Inconel 718
Einführung in Inconel 718
Inconel 718 ist eine ausscheidungshärtbare Nickel-Chrom-Legierung, die für ihre herausragende Hochtemperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und gute Schweißbarkeit bekannt ist. Mit der Fähigkeit, bis zu 704 °C (1300 °F) zu arbeiten und dabei exzellente Zug-, Ermüdungs- und Kriechbruchleistungen zu liefern, wird Inconel 718 широко in der Luft- und Raumfahrt, Energieerzeugung sowie in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt.
Diese Legierung enthält значительliche Anteile an Nickel (50–55 %), Chrom (17–21 %), Niob (4,75–5,50 %), Molybdän (2,80–3,30 %) und Eisen (Rest). Ihr einzigartiger Verfestigungsmechanismus – Auslagerungshärtung über Ni₃Nb (γ″-Phase) und Ni₃(Al, Ti) (γ′-Phase) – обеспечивает außergewöhnliche Festigkeit und Maßstabilität selbst unter длiger thermischer Wechselbeanspruchung.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Inconel 718
Inconel 718 (UNS N07718 / AMS 5662, AMS 5663, ASTM B637) ist in geschmiedeter, gegossener und pulvermetallurgischer Form verfügbar und wird typischerweise wärmebehandelt im lösungsgeglühten und ausgelagerten Zustand geliefert.
Chemische Zusammensetzung (ASTM B637)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | 50,0–55,0 | Grundelement; Hochtemperaturfestigkeit |
Chrom (Cr) | 17,0–21,0 | Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit |
Eisen (Fe) | Rest | Strukturelle Unterstützung, Kostenkontrolle |
Niob (Nb) + Tantal (Ta) | 4,75–5,50 | Verfestigung durch γ″-Ausscheidung |
Molybdän (Mo) | 2,80–3,30 | Erhöht Kriech- und Korrosionsbeständigkeit |
Titan (Ti) | 0,65–1,15 | Verfestigung der γ′-Phase |
Aluminium (Al) | 0,20–0,80 | Bildet γ′-Ausscheidungen für Hochtemperaturfestigkeit |
Kobalt (Co) | ≤1,00 | Erhöht Warmfestigkeit (optional) |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Kontrolliert für Schweißbarkeit und Zähigkeit |
Mangan (Mn) | ≤0,35 | Verbessert die Warmumformbarkeit |
Silizium (Si) | ≤0,35 | Oxidationskontrolle |
Schwefel (S) | ≤0,015 | Minimiert Heißrissbildung |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,19 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1260–1336 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,4 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,23 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,0 µm/m·°C (20–1000 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 435 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 200 GPa bei 20 °C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (AMS 5662/5663 – ausgelagerter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 1240–1380 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 1030–1180 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥12 % (Messlänge 25 mm) | ASTM E8/E8M |
Härte | 330–380 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | ≥160 MPa @ 650 °C, 1000 h | ASTM E139 |
Wesentliche Merkmale von Inconel 718
Hochtemperaturfestigkeit: Behält mechanische Festigkeit über 1000 MPa bis 650 °C und Kriechbeständigkeit bei 700 °C über lange Zeiträume bei – ideal für Luftfahrt-Turbinen und Energiesysteme.
Hervorragende Korrosionsbeständigkeit: Beständig gegen Chlorid-Lochfraß, Sulfid-Spannungsrisskorrosion und saure/alkalische Medien – geeignet für Bohrlochwerkzeuge (Downhole Tools) und Marineausrüstung.
Stabile Mikrostruktur: Zweiphasige Ausscheidung (γ′ + γ″) gewährleistet langfristige mechanische Integrität und Phasenstabilität unter thermischer Wechselbeanspruchung.
