Inconel 718 vs Waspaloy: اختيار سبائك النيكل الفائقة لتطبيقات القرص التوربيني

ما هو Inconel 718 وWaspaloy، وكيف تختلف آليات تعزيزهما؟

كلا السبيكتين عبارة عن سبائك فائقة من النيكل المقسى بالترسيب، لكنهما تطوران قوتهما من أطوار مختلفة بين المعادن: يشكل محتوى النيوبيوم في Inconel 718 جاما-مزدوج-أولي (Ni3Nb)، وجسم شبه مستقر-مركزه-طور رباعي الزوايا، بينما يتشكل محتوى الألومنيوم الكلاسيكي والتيتانيوم في واسبالوي جاما-رئيسي (Ni3(Al,Ti)))، وجه مستقر حراريًا-مركزه-طور مكعب - وهذا الاختلاف الكيميائي الفردي هو السبب الجذري لكل التمييزات الأخرى التي تمت تغطيتها في هذه المقالة تقريبًا.

المصدر: بيانات التركيب الاسمي لشركة Special Metals Corporation لسبائك INCONEL 718 ونشرات Waspaloy الفنية (SMC-045 وSMC-011).

الفرق الكيميائي الأكثر وضوحًا هو محتوى الكوبالت الكبير في Waspaloy (12-15%) مقابل الغياب الأساسي للكوبالت 718 (1% كحد أقصى) - كوبالت يرفع درجة الحرارة التي يظل عندها جاما برايم مستقرًا ويبطئ خشونته، وهو جزء من سبب صمود Waspaloy بشكل أفضل عند درجة حرارة مرتفعة مستدامة.

إن غياب النيوبيوم في Waspaloy، والغياب المقابل لكمية كبيرة من الألومنيوم والتيتانيوم في 718، هو الانقسام المحدد الآخر: تم تصميم 718 عمدًا حول جاما-مزدوج-أولي على وجه التحديد لأن تلك المرحلة تتشكل بشكل أبطأ أثناء التعتيق، والذي (كما توضح الأقسام اللاحقة) هو المصدر المباشر لقابلية اللحام الممتازة لـ 718.

ما هي السبيكة التي تتمتع بدرجة حرارة الخدمة القصوى الأعلى لتطبيقات القرص التوربيني؟

الفجوة أصغر مما يُفترض عادةً بالنسبة للحالة المحددة لأقراص التوربينات: تنص أدبيات Inconel 718 الخاصة بشركة Special Metals على أن السبيكة تظل مفيدة بشكل مستمر إلى حوالي 704 درجة (1300 درجة فهرنهايت)، في حين أن أدبيات Waspaloy الخاصة بها تحدد التطبيقات الدوارة الحرجة - الفئة الدقيقة لأقراص التوربينات تقع في - عند 650 درجة (1200 درجة فهرنهايت)، مع الاحتفاظ بأعلى درجة Waspaloy، في كثير من الأحيان-يقتبس سقفًا يبلغ 870 درجة (1600 درجة فهرنهايت) خصيصًا للتطبيقات الأخرى الأقل تطلبًا وغير{13}}الدوارة.

المصدر: شركة Special Metals Corporation، وسبائك INCONEL 718 ونشرات Waspaloy الفنية (SMC-045 وSMC-011).

وهذا تصحيح مفيد حقاً للتبسيط المفرط الشائع. الكثير من الأدبيات الثانوية التي تقارن هاتين السبائكتين تنص بشكل قاطع على أن "Waspaloy يتعامل مع درجات حرارة أعلى من 718"، مستشهدة برقم 870 درجة بدون الشرط الذي ينطبق عليه هذا السقف -الأجهزة غير الدوارة، وليس أقراص التوربينات والضاغط التي تتناولها هذه المقالة على وجه التحديد.

بالنسبة لتطبيق القرص نفسه، تضع إرشادات الشركة المصنعة لكلا السبائك سقف الخدمة المستمر-في نطاق 50 درجة تقريبًا من بعضها البعض. التأطير الأكثر دقة والأكثر فائدة ليس "Waspaloy يعمل بشكل أكثر سخونة" ولكن "Waspaloy يحتفظ بمزيد من القوة ضمن نطاق درجة الحرارة الذي يمكن أن تتحمله كلتا السبيكتين" - وهو موضوع القسمين التاليين.

لماذا تحتفظ جاما-Prime بقوة أفضل من جاما-مضاعفة-Prime عند درجة حرارة عالية مستمرة؟

جاما-أولي-مزدوج هو طور متبدل الاستقرار يتحول تدريجيًا إلى طور دلتا معيني متعامد (أيضًا Ni3Nb، ولكن ليس-تقوية) أثناء التعرض لفترة طويلة لدرجات الحرارة المرتفعة-، مما يضعف تدريجيًا 718؛ لا تخضع جاما-الرئيسية لتحول مكافئ وبدلاً من ذلك فهي ببساطة تخشن ببطء أكثر، وهذا هو السبب في أن سبائك جاما-الرئيسية-المعززة مثل Waspaloy تقدم عمومًا استقرارًا أفضل للبنية الدقيقة أثناء خدمة درجة الحرارة المرتفعة-الممتدة.

يفسر هذا التمييز سبب وصف درجة حرارة الخدمة القصوى لـ 718 من حيث عتبة تحول الطور، في حين يتم وصف Waspaloy أكثر من حيث مقاومة الأكسدة و-الاحتفاظ بالقوة على المدى القصير - حيث تقترب السبيكتان من حدودهما من خلال آليات فشل مختلفة حقًا. وهذا يفسر أيضًا سبب عدم تصميم 718 على الإطلاق للتنافس مع سبائك جاما- الأولية في النقاط الأكثر سخونة في القسم الساخن لتوربينات الغاز؛ تكمن الميزة التنافسية الحقيقية لـ 718 في نطاق درجة الحرارة أقل من -عتبة تحول الدلتا، حيث يتفوق مزيج القوة وقابلية اللحام والتكلفة على البدائل، وليس في مطابقة Waspaloy أو مسحوق أحدث-درجة سبائك قرص تعدين-لدرجة-درجة عند أعلى درجات حرارة حافة القرص.

كيف يمكن المقارنة بين السبائك في قوة الزحف والإجهاد-والتمزق؟

تنخفض قوة التمزق التي نشرتها Waspaloy لمدة 1000-ساعة من 89 كيلو لكل بوصة مربعة (615 ميجا باسكال) عند 1200 درجة فهرنهايت إلى 16 كيلو بوصة مربعة (110 ميجا باسكال) عند درجة حرارة 1600 درجة فهرنهايت - ولأن براءة الاختراع الخاصة بشركة Special Metals ومطبوعات المنتج تؤكد بشكل منفصل أن إنتاجية Inconel 718 وقوة الشد كلاهما أقل من 50 كيلو بوصة عند عند 1600 درجة فهرنهايت، يكون الاتجاه العام واضحًا حتى بدون اختبار الجانب-الجانبي-المطابق تمامًا: ضمن نطاق التشغيل المشترك، يحتفظ جاما-رئيسي Waspaloy بقدرة تحمل الحمل-بشكل أكثر فعالية من جاما-رئيسي مزدوج 718.

المصدر: شركة Special Metals Corporation، خصائص التمزق النموذجية-، نشرة Waspaloy الفنية SMC-011 (الزحف الأمثل لدرجة الحرارة-والمعالجة الحرارية للتمزق الناتج عن الإجهاد).

يجب أن يلاحظ القراء أن قوة التمزق وقوة الشد/الخضوع هي خصائص مرتبطة ولكن متميزة، لذا يجب قراءة هذه المقارنة بشكل اتجاهي بدلاً من اعتبارها معيارًا دقيقًا ومتطابقًا - النقطة المهمة هي أن كلا الرقمين، المرسومين بشكل مستقل عن الأدبيات الخاصة بكل سبيكة، يشيران إلى نفس الطريقة. بالنسبة لتصميم القرص حيث يكون وضع الفشل الحاكم هو الزحف أو تمزق الإجهاد-عند درجة حرارة ثابتة (بدلاً من إجهاد الدورة المنخفض- أو التحميل الزائد للشد)، فإن الاحتفاظ بالقوة هو أقوى حجة فنية منفردة لاختيار Waspaloy أكثر من 718 ضمن نافذة التشغيل المشتركة الخاصة بهم.

ما هي السبائك الأسهل في اللحام والتصنيع؟

يعد Inconel 718 واحدًا من أكثر سبائك النيكل الفائقة القابلة للحام حسب العمر-والقابلة للتصلب على وجه التحديد لأن جاما-الأوّلي المزدوج-يتشكل ببطء أثناء التعتيق، مما يسمح بإجراء اللحامات في المحلول-المُلدن دون -تكسير مسبق؛ على النقيض من ذلك، تم وصف Waspaloy صراحة من قبل شركة Special Metals على أنها مادة "غير قابلة للحام بسهولة خارج الظروف التي يتم التحكم فيها بعناية شديدة"، وعرضة للسلوك -القصير الساخن والتشقق الناتج عن الإجهاد-، ويجب أن يتم لحامها فقط في حالة المحلول -المُعالج مع معالجة محلول المكون بالكامل- بعد ذلك قبل الخدمة.

