Inconel 713
Einführung in Inconel 713
Inconel 713 ist eine ausscheidungshärtbare, nickelbasierte Guss-Superlegierung, die für hervorragende Festigkeit, Thermoermüdungsbeständigkeit und Oxidationsstabilität bei erhöhten Temperaturen bis zu 980 °C (1800 °F) ausgelegt ist. Ursprünglich für Strukturbauteile in Turbinentriebwerken entwickelt, wird diese Legierung in der Luft- und Raumfahrt, Energieerzeugung sowie bei industriellen Gasturbinenanwendungen широко eingesetzt, bei denen eine langfristige Hochtemperaturbelastung und mechanische Dauerfestigkeit erforderlich sind.
Inconel 713 besteht überwiegend aus Nickel (≥75 %) und enthält Zusätze von Chrom (12–14 %), Aluminium (5,5–6,5 %), Molybdän (4–5 %) und Niob (1,5–2,5 %). Dadurch bietet es eine ausgezeichnete Kriechbruchfestigkeit und bewahrt seine mikrostrukturelle Integrität unter extremen Einsatzbedingungen. Dank seiner guten Gießbarkeit sind Near-Net-Shape-Geometrien möglich, jedoch ist häufig eine präzise CNC-Bearbeitung erforderlich, um die finalen Maß- und Oberflächenanforderungen zu erfüllen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Inconel 713
Inconel 713 (UNS N07713 / AMS 5380) wird typischerweise im Feingusszustand und ausgelagert geliefert und erfüllt Spezifikationen für luftfahrtgeeignete Hochtemperaturbauteile.
Chemische Zusammensetzung (AMS 5380)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Rest (~75,0 %) | Grundmetall; thermische Stabilität und Festigkeit |
Chrom (Cr) | 12,0–14,0 | Bietet Oxidations- und Heißkorrosionsbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 5,5–6,5 | Verfestigung durch γ′-Ausscheidung (Ni₃Al) |
Molybdän (Mo) | 4,0–5,0 | Erhöht die Kriechbeständigkeit |
Niob (Nb) | 1,5–2,5 | Bildet ausscheidungshärtende Phasen (NbC, γ″) |
Titan (Ti) | 0,6–1,2 | Stärkt die γ′-Phase |
Kohlenstoff (C) | 0,10–0,20 | Bildet Karbide zur Kriechfestigkeit |
Zirkonium (Zr) | 0,05–0,15 | Verbessert die Korngrenzenfestigkeit |
Bor (B) | 0,005–0,015 | Erhöht die Korngrenzenkohäsion |
Eisen (Fe) | ≤3,0 | Nebenlegierungselement |
Silizium (Si) | ≤0,50 | Kontrolliert, um Oxidation zu begrenzen |
Mangan (Mn) | ≤0,50 | Verbessert die Gießbarkeit |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,00 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1250–1330 °C | ASTM E1268 (DTA) |
Wärmeleitfähigkeit | 11,5 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,20 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,9 µm/m·°C (20–1000 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 460 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 198 GPa bei 20 °C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (ausgelagerter Gusszustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 950–1080 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 620–750 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥3–6 % (Messlänge 25 mm) | ASTM E8/E8M |
Härte | 330–390 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | ≥165 MPa @ 871 °C, 100 h | ASTM E139 |
Wesentliche Merkmale von Inconel 713
Hochtemperaturfestigkeit: Behält eine Zugfestigkeit von über 900 MPa und eine Kriechbeständigkeit von über 150 MPa bei 870 °C für 100+ Stunden – ideal für Heißbereich-Komponenten von Gasturbinen.
Oxidations- und Heißkorrosionsbeständigkeit: Chrom und Aluminium bilden stabile, schützende Oxide (Cr₂O₃, Al₂O₃) und gewährleisten Beständigkeit bis 1000 °C in oxidierenden sowie sulfatierenden Umgebungen.
Gamma-Prime-Verfestigung: γ′-Volumenanteil ~60 % trägt zu einer Streckgrenze >700 MPa und ausgezeichneter Maßstabilität bei hoher Spannung und Temperatur bei.
