Inconel 713C
Einführung in Inconel 713C
Inconel 713C ist eine hochfeste, ausscheidungshärtbare, gegossene Nickel-Chrom-Superlegierung, die für den Einsatz unter extremen thermischen und mechanischen Bedingungen optimiert wurde. Die Kombination aus hervorragender Kriechbeständigkeit, Oxidationsschutz und guter Gießbarkeit macht sie besonders geeignet für Turbinenschaufeln, Heißgasweg-Komponenten und strukturelle Triebwerksbauteile, die dauerhaft bei Temperaturen über 950 °C (1742 °F) betrieben werden.
Mit einer Nickelbasis (~75 %) und Legierungszusätzen aus Chrom (12–14 %), Aluminium (5,5–6,5 %), Molybdän (4–5 %) und Niob (1,5–2,5 %) erreicht Inconel 713C eine feine γ′-Ausscheidungsstruktur und ein stabiles mechanisches Verhalten unter Thermoermüdung. Es ist eine Weiterentwicklung der Standardlegierung Inconel 713 und wurde verbessert, um eine bessere Gießfließfähigkeit sowie eine leicht erhöhte Heißkorrosionsbeständigkeit zu bieten.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Inconel 713C
Inconel 713C (UNS N07713C / AMS 5381) wird überwiegend im gegossenen und ausgelagerten Zustand für Hochleistungsbauteile in Luft- und Raumfahrt sowie Energieanwendungen eingesetzt. Es entspricht Normen wie AMS 5381 und MIL-C-24707.
Chemische Zusammensetzung (AMS 5381)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Rest (~75,0 %) | Matrixmetall für thermische Stabilität |
Chrom (Cr) | 12,0–14,0 | Oxidations- und Heißkorrosionsbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 5,5–6,5 | Fördert die Verfestigung durch die γ′-Phase |
Molybdän (Mo) | 4,0–5,0 | Erhöht die Kriechbruchbeständigkeit |
Niob (Nb) | 1,5–2,5 | Verfestigung durch NbC-Bildung und γ″ |
Titan (Ti) | 0,6–1,2 | Stabilität der γ′-Phase |
Kohlenstoff (C) | 0,10–0,20 | Bildet Karbide für Hochtemperaturfestigkeit |
Zirkonium (Zr) | 0,05–0,15 | Verbessert die Korngrenzenkohäsion |
Bor (B) | 0,005–0,015 | Erhöht Warmfestigkeit und Duktilität |
Eisen (Fe) | ≤3,0 | Restelement |
Silizium (Si) | ≤0,50 | Minimiert Oxidationszunderbildung |
Mangan (Mn) | ≤0,50 | Unterstützt die Gießbarkeit |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,01 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1250–1330 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,0 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,22 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,8 µm/m·°C (20–1000 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 455 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 197 GPa bei 20 °C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (ausgelagerter Gusszustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 940–1060 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 610–740 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥3–5 % (Messlänge 25 mm) | ASTM E8/E8M |
Härte | 330–390 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | ≥160 MPa @ 871 °C, 100 h | ASTM E139 |
Wesentliche Merkmale von Inconel 713C
Festigkeit bei erhöhten Temperaturen: Behält eine Zugfestigkeit von über 940 MPa und zeigt eine anhaltende Kriechbeständigkeit von >150 MPa bei 871 °C – ideal für rotierende und statische Heißbereich-Bauteile.
Oxidations- und Heißgasbeständigkeit: Cr-Al-Oxidschichten schützen vor Oberflächenschädigung in Turbinenumgebungen bis 1000 °C, selbst bei schwankenden thermischen Lasten.
Gamma-Prime-Verstärkung: Hoher γ′-Volumenanteil (~60 %) erhöht die Härte und erhält die Formstabilität in anspruchsvollen Einsatzzyklen.
Gießbarkeit und Maßstabilität: Für Feinguss mit hervorragender Fließfähigkeit ausgelegt und anschließend nachbearbeitet, um enge Toleranzen (±0,02 mm) und geringe Oberflächenrauheit (Ra ≤ 0,8 µm) zu erreichen.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Inconel 713C
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Härte und Werkzeugverschleiß
Ausgelagerte Gussteile erreichen bis zu 390 HB, was den Verschleiß von Hartmetall-Wendeschneidplatten beschleunigt und Ausbrüche an der Freifläche verursacht.
Geringe Duktilität und Sprödigkeit
Die Bruchdehnung ist begrenzt (~3–5 %), wodurch das Risiko von Oberflächenrissen oder Kantenverformungen bei Schlichtdurchgängen steigt.
Konzentration der thermischen Belastung
Die schlechte Wärmeleitfähigkeit führt zu schnellem Wärmestau an der Werkzeug-Späne-Kontaktzone, was Kraterverschleiß und Maßabweichungen begünstigt.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | SiAlON-Keramik oder beschichtetes Hartmetall (CBN zum Schlichten) | Hohe Beständigkeit gegen Wärme und Verschleiß |
Beschichtung | TiAlN/AlCrN, 3–6 µm PVD | Minimiert Diffusionsverschleiß und Oxidation |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (10–12°), verstärkte Schneide | Verbessert Standzeit und Oberflächenkontrolle |
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-713C-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP entfernt Schrumpfporosität und verbessert die Ermüdungsfestigkeit um über 25 %, wodurch die strukturelle Leistungsfähigkeit bei zyklischem Hochtemperatureinsatz steigt.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst Lösungsglühen bei 1150–1175 °C und anschließendes Auslagern, um die γ′-Verteilung zu optimieren und die Zugeigenschaften über große Gussquerschnitte hinweg zu verbessern.
Schweißen von Superlegierungen
Schweißen von Superlegierungen verwendet WIG-Schweißen (GTAW) oder Elektronenstrahlschweißen (EBW) mit passenden Zusatzwerkstoffen, um Versprödung in der Wärmeeinflusszone zu minimieren und die strukturelle Integrität unter Thermozyklen zu erhalten.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung bringt 100–300 µm YSZ-Schichten mittels APS oder EB-PVD auf und senkt die Oberflächentemperaturen um bis zu 200 °C, wodurch die Lebensdauer von Turbinenbauteilen verlängert wird.
Funkenerosion (EDM)
EDM unterstützt komplexe innere Geometrien und Nuten in gehärteten Inconel-713C-Gussteilen mit einer Genauigkeit von ±0,01 mm.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erreicht L/D-Verhältnisse ≥40:1 für Kühlbohrungen und Luftkanäle in Turbinensegmenten.
Werkstoffprüfung und Analyse
Werkstoffprüfung umfasst Ultraschall-, Röntgen- und Kornstrukturanalysen (ASTM E112, AMS 2175), um die Integrität sicherheitskritischer Bauteile zu zertifizieren.
Industrieanwendungen von Inconel-713C-Bauteilen
Luft- und Raumfahrt
Turbinenschaufeln, Leitschaufeln (Nozzle Guide Vanes) und Stützstrukturen der Brennkammer.
Zuverlässiger Betrieb in rauen Umgebungen mit zyklischen thermischen und zentrifugalen Lasten.
Industrielle Gasturbinen
Düsen der ersten Stufe, Laufschaufeln (Buckets) und Shrouds.
Langzeitbeständigkeit gegenüber 950–1000 °C heißen Gasströmen ohne Kriechen oder oxidationsbedingte Degradation.
Marine Antriebssysteme
Turbolader-Rotoren und Abgasgehäuse für hohe Drehzahlen.
Bewältigt thermische Gradienten und salzbedingte Heißkorrosion effektiv.
Automotive Performance
Hochleistungs-Turboladerräder und Einlasskomponenten.
Erhält die Maßhaltigkeit unter extremen Temperaturschwankungen.
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