Schweißbarkeit: Im Gegensatz zu vielen Superlegierungen lässt sich Inconel 718 aufgrund seines niedrigen Kohlenstoffgehalts und des ausgewogenen Nb/Al/Ti-Verhältnisses gut und rissarm schweißen.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Inconel 718
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Kaltverfestigungsneigung
Schnelle Verfestigung durch Umformung (n ≈ 0,4) erhöht die Oberflächenhärte während der Bearbeitung um >30 %, beschleunigt den Werkzeugverschleiß und fördert Werkzeugauslenkung.
Probleme beim Wärmemanagement
Die geringe Wärmeleitfähigkeit (11,4 W/m·K) führt zu Schnitttemperaturen über 900 °C und verursacht Kraterverschleiß sowie reduzierte Maßgenauigkeit.
Aufbauschneide und Kerbverschleiß
Duktiles Fließen in Kombination mit der Abrasivität durch Karbid-Ausscheidungen führt zu Kerbverschleiß an Schnitttiefen-Übergängen und zu Ausbrüchen an der Schneidkante.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | Hartmetall (PVD-beschichtet), Keramik für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung | Hohe Warmhärte, Verschleißbeständigkeit |
Beschichtung | TiAlN, AlCrN oder TiSiN, 3–6 µm | Reduziert Wärmeübertrag und Verschleiß |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (8–12°), robuste Schneidkantenpräparation | Reduziert Kaltverfestigung und Aufbauschneide |
Schnittparameter (ISO 3685)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlschmierstoffdruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 20–30 | 0,20–0,30 | 2,0–3,0 | 80–100 |
Schlichten | 40–60 | 0,05–0,10 | 0,3–0,8 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Inconel-718-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP beseitigt Porosität und verbessert die Ermüdungslebensdauer in Hochdruckturbinen- und Luftfahrtgussteilen um bis zu 30 %.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst Lösungsglühen bei 980–1065 °C und Auslagern bei 718 °C, um die γ′/γ″-Ausscheidung und die mechanischen Eigenschaften zu optimieren.
Schweißen von Superlegierungen
Schweißen von Superlegierungen nutzt WIG-Schweißen (GTAW) oder Elektronenstrahlschweißen (EBW) mit Nb-stabilisierten Zusatzwerkstoffen, um die Mikrostruktur ohne Nachschweißrisse zu erhalten.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung trägt 125–300 µm keramische Schichten mittels APS oder EB-PVD auf, senkt Oberflächentemperaturen und erhöht die Thermoermüdungsbeständigkeit.
Funkenerosion (EDM)
EDM gewährleistet ±0,01 mm Toleranz und eine hervorragende Oberfläche in gehärtetem oder ausgelagertem Inconel 718 – ideal für Kühlschlitze und Formdetails.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erreicht L/D ≥ 40:1 mit hoher Geradheit und Oberflächengüte, wie sie in Motorbohrungen und Rohrleitungen erforderlich ist.
Werkstoffprüfung und Analyse
Werkstoffprüfung umfasst Zug-, Ermüdungs-, Ultraschall- und metallographische Analysen (ASTM E112, E139, AMS 5663), um luftfahrtgeeignete Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Industrieanwendungen von Inconel-718-Bauteilen
Luftfahrttriebwerke
Turbinenscheiben, Wellen, Verbindungselemente und Brennkammerauskleidungen.
Betrieb bei hohem Schub/Last ohne Kriechverformung oder Ermüdungsversagen.
Energieerzeugung
Dampfturbinenschaufeln, Dichtungen und Übergangskanäle.
Zuverlässige Leistung unter hohem Druck, Oxidation und Vibration.
Öl & Gas
Bohrlochwerkzeuge (Downhole Tools), Ventile und Komplettierungsausrüstung.
Beständig gegen Sauergas, Hochdrucksole und chloridinduzierte Spannungsrisskorrosion (SCC).
Industrieller Formenbau und Werkzeugbau
Spritzgießformen und Heißkanalsysteme.
Behält mechanische Integrität bei schnellen Zyklen und Wärmestress.
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