Inconel 713LC
Einführung in Inconel 713LC
Inconel 713LC ist eine kohlenstoffarme, gegossene Nickel-Chrom-Superlegierung, die für überlegene Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Ermüdungslebensdauer bei erhöhten Temperaturen bis zu 980 °C (1800 °F) entwickelt wurde. Es handelt sich um eine modifizierte Version von Inconel 713C mit reduziertem Kohlenstoffgehalt und verbesserter Gießbarkeit, wodurch sie sich besonders für hochintegritätskritische Turbinenschaufeln, Leitschaufeln und strukturelle Heißbereich-Komponenten in der Luft- und Raumfahrt eignet.
Die Legierung behält eine Nickelbasis (~75 %) bei und enthält Chrom (12–14 %), Aluminium (5,5–6,5 %), Molybdän (4–5 %) und Niob (1,5–2,5 %). Dank der erhöhten Beständigkeit gegen Schwindrisse bietet Inconel 713LC eine zuverlässige strukturelle Integrität und konsistente mechanische Eigenschaften in dünnwandigen Feinguss-Konstruktionen, die häufig eine CNC-Bearbeitung benötigen, um Präzisionstoleranzen zu erreichen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Inconel 713LC
Inconel 713LC (UNS N07713 / AMS 5382) wird typischerweise im Feingusszustand und ausgelagert geliefert und erfüllt die Leistungsanforderungen von Bauteilen für Luft- und Raumfahrt sowie Energieerzeugung.
Chemische Zusammensetzung (AMS 5382)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Rest (~75,0 %) | Grundlegierung für Hochtemperaturfestigkeit |
Chrom (Cr) | 12,0–14,0 | Erhöht die Oxidationsbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 5,5–6,5 | Bildet die γ′-Phase für Hochtemperaturfestigkeit |
Molybdän (Mo) | 4,0–5,0 | Verbessert Kriechbruch-Eigenschaften |
Niob (Nb) | 1,5–2,5 | Verfestigung durch Karbide und intermetallische Phasen |
Titan (Ti) | 0,6–1,2 | Stabilisiert die γ′-Struktur |
Kohlenstoff (C) | 0,02–0,06 | Reduzierter Gehalt für bessere Schweißbarkeit und Gießbarkeit |
Zirkonium (Zr) | 0,05–0,15 | Erhöht die Korngrenzenfestigkeit |
Bor (B) | 0,005–0,015 | Verbessert Warmfestigkeit und Duktilität |
Eisen (Fe) | ≤3,0 | Restelement |
Silizium (Si) | ≤0,50 | Kontrolliert Oxidationszunderbildung |
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 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,3 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,21 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,8 µm/m·°C (20–1000 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 458 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 196 GPa bei 20 °C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (ausgelagerter Gusszustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 930–1050 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 600–730 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥4–6 % (Messlänge 25 mm) | ASTM E8/E8M |
Härte | 320–380 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | ≥160 MPa @ 871 °C, 100 h | ASTM E139 |
Wesentliche Merkmale von Inconel 713LC
Hochtemperaturleistung: Behält die strukturelle Integrität oberhalb von 950 °C bei und weist eine anhaltende Kriechbruchfestigkeit von über 160 MPa auf – geeignet für Turbinenbetrieb mit langen Lastzyklen.
Hervorragende Gießbarkeit: Niedriger Kohlenstoffgehalt und Zr/B-Mikrolegierung reduzieren Heißrisse (Hot Tearing) und Schwindporosität während der Erstarrung und ermöglichen präzisere sowie komplexere Feingussgeometrien.
Thermoermüdungs- und Oxidationsbeständigkeit: Hoher Cr- und Al-Gehalt bildet schützende Cr₂O₃- und Al₂O₃-Schichten und bietet Oxidationsschutz in dynamischen Triebwerksumgebungen.
CNC-Bearbeitbarkeit: Die Nachbearbeitung nach dem Guss ermöglicht Endtoleranzen bis ±0,02 mm und Oberflächenrauheiten Ra ≤ 0,8 µm mit optimierten Schnittparametern und Werkzeugsystemen.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Inconel 713LC
Bearbeitungsherausforderungen
Werkstoffhärte und Verschleiß
Gegossenes und ausgelagertes 713LC weist eine Härte bis zu 380 HB auf, was die Werkzeugintegrität bei langen Bearbeitungszeiten stark beansprucht.
Sprödes Verhalten
Bei einer Bruchdehnung von ~4–6 % können plötzliche Werkzeugstöße oder falsche Vorschübe Mikrorisse oder Abplatzungen verursachen.
Wärmekonzentration
Die Wärmeleitfähigkeit bleibt niedrig (<12 W/m·K), wodurch die Schneidkantentemperaturen steigen und Kraterverschleiß bei Trockenbearbeitung oder geringer Kühlmittelzufuhr begünstigt wird.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | Keramik (SiAlON) oder CBN zum Schlichten | Hohe Warmhärte und thermische Beständigkeit |
Beschichtung | TiAlN/AlCrN, 3–6 µm mittels PVD | Erhöht Oxidations- und Verschleißbeständigkeit |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (10–12°), gefaste Schneide | Verhindert Schneidkantenabplatzung und verbessert die Oberfläche |
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-713LC-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verdichtet Gussgefüge unter 100–200 MPa Druck und Temperaturen >1100 °C, beseitigt innere Porosität und erhöht die Ermüdungsbeständigkeit um über 25 %.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst Lösungsglühen bei 1160 °C und Auslagern bei 845 °C, um die γ′-Stabilität und die mechanische Gleichmäßigkeit zu verbessern.
Schweißen von Superlegierungen
Schweißen von Superlegierungen mit vorgewärmtem WIG- oder EB-Schweißen und Ni-Cr-Zusatzwerkstoffen erhält die Nahtfestigkeit und reduziert Mikrorissbildung.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung trägt 150–300 µm YSZ-Keramik auf, verlängert die Thermoermüdungslebensdauer und senkt die Oberflächentemperaturen um 150–200 °C.
Funkenerosion (EDM)
EDM ermöglicht die präzise Herstellung von Schaufelwurzeln, Kühlkanälen und Tannenbaum-Nuten (Fir-Tree Slots) mit Toleranzen bis ±0,01 mm.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erreicht L/D ≥ 40:1 für Kühlkanäle in gegossenen Turbinenteilen und Komponenten der Brennkammer.
Werkstoffprüfung und Analyse
Werkstoffprüfung umfasst Ultraschall-, Röntgen- und Kornstrukturprüfungen nach AMS 2175 und ASTM E112 und stellt Maß- sowie metallurgische Konformität sicher.
Industrieanwendungen von Inconel-713LC-Bauteilen
Luft- und Raumfahrt-Turbinen
Turbinenschaufeln, Leitschaufeln und Heißbereich-Gussteile.
Widersteht hohen Zentrifugallasten und Oxidationszyklen.
Energieerzeugung
Stationäre und rotierende Schaufeln, Shrouds und Düsenführungen.
Ausgezeichnete Langzeit-Mechanikleistung bei 900–980 °C.
Gasverdichtung und Aufladung (Turbocharging)
Abgaskrümmer, Turboladerrotoren und Turbinengehäuse.
Zuverlässig bei schnellen Thermoschocks und hohen Drehzahlen.
Industrielle Verbrennungssysteme
Brenner, Brennkammern und Hitzeschilde.
Bewahrt die strukturelle Integrität bei längerer thermischer Belastung.
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