يمكن القول إن هذا هو أكبر فرق عملي بين السبيكتين بالنسبة للمصنعين وورش التصليح. يحدث التشقق العمري- عندما يؤدي ترسب قوي يتشكل بسرعة إلى حدوث إجهاد داخل وحول منطقة اللحام الحرارية-المنطقة المتأثرة بشكل أسرع من قدرة المادة على استرخاءها، مما يؤدي إلى تشقق المفصل أثناء المعالجة الحرارية ذاتها التي تهدف إلى تقويته.

إن حركية الترسيب السريعة نسبيًا لجاما{0}} تجعل Waspaloy عرضة حقًا لوضع الفشل هذا، ولهذا السبب توصي شركة Special Metals بأسرع معدل تسخين عملي للمحلول-درجة حرارة التلدين على وجه التحديد لتقليل الوقت المستغرق في النطاق المعرض للإجهاد-العمر-التشقق-، ولماذا تكون قوة لحام Waspaloy بعد المعالجة الحرارية أقل بشكل واضح من تلك التي يتم معالجتها بالحرارة- المواد المطاوع - تنصح شركة Special Metals بشكل مباشر بعدم وضع لحامات Waspaloy في مواقع - ذات ضغط عالي. يمنح تكوين جاما-الأبطأ-المزدوج 718 نافذة معالجة أكثر اتساعًا وأكثر تسامحًا لنفس السبب تمامًا حيث يُظهر 718 نطاقًا واسعًا ومتسامحًا من درجات الحرارة-تشطيب العمل-في الحدادة، كما هو موضح في مقال مصاحب في هذه السلسلة.

ما هي السبائك الأسهل في الماكينة؟

تم تحديد Waspaloy بشكل واضح من قبل شركة Special Metals على أنها "من بين السبائك الفائقة الأكثر صعوبة في الماكينة،" في حين أن Inconel 718، على الرغم من أنه لا يزال أكثر صعوبة في الماكينة من الفولاذ المقاوم للصدأ، إلا أنه يعتبر عمومًا أكثر قابلية للتصنيع من السبائك المعززة بجاما-الرئيسية- مثل Waspaloy - وهو محرك تكلفة تراكمي حقيقي عبر عمليات المعالجة المتعددة التي يتطلبها قرص التوربين النهائي عادةً.

تتراكم الاختلافات في قابلية التشغيل الآلي عبر تسلسل التصنيع الكامل للقرص - المعالجة الأولية بعد التزوير، والانتهاء من المعالجة بعد المعالجة الحرارية، وأي عملية إعادة عمل لاحقة - لذا فإن حتى الفارق المعتدل لكل-عملية في عمر الأداة، أو سرعة القطع، أو تشطيب السطح القابل للتحقيق يصبح تكلفة إجمالية ذات معنى وعامل وقت-على قرص كامل. ترتبط صعوبة التصنيع هذه بشكل مباشر بنفس الجزء الحجمي الأساسي من الكوبالت وغاما- الذي يمنح Waspaloy ميزة قوة درجة الحرارة المرتفعة-: الخصائص التي تجعل السبيكة تقاوم التشوه أثناء الخدمة هي إلى حد كبير نفس الخصائص التي تجعلها تقاوم إزالة المواد في ورشة الآلات.

كيف يمكن المقارنة بين السبائك-في نطاق العمل الساخن وقابلية الصهر؟

يقع نطاق عمل Waspaloy الساخن- (1,800-2,140 درجة فهرنهايت) عند نطاق درجة حرارة مرتفع مماثل لنطاق عمل Inconel 718 (1,650-2,050 درجة فهرنهايت)، ولكن يحمل Waspaloy أوضاع فشل أكثر حدة عند كلا الطرفين - احتمالية حدوث تشقق أقل من 1,800 درجة فهرنهايت وقصر ساخن- أعلاه 2150 درجة فهرنهايت - ويتصلب العمل بسرعة كبيرة، وهذا هو السبب في أن التلدين المتوسط مطلوب عادةً أثناء عمليات التشكيل على البارد والتي يمكن أن يتحملها 718 غالبًا مع انقطاعات أقل.

المصدر: شركة Special Metals Corporation، وسبