendete Inconel 751 für die Auslassventile des Motorrads CBR250RR (1990 - 2000), was eine maximale Drehzahl von 19.000 U/min ermöglichte. [ 68 ]

Walzinconel wurde häufig als Aufzeichnungsmedium verwendet, indem es in Flugschreibern von Flugzeugen eingraviert wurde . [ 69 ]

Alternativen zum Einsatz von Inconel in chemischen Anwendungen wie Wäschern, Kolonnen, Reaktoren und Rohrleitungen sind Hastelloy , mit Perfluoralkoxy (PFA) ausgekleideter Kohlenstoffstahl oder faserverstärkter Kunststoff .

Inconel-Legierungen

Zu den Legierungen von Inconel gehören:

  • Inconel 188: Lässt sich gut für kommerzielle Gasturbinen- und Luft- und Raumfahrtanwendungen verarbeiten.
  • Inconel 230: Bleche und Platten aus der Legierung 230, die hauptsächlich in der Energie-, Luft- und Raumfahrt-, chemischen Verarbeitungs- und industriellen Wärmeindustrie eingesetzt werden.
  • Inconel 600: In Bezug auf Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit ist Inconel 600 hervorragend. [ 70 ]
  • Inconel 601
  • Inconel 617: Mischkristallverfestigt (Nickel-Chrom-Kobalt-Molybdän), hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen, korrosions- und oxidationsbeständig, gut verarbeitbar und schweißbar. [ 71 ] Seit ca. April 2020 im ASME-Kessel- und Druckbehältercode für Hochtemperaturanwendungen in der Kernenergie, z. B. in Flüssigsalzreaktoren , aufgeführt. [ 72 ]
  • Inconel 625 : Säurebeständig, gute Schweißbarkeit. [ 73 ] Die LCF-Variante wird typischerweise für Faltenbälge verwendet . Sie findet gängige Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt sowie der chemischen und petrochemischen Industrie. [ 74 ] Außerdem wird sie für Reaktorkern- und Steuerstabkomponenten in Druckwasserreaktoren sowie als Wärmetauscherrohr in Ammoniak-Crackeranlagen zur Schwerwasserproduktion eingesetzt. [ 75 ]
  • Inconel 690: Niedriger Kobaltgehalt für nukleare Anwendungen und niedriger spezifischer Widerstand [ 76 ]
  • Inconel 706
  • Inconel 713C: Ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Gusslegierung [ 2 ]
  • Inconel 718: Gamma-Doppelprimer-Verstärkung mit guter Schweißbarkeit [ 77 ]
  • Inconel 738
  • Inconel X-750: Wird häufig für Gasturbinenkomponenten verwendet, darunter Schaufeln, Dichtungen und Rotoren.
  • Inconel 751: Erhöhter Aluminiumgehalt für verbesserte Bruchfestigkeit im 1600 °F-Bereich [ 78 ]
  • Inconel 792: Erhöhter Aluminiumgehalt für verbesserte Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, insbesondere verwendet in Gasturbinen.
  • Inconel 907
  • Inconel 909
  • Inconel 925: Inconel 925 ist ein nichtstabilisierter austenitischer Edelstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. [ 79 ]
  • Inconel 939: Gamma-Prime-Verstärkung zur Verbesserung der Schweißbarkeit

Bei aushärtbaren oder ausscheidungshärtenden Varianten verbinden sich Legierungszusätze aus Aluminium und Titan mit Nickel zur intermetallischen Verbindung Ni₃ (Ti,Al) oder γ'. γ' bildet kleine kubische Kristalle, die Gleitung und Kriechen bei erhöhten Temperaturen wirksam hemmen .

Kriechen

Das Kriechen (Verformung) , die zeitabhängige plastische Verformung eines Materials unter konstanter mechanischer Belastung bei hoher Temperatur, ist ein entscheidender Konstruktionsaspekt für Inconel 718-Bauteile wie Gasturbinenscheiben und Raketentriebwerksteile.

  • Kriechmechanismus: Im Betriebstemperaturbereich von 650 °C bis 700 °C ist das Versetzungsklettern der dominierende Kriechmechanismus. [ 80 ] Bei diesem Prozess bewegen sich Versetzungen mithilfe der Diffusion von Leerstellen, um aushärtende Ausscheidungen zu umgehen, was zu einer kontinuierlichen und langsamen Verformung führt.
  • Spannungsabhängigkeit : Die Kriechgeschwindigkeit von Inconel 718 zeigt einen stark nichtlinearen Zusammenhang mit der angelegten Spannung und weist typischerweise einen hohen Spannungsexponenten von etwa n = 36 auf. Dieser hohe Exponent deutet darauf hin, dass das Kriechverhalten selbst auf geringe Erhöhungen der Betriebsspannung äußerst empfindlich reagiert. [ 80 ]
  • Bruchverhalten: Das Versagen unter Kriechbelastung hängt stark von Temperatur und Zeit ab. Während der Bruch bei niedrigeren hohen Temperaturen duktil sein kann, verschiebt sich das Bruchverhalten bei etwa 675 °C tendenziell in Richtung interkristalliner Bruch .

Thermomechanische Ermüdung

Bauteile in Gasturbinen, wie Schaufeln und Scheiben, sind gleichzeitig mechanischen Belastungen und Temperaturschwankungen ausgesetzt – ein Phänomen, das als thermomechanische Ermüdung (TMF) bekannt ist. TMF ist oft schädlicher als einfache isotherme Ermüdung, da sie sowohl Kriechen als auch Umwelteinflüsse wie Oxidationsschäden umfasst.

  • TMF-Belastung : TMF-Tests simulieren reale Bedingungen durch zyklische Temperatur- und mechanische Beanspruchung in zwei Grenzzuständen. Ermüdungsrisse entstehen unabhängig von den TMF-Bedingungen an der Oberfläche.
    1. In-Phase (IP) TMF: Die maximale mechanische Zugspannung tritt gleichzeitig mit der maximalen Temperatur auf, während die maximale Druckspannung bei minimaler Temperatur auftritt.
    2. Phasenverschobene (OOP) TMF: Die maximale Zugspannung tritt bei der minimalen Temperatur auf, die maximale Druckspannung bei der maximalen Temperatur.
  • Schädigungsmechanismus für Inconel 718
    1. Inconel 718 zeigt unter IP- und OOP-Bedingungen ein deutlich unterschiedliches TMF-Verhalten. Unter IP-TMF erfolgen Rissinitiierung und -ausbreitung aufgrund der δ-Phase sowie verstärkter Kriech- und Oxidationseffekte hauptsächlich entlang der Korngrenzen, was zu einer kürzeren Ermüdungslebensdauer führt. [ 81 ] Unter OOP-TMF wachsen Risse primär transgranular, angetrieben durch Oxidation, was im Vergleich zu IP-Bedingungen im Allgemeinen zu einer längeren Ermüdungslebensdauer führt. [ 82 ] Der Unterschied in der Lebensdauer zwischen IP- und OP-Modus wird bei geringeren Dehnungsamplituden weniger ausgeprägt, jedoch bleiben unterschiedliche Schädigungsmechanismen erkennbar. [ 81 ] [ 82 ]
  • Auswirkungen der additiven Fertigung: Jüngste Forschungsergebnisse zu Inconel 718, hergestellt durch additive Fertigung (z. B. selektives Laserschmelzen, SLM), deuten darauf hin, dass die resultierenden feinkörnigen Mikrostrukturen einen verbesserten Kompromiss zwischen Kriech- und Ermüdungsverhalten bieten können, oft durch eine gezielte Steuerung der Korngröße. [ 83 ]

Siehe auch

Referenzen

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