Gießbarkeit mit Präzisionsbearbeitung: Geeignet für Near-Net-Shape-Feinguss mit ergänzendem CNC-Finish, um ±0,02 mm-Toleranzen und Oberflächenrauheiten von Ra ≤ 0,8 µm zu erreichen.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Inconel 713
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Härte und Abrasivität
Im gegossenen und ausgelagerten Zustand beträgt die Brinellhärte bis zu 390 HB, was zu Freiflächenverschleiß und Kraterbildung an Hartmetallwerkzeugen führt.
Thermische Empfindlichkeit
Die geringe Wärmeleitfähigkeit (11,5 W/m·K) lässt die Schneidkantentemperatur über 1000 °C ansteigen und verursacht schnelle Oxidation sowie Kerbverschleiß.
Sprödigkeit des Werkstücks
Die begrenzte Duktilität (Bruchdehnung 3–6 %) erhöht das Risiko von Mikrorissen und Kantenabplatzungen bei aggressiven Schnitten oder Vibrationen.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | CBN- oder Keramikwerkzeuge (SiAlON, whisker-verstärkt) | Hohe Warmhärte und Beständigkeit gegen Thermoschock |
Beschichtung | TiAlN oder AlCrN PVD, 3–6 µm | Reduziert Diffusionsverschleiß und Reibung |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (10–12°), verrundete oder gefaste Schneide | Verbessert Standzeit und Oberflächenqualität |
Schnittparameter (ISO 3685)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlschmierstoffdruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 15–25 | 0,20–0,30 | 2,0–3,0 | 80–120 |
Schlichten | 30–45 | 0,05–0,10 | 0,3–0,8 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Inconel-713-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP beseitigt innere Schrumpfporosität und erhöht die Ermüdungsfestigkeit um >25 % – entscheidend für Turbinenschaufeln und Strukturteile aus Guss, die zyklischen Lasten ausgesetzt sind.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst Lösungsglühen bei 1160 °C und Auslagern bei 845 °C, um die γ′-Ausscheidung zu optimieren und Zug- sowie Kriechbrucheigenschaften zu verbessern.
Schweißen von Superlegierungen
Schweißen von Superlegierungen setzt vorgewärmtes WIG-Schweißen oder Elektronenstrahlschweißen mit Ni-Cr-basierten Zusatzwerkstoffen ein, um die Nahtintegrität unter Thermozyklen zu gewährleisten.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung trägt 150–250 µm keramische Zirkonoxid-Schichten auf, um die Oberflächentemperatur um bis zu 200 °C zu senken und so die Ermüdungslebensdauer von Heißbereich-Teilen zu verlängern.
Funkenerosion (EDM)
EDM ermöglicht die präzise Herstellung von Geometrien in gehärtetem Inconel 713 mit einer Genauigkeit von ±0,01 mm – geeignet für Tannenbaum-Nuten (Fir-Tree Slots) und Kühlbohrungen.
Tieflochbohren
Tieflochbohren unterstützt die Bearbeitung von Bohrungen mit hohen Längen-/Durchmesser-Verhältnissen (L/D ≥ 40:1), wichtig für Schaufel-Kühlkanäle und Lochbilder in Brennkammerauskleidungen.
Werkstoffprüfung und Analyse
Werkstoffprüfung umfasst Makro-/Mikrogefüge-Bewertung, Röntgen- und Ultraschallprüfung gemäß AMS 2175 zur Validierung der strukturellen Integrität und Maßgenauigkeit.
Industrieanwendungen von Inconel-713-Bauteilen
Luft- und Raumfahrt-Turbinen
Schaufeln, Leitschaufeln und Düsen der ersten Turbinenstufe.
Hält hohen thermischen Gradienten und Zentrifugallasten stand, ohne Kriechverformung.
Energieerzeugung
Komponenten stationärer Gasturbinen und Düsensegmente.
Ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit unter konstanten und zyklischen thermischen Lasten.
Industrielle Heizsysteme
Brennkammerauskleidungen, Brennerspitzen und Abgasdüsen.
Bewahrt Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit in hochgeschwindigen, hochtemperierten Strömungen.
Automobil-Turbolader
Turbinenräder und Gehäusekomponenten.
Widersteht Thermoschock und Oxidation bei schnellen Beschleunigungs-/Verzögerungszyklen.
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