Inconel 939
Einführung in Inconel 939
Inconel 939 ist eine hochfeste, ausscheidungsgehärtete Nickel-Chrom-Superlegierung, die für extreme Hochtemperaturanwendungen entwickelt wurde. Mit ihrem hohen γ′-Volumenanteil (~45–50 %), ausgezeichneter Kriechbruchbeständigkeit und außergewöhnlicher Oxidationsbeständigkeit bis 1000 °C wird Inconel 939 hauptsächlich für Turbinenkomponenten und hochbelastete Strukturteile in der Luft- und Raumfahrt sowie in Energieerzeugungssystemen eingesetzt.
Diese Legierung ist für Feinguss (Investment Casting) und die anschließende präzise CNC-Bearbeitung ausgelegt. Durch Zusätze von Titan, Aluminium und Tantal verstärkt und durch kontrollierte Gehalte an Kohlenstoff und Bor stabilisiert, behält Inconel 939 seine Maßhaltigkeit bei langer Exposition gegenüber thermischen Zyklen und mechanischer Belastung. Häufige Anwendungen sind Gasturbinenschaufeln, Leitschaufeln, Brennkammer-Hardware und Heißgasbereich-Komponenten in der Luft- und Raumfahrt.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Inconel 939
Inconel 939 (UNS N09939 / AMS 5400 / ASTM A297 Grade HFS) wird im gegossenen, lösungsbehandelten und ausscheidungsgehärteten Zustand geliefert – optimiert für den Langzeiteinsatz bei erhöhten Temperaturen.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Rest (~50–55 %) | Basismatrix; обеспечивает Hochtemperaturfestigkeit |
Chrom (Cr) | 22,0–24,0 | Oxidationsbeständigkeit und Zunder-/Oxidschichtbildung |
Kobalt (Co) | 17,0–19,0 | Verbessert thermische Ermüdung und Spannungsrelaxation |
Molybdän (Mo) | 1,2–1,8 | Mischkristallverfestigung |
Aluminium (Al) | 1,2–1,6 | γ′-Phasenbildung für Ausscheidungshärtung |
Titan (Ti) | 3,0–3,6 | Verstärkt den γ′-Ausscheidungshärtungsniederschlag |
Tantal (Ta) | 1,3–1,8 | Erhöht Kriech- und Bruchbeständigkeit |
Kohlenstoff (C) | 0,13–0,17 | Fördert Karbidbildung zur Korngrenzenfestigkeit |
Bor (B) | 0,01–0,015 | Erhöht Duktilität und verhindert Heißrissbildung |
Zirkonium (Zr) | ≤0,10 | Korngrenzenstabilisierung |
Silizium (Si) | ≤0,5 | Unterstützt die Oxidationsbeständigkeit |
Mangan (Mn) | ≤0,5 | Verbessert die Gießeigenschaften |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,27 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1300–1365 °C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 10,0 W/m·K bei 100 °C | ASTM E1225 |
Elektrischer spezifischer Widerstand | 1,38 µΩ·m bei 20 °C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 13,7 µm/m·°C (20–1000 °C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 440 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 | 1000–1180 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2 %) | 700–850 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥5–8 % (25-mm-Messlänge) | ASTM E8/E8M |
Härte | 330–390 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | ≥140 MPa @ 870 °C, 1000 h | ASTM E139 |
Wesentliche Merkmale von Inconel 939
Hohe Kriech- und thermische Ermüdungsbeständigkeit: Ausgezeichnete mechanische Leistung unter hoher Last oberhalb von 800 °C in Turbinen- und Abgasanwendungen.
Überlegene Oxidationsbeständigkeit: Chrom- und Aluminiumgehalt unterstützen die Bildung stabiler Oxidschichten bis 1000 °C.
Gießbarkeit und Maßstabilität: Optimiert für Feinguss mit feinem Gefüge und Beständigkeit gegen Kornvergröberung.
CNC-Bearbeitbarkeit: CNC-Nachbearbeitung nach dem Guss ermöglicht enge Toleranzen (±0,01 mm) und hohe Oberflächengüte (Ra ≤ 1,2 µm).
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Inconel 939
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Härte und γ′-Phasenanteil
Ausgelagertes Inconel 939 kann 390 HB erreichen und erfordert fortschrittliche Werkzeuge sowie steife Aufspannungen, um Vibrationen und Werkzeugdurchbiegung zu vermeiden.
Abrasive Karbide und intermetallische Phasen
Karbide und γ′-Ausscheidungen erhöhen den Verschleiß und verursachen rasche Werkzeugdegradation beim kontinuierlichen Schnitt.
Wärmeentwicklung
Die geringe Wärmeleitfähigkeit führt zu lokalem Wärmeanstau, insbesondere bei Trockenbearbeitung oder geringem Kühlschmierstoffvolumen.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Keramik (SiAlON), PVD-beschichtetes Hartmetall oder CBN | Erhält die Werkzeugintegrität unter thermischer Last |
Beschichtung | AlTiN oder AlCrN (3–6 µm) | Reduziert thermischen Verschleiß und Reibung |
Geometrie | 10°–12° Spanwinkel mit verrundeter Schneidkante | Verbessert Spankontrolle und Werkzeugstandzeit |
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 | 0,5–0,8 | 100–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Inconel-939-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verbessert Ermüdungs- und Kriechverhalten, indem Porosität entfernt und Gussteile vor dem CNC-Finish verdichtet werden.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst eine Lösungsglühbehandlung (~1160 °C) mit anschließendem Auslagern (~845 °C), um die γ′-Phase auszuscheiden und die Hochtemperaturfestigkeit zu erhöhen.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen erfordert TIG-/EB-Schweißen mit geringer Wärmeeinbringung und kompatiblen Zusatzwerkstoffen, um Heißrisse in Legierungen mit hohem γ′-Anteil zu vermeiden.
Wärmedämmschicht (TBC)
TBC-Beschichtung trägt 125–250 µm YSZ-Keramik auf, um die Oberflächentemperatur zu senken und die Lebensdauer von Brennkammer- und Turbinenteilen zu verlängern.
Funkenerodieren (EDM)
EDM ermöglicht hochpräzises Schlitzen und Profilschneiden in wärmebehandeltem Inconel 939, ohne Eigenspannungen einzubringen.
Tieflochbohren
Tieflochbohren unterstützt L/D > 40:1 Innenkanäle in Turbinenschaufeln und Leitschaufeln zur optimierten Kühlleistung.
Werkstoffprüfung und -analyse
Werkstoffprüfung umfasst Kriechbruchprüfungen (ASTM E139), Metallographie (ASTM E3) sowie die mechanische Validierung gemäß AMS 5400.
Industrieanwendungen von Inconel-939-Komponenten
Luft- und Raumfahrttriebwerke
Leitschaufeln (Nozzle Guide Vanes), Turbinenschaufeln und Brennkammerauskleidungen.
Widersteht Kriechen und Oxidation unter extremen Temperaturgradienten.
Energieerzeugung
Heißgasbereich-Teile in landbasierten Gasturbinen.
Behält hohe Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei ≥900 °C.
Verteidigungssysteme
Nachbrenner- und Abgaskomponenten für Strahltriebwerke.
Strukturelle Integrität bei Thermoschock und schnellen Zyklen.
Industrielle Gasturbinen
Übergangskanäle (Transition Ducts), Schaufelringe und Flammrohre.
Ausgelegt für Grundlast- oder Spitzenlastbetrieb von Gasturbinen.
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