Inconel 738LC
Einführung in Inconel 738LC
Inconel 738LC ist eine kohlenstoffarme Variante der gegossenen nickelbasierten Superlegierung Inconel 738. Sie wurde entwickelt, um die Schweißbarkeit zu verbessern, die Anfälligkeit für Heißrisse zu verringern und die strukturelle Integrität von Gussteilen zu erhöhen. Die Legierung ist für Hochtemperaturanwendungen ausgelegt, bei denen Warmfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Kriechleistung entscheidend sind – insbesondere in Luftfahrttriebwerken und industriellen Gasturbinen.
Mit Nickel (~62 %), Chrom (16 %), Kobalt (8,5–9,5 %), Titan (3,4–3,8 %) und Aluminium (3,2–3,7 %) wird Inconel 738LC hauptsächlich durch die γ′-Phase verfestigt. Der optimierte Kohlenstoffgehalt (0,02–0,06 %) senkt das Risiko von Mikrorissen (Microfissuring) beim Schweißen und während der Erstarrung, ohne die Hochtemperatureigenschaften der Basislegierung wesentlich zu beeinträchtigen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Inconel 738LC
Inconel 738LC (UNS R30738 / ASTM A297, AMS 5391) wird typischerweise als Präzisionsguss, lösungswärmebehandelt und ausgehärtet geliefert und eignet sich für Heißgaszonen (Hot Section) von Gasturbinen sowie strukturrelevante Luftfahrtanwendungen.
Chemische Zusammensetzung (typische Gussanalyse)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | ~62,0 | Grundmatrix für Warmfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit |
Chrom (Cr) | 15,5–16,5 | Erhöht Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit |
Kobalt (Co) | 8,5–9,5 | Steigert Ermüdungsfestigkeit und Heißkorrosionsbeständigkeit |
Wolfram (W) | 2,6–3,3 | Mischkristallverfestigung |
Molybdän (Mo) | 1,5–2,1 | Verbessert Kriech- und Zeitstandfestigkeit |
Titan (Ti) | 3,4–3,8 | Bildet γ′-Phase zur Ausscheidungshärtung |
Aluminium (Al) | 3,2–3,7 | Trägt zur γ′-Ausscheidung bei |
Kohlenstoff (C) | 0,02–0,06 | Reduziert – verbessert Schweißbarkeit und Gusszuverlässigkeit |
Bor (B) | 0,005–0,01 | Erhöht Duktilität an Korngrenzen |
Zirkonium (Zr) | ≤0,05 | Stabilisiert Korngrenzen |
Silizium (Si) | ≤0,5 | Oxidationsbeständigkeit / Oxidschichtstabilität |
Mangan (Mn) | ≤0,5 | Verbessert Gießbarkeit und Sauberkeit |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,15 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1260–1330 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,1 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 + ausgehärteter 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 | 320–390 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | ≥135 MPa @ 870 °C, 1000 h | ASTM E139 |
Wesentliche Merkmale von Inconel 738LC
Niedriger Kohlenstoffgehalt: Verringert Heißrissneigung beim Gießen und Schweißen und erhöht die Zuverlässigkeit struktureller Turbinenbauteile.
Hoher Gamma-Prime-Anteil: Vorwiegend durch γ′-Ausscheidungen verfestigt – sehr gute Kriech- und Ermüdungsfestigkeit bei hohen Temperaturen.
Maß- und Strukturstabilität: Erhält Geometrie und Tragfähigkeit bis 980 °C unter thermischer Zyklierung.
CNC-Bearbeitbarkeit: Mit Hochleistungswerkzeugen lässt sich Inconel 738LC auf enge Toleranzen (±0,02 mm) und Oberflächen bis Ra ≤ 0,8 µm bearbeiten.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Inconel 738LC
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Oberflächenhärte
Brinellhärten nahe 390 HB führen zu schnellem Schneidenverschleiß – optimierte Werkzeugwerkstoffe und -geometrien sind erforderlich.
Geringe Wärmeabfuhr
Die niedrige Wärmeleitfähigkeit staut Wärme an der Werkzeug–Span-Grenzfläche, was Kolkverschleiß und Werkzeugausfälle ohne ausreichende Kühlung begünstigt.
Abrasive Mikrostruktur
γ′- und Karbidphasen fördern Kerbverschleiß und Adhäsionsverschleiß (Galling), insbesondere bei unterbrochenen Schnitten oder hohen Vorschüben.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugwerkstoff | Keramik (SiAlON) oder beschichtetes Hartmetall | Erhält Schneidkante unter hoher thermischer Last |
Beschichtung | TiAlN, AlCrN (PVD 3–6 µm) | Reduziert Wärmeübertrag und Oxidation der Schneide |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (10–12°), Schneidkante verrundet/angefast | Minimiert Schnittkräfte und Ausbrüche |
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-738LC-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP eliminiert Porosität und stärkt das Korngefüge, wodurch Ermüdungslebensdauer und Kriechbeständigkeit um bis zu 25 % verbessert werden können.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung nutzt Lösungsglühen bei 1120–1170 °C und Auslagern bei 845 °C, um γ′ vollständig auszuscheiden und die Hochtemperaturfestigkeit zu erhöhen.
Schweißen von Superlegierungen
Schweißen von Superlegierungen ist aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts mit reduziertem Rissrisiko möglich. Vorwärmen und eine geeignete Nachwärmebehandlung stabilisieren das Gefüge zusätzlich.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung bringt 125–250 µm YSZ-Keramik (APS oder EB-PVD) auf, um Thermoermüdung und Oxidation in Turbinenschaufeln zu reduzieren.
Funkenerosion (EDM)
EDM ermöglicht komplexe Konturen, Kühlschlitze und scharfe Geometrien mit ±0,01 mm Präzision nach dem Guss.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erzeugt Kühlbohrungen und Ölkanäle mit hohem L/D-Verhältnis, wie sie für Schaufelprofile und Rotorstrukturen erforderlich sind.
Werkstoffprüfung und Analyse
Werkstoffprüfung bestätigt die Werkstoffintegrität durch Zug-, Kriech-, Härte- und Gefügeanalysen gemäß ASTM E112 und AMS 5391.
Industrieanwendungen von Inconel-738LC-Bauteilen
Luftfahrt-Turbinen
Leitschaufeln, Shroud-Segmente und Düsenbauteile.
Zuverlässig bei hohen Rotations-/Strukturbelastungen und extremer Thermozyklierung.
Energieerzeugung
Heißgaszonen-Gussteile von Gasturbinen, einschließlich Brennkammerteile und Dichtsysteme.
Erhält Form und Festigkeit bei langem Grundlastbetrieb oberhalb von 950 °C.
Marine & Energie
Hochtemperatur-Pumpengehäuse, Auslassventile und Turbinenscheiben.
Beständig gegen Korrosion und thermische Verzüge in rauen Offshore-Umgebungen.
Verteidigungs-Antriebssysteme
Heißteile von Strahltriebwerken und Nachbrenner-Komponenten.
Konstante Leistung bei schnellen Heiz-/Abkühlzyklen.
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