Inconel 738
Einführung in Inconel 738
Inconel 738 ist eine hochfeste, gegossene nickelbasierte Superlegierung, die für Anwendungen entwickelt wurde, die eine hervorragende Kriechfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Thermoermüdungsleistung bei erhöhten Temperaturen bis 980 °C (1796 °F) erfordern. Für Turbinenkomponenten ausgelegt, die unter extremen thermischen und mechanischen Belastungen arbeiten, wird Inconel 738 häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Energieerzeugung sowie in hocheffizienten Gasturbinensystemen eingesetzt.
Die Legierung besteht überwiegend aus Nickel (~62 %) und wird durch Chrom (16 %), Wolfram (2,6–3,3 %), Molybdän (1,5–2,1 %), Kobalt (8,0–9,0 %), Titan (3,3–3,7 %) und Aluminium (3,2–3,7 %) verfestigt. Dadurch bildet sich eine stabile Gamma-Prime-(γ′)-Phase, die die Festigkeit bei langandauernder Hochtemperatureinwirkung aufrechterhält. Inconel 738 bietet eine ausgezeichnete Gießbarkeit und Maßstabilität und eignet sich ideal für nahezu endkonturnahe Feingussteile, die anschließend per CNC-Bearbeitung fertiggestellt werden.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Inconel 738
Inconel 738 (UNS R30738 / AMS 5389) wird typischerweise im gegossenen und ausscheidungsgehärteten Zustand für Turbinentriebwerke und industrielle Heißsektionen-Bauteile geliefert.
Chemische Zusammensetzung (typische Gussanalyse)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | ~61,0 | Grundmatrix für Warmfestigkeit |
Chrom (Cr) | 16,0 | Sorgt für Oxidationsbeständigkeit |
Kobalt (Co) | 8,5 | Erhöht Warmfestigkeit und Ermüdungslebensdauer |
Wolfram (W) | 2,6–3,3 | Mischkristallverfestigung |
Molybdän (Mo) | 1,5–2,1 | Verbessert die Kriechbeständigkeit |
Titan (Ti) | 3,3–3,7 | Bildung und Verfestigung der γ′-Phase |
Aluminium (Al) | 3,2–3,7 | Trägt zur γ′-Ausscheidung bei |
Tantal (Ta) | ≤0,05 | Verfestigt Korngrenzen (optional) |
Kohlenstoff (C) | 0,11–0,17 | Karbidausbildung zur Korngrenzenstabilität |
Bor (B) | 0,005–0,01 | Erhöht Duktilität und Warmfestigkeit |
Zirkonium (Zr) | ≤0,05 | Korngrenzenkohäsion |
Silizium (Si) | ≤0,5 | Verbessert die Haftung der Oxidschicht |
Mangan (Mn) | ≤0,5 | Fördert die Gießbarkeit |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,15 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1260–1330 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,2 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,28 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,2 µm/m·°C (20–1000 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 450 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 190 GPa bei 20 °C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (Guss + ausgelagerter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 980–1120 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 700–820 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥4–8 % (Messlänge 25 mm) | ASTM E8/E8M |
Härte | 330–400 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | ≥140 MPa @ 870 °C, 1000 h | ASTM E139 |
Wesentliche Merkmale von Inconel 738
Gamma-Prime-Verfestigung: Hoher γ′-Phasenanteil (~60 %) bietet ausgezeichnete Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit bei Temperaturen bis 980 °C.
Hervorragende Oxidationsbeständigkeit: Bildet stabile Al₂O₃- und Cr₂O₃-Oxidschichten für langfristigen Oberflächenschutz in Turbinenabgas- und Heißgasumgebungen.
Hohe strukturelle Stabilität: Erhält Maßgenauigkeit und mechanische Festigkeit unter zyklischen thermischen Lasten und bei langandauernder Exposition.
Gießbarkeit und CNC-Kompatibilität: Sehr gutes Fließ- und Speisungsverhalten beim Gießen ermöglicht komplexe Geometrien, gefolgt von CNC-Bearbeitung mit engen Toleranzen (±0,02 mm).
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Inconel 738
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Härte und Sprödigkeit
Ausgelagerte Gussteile erreichen bis zu 400 HB, was den Flankenverschleiß beschleunigt und die Werkzeugstandzeit beim Schlichten begrenzt.
Wärmeakkumulation
Schlechte Wärmeabfuhr (geringe Wärmeleitfähigkeit) führt ohne geeignete Kühlstrategien zu thermischer Schädigung und schnellem Kolkverschleiß.
Kerbverschleiß und Schneidkantenabplatzungen
Abrasive intermetallische Phasen und harte Karbide verursachen Kerbverschleiß an der Schneide und erfordern verstärkte Schneidkanten-Geometrien.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | SiAlON-Keramik oder Hartmetall, CBN für das Schlichten | Hohe Warmhärte und Verschleißbeständigkeit |
Beschichtung | TiAlN, AlCrN (PVD, 3–6 µm) | Verhindert Wärmediffusion und Aufschmieren |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (10–12°), robuste Schneidkantenpräparation | Reduziert Werkzeugdurchbiegung und Abplatzungen |
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 | 80–100 |
Schlichten | 30–45 | 0,05–0,10 | 0,3–0,8 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Inconel-738-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verdichtet Gussstrukturen und beseitigt Schwindungsporosität, wodurch Ermüdungsbeständigkeit und Maßstabilität unter zyklischer Belastung verbessert werden.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst typischerweise eine Lösungsglühbehandlung bei 1120–1170 °C und ein Auslagern bei 845 °C, um die γ′-Phase vollständig auszubilden und eine optimale Hochtemperaturfestigkeit zu erreichen.
Schweißen von Superlegierungen
Schweißen von Superlegierungen nutzt fortschrittliche Verfahren wie WIG- oder EB-Schweißen mit Vorwärmregelung, um Heißrissrisiken in γ′-verfestigten Legierungen zu reduzieren.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung bringt 125–250 µm yttriastabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) auf und senkt die Oberflächentemperatur in Turbinenschaufelprofilen und Abgasteilen um 150–200 °C.
Funkenerosion (EDM)
EDM ermöglicht das Einbringen von Kühlkanälen, Schaufelfußmerkmalen und komplexen Schlitzen mit ±0,01 mm Genauigkeit.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erreicht L/D ≥ 40:1 für effiziente Kühlmittelströmungswege in Turbinenschaufeln und Leitschaufel-Gussteilen.
Werkstoffprüfung und Analyse
Werkstoffprüfung umfasst zerstörungsfreie und zerstörende Prüfungen gemäß ASTM E112, E139 und AMS 5389 zur Bestätigung der mechanischen, mikrostrukturellen und maßlichen Konformität.
Industrieanwendungen von Inconel-738-Bauteilen
Luft- und Raumfahrtturbinen
Turbinenschaufeln, Leitschaufeln, Brennkammersegmente und Schutze.
Betrieb bei dauerhaft über 950 °C unter zyklischer Last und Oxidation.
Energieerzeugung
Heißsektionen-Bauteile industrieller Gasturbinen, Statorringe und Dichtungen.
Kombiniert Oxidationsbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit unter Hochdruck-Verbrennungsbedingungen.
Verteidigung & Antrieb
Düsensysteme von Strahltriebwerken, Abgasdiffusoren und Hitzeschilde.
Widersteht extremen Thermoschocks und Vibrationslasten während Flug- und Startsequenzen.
Energiesektor
Hocheffiziente Turbinenkomponenten in GuD-Kraftwerken (Combined-Cycle).
Erhält mechanische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Wärmeübertragungssystemen.
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