Inconel 738C
Einführung in Inconel 738C
Inconel 738C ist eine gegossene nickelbasierte Superlegierung für hochtemperaturfeste Strukturbauteile, bei denen Kriechbeständigkeit, Oxidationsschutz und Thermoermüdungsfestigkeit entscheidend sind. Diese Legierung ist eine verbesserte Variante von Inconel 738 und wurde auf eine höhere Gießbarkeit sowie eine bessere Schweißbarkeit ausgelegt. Damit eignet sie sich besonders für präzise Feingussteile, die anschließend durch CNC-Nachbearbeitung endbearbeitet werden.
Inconel 738C behält einen ähnlich hohen γ′-Anteil (~60 %) bei und wird durch Elemente wie Nickel (~62 %), Chrom (16 %), Kobalt (8,5–9,5 %), Titan (3,4–3,8 %) und Aluminium (3,2–3,7 %) stabilisiert. Es zeigt eine ausgezeichnete hochtemperaturmechanische Stabilität bis 980 °C (1796 °F) und eignet sich daher für Leitschaufeln, Brennkammerhardware und weitere Komponenten, die aggressiven thermischen Zyklen ausgesetzt sind.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Inconel 738C
Inconel 738C (UNS R30738 / ASTM A297) wird typischerweise im Feingusszustand, lösungswärmebehandelt und ausgelagert geliefert und ist für hochintegritätsrelevante Bauteile in Luftfahrt- und Kraftwerksturbinen geeignet.
Chemische Zusammensetzung (typische Gussanalyse)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | ~62,0 | Grundmatrix; hohe Warmfestigkeit |
Chrom (Cr) | 15,5–16,5 | Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit |
Kobalt (Co) | 8,5–9,5 | Verbessert Ermüdung und thermische Stabilität |
Wolfram (W) | 2,6–3,3 | Mischkristallverfestigung |
Molybdän (Mo) | 1,5–2,1 | Verbessert das Kriechverhalten |
Titan (Ti) | 3,4–3,8 | γ′-Bildung für Ausscheidungshärtung |
Aluminium (Al) | 3,2–3,7 | Stabilisiert γ′-Phase zusammen mit Ti |
Kohlenstoff (C) | 0,08–0,12 | Gesteuert für Karbidbildung und Kornfestigkeit |
Bor (B) | 0,005–0,01 | Verbessert Duktilität und Rissbeständigkeit |
Zirkonium (Zr) | ≤0,05 | Erhöht Korngrenzenkohäsion |
Silizium (Si) | ≤0,5 | Verbessert die Haftung der Oxidschicht |
Mangan (Mn) | ≤0,5 | Unterstützt Gießbarkeit und Schlackeabtransport |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,15 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1260–1330 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,0 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,28 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,3 µm/m·°C (20–1000 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 450 J/kg·K bei 20 °C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 188 GPa bei 20 °C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (Guss + ausgelagerter Zustand)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 980–1100 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 680–800 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥4–8 % (Messlänge 25 mm) | ASTM E8/E8M |
Härte | 330–390 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | ≥135 MPa @ 870 °C, 1000 h | ASTM E139 |
Wesentliche Merkmale von Inconel 738C
Optimierte Gießbarkeit: Verbesserte Fließ- und Speisungseigenschaften minimieren Schwindung und Porosität bei komplexen Turbinenbauteilen.
Hohe Gamma-Prime-Festigkeit: γ′-Volumenanteil nahe 60 % ermöglicht sehr gute mechanische Stabilität bei hohen Betriebstemperaturen.
Oberflächenstabilität: Bildet schützende Oxidschichten (Cr₂O₃ und Al₂O₃) für hohe Oxidationsbeständigkeit unter zyklischer Erwärmung.
CNC-Bearbeitungsfähigkeit: Gussteile können nach dem Guss auf Toleranzen von ±0,02 mm und Oberflächenqualitäten bis Ra ≤ 0,8 µm nachbearbeitet werden (mit Hochleistungswerkzeugen).
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Inconel 738C
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Härte
Ausgelagerte 738C-Teile können über 390 HB erreichen, was die Werkzeugstandzeit und die Oberflächengüte bei langen Bearbeitungszyklen erschwert.
Wärmerückhalt
Eine Wärmeleitfähigkeit unter 12 W/m·K konzentriert Wärme in der Schnittzone und erfordert fortschrittliche Kühlung sowie geeignete Beschichtungen.
Mikrostrukturelle Abrasivität
Intermetallische Phasen und Karbide führen zu schnellem Schneidenverschleiß und Kolkbildung, insbesondere bei hohen Schnittgeschwindigkeiten.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | SiAlON-Keramik oder PVD-beschichtetes Hartmetall | Beständig gegen extreme Wärme und abrasiven Verschleiß |
Beschichtung | TiAlN, AlCrN (3–6 µm Schichtdicke) | Reduziert thermische Belastung und Reibung |
Geometrie | 10–12° positiver Spanwinkel, Schneidkante präpariert | Beherrscht Schnittkräfte und verzögert Schneidkantenversagen |
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-738C-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verdichtet die innere Mikrostruktur und verbessert die Low-Cycle-Fatigue-Beständigkeit, indem gusstypische Mikroporosität eliminiert wird.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst eine Lösungsglühbehandlung bei 1120–1170 °C mit anschließendem Auslagern bei 845 °C, um die γ′-Phase vollständig auszubilden und Festigkeit sowie thermische Stabilität zu erzielen.
Schweißen von Superlegierungen
Schweißen von Superlegierungen ist mit Vorwärmung und kontrolliertem Zusatzwerkstoffauftrag möglich, wodurch Rissbildung beim Fügen oder bei Reparaturen minimiert wird.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung bringt 125–250 µm YSZ-Keramik auf, verlängert die Thermoermüdungslebensdauer und reduziert die Oxidation von Schaufeloberflächen im Betrieb.
Funkenerosion (EDM)
EDM ermöglicht das präzise Schneiden von Kühlschlitzen, Schaufelfüßen (Fir-Tree) und komplexen Merkmalen mit ±0,01 mm Genauigkeit nach dem Guss.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erzeugt präzise Bohrungen mit hohem Längen-Durchmesser-Verhältnis (L/D ≥ 40:1), die für Kühlkanäle in Turbinen essenziell sind.
Werkstoffprüfung und Analyse
Werkstoffprüfung umfasst Gefügeanalysen, Zug-/Korrosionsprüfungen sowie ZfP gemäß ASTM E139, E112 und den Anforderungen von AMS 5389 zur Sicherstellung der Bauteilintegrität.
Industrieanwendungen von Inconel-738C-Bauteilen
Flugzeugturbinen
Leitschaufeln, Turbinenschaufeln und Schutzelemente.
Sichert die mechanische Integrität bei 900–980 °C unter zyklischen Flugbedingungen.
Industrielle Gasturbinen
Übergangsstücke, Brennkammerteile und Rotorsegmente.
Leistungsfähig bei Hochdruckverbrennung und schneller Thermozyklierung.
Strom & Energie
Turbinen-Abgasrahmen, Dichtungen und Hitzeschutzsysteme.
Kombiniert Oxidationsbeständigkeit mit langfristiger Kriechfestigkeit.
Verteidigung & Raumfahrtantrieb
Hochtemperaturbauteile für Strahltriebwerke und Raketendüsen.
Erhält tragende Festigkeit in harschen Wiedereintritts- und Startumgebungen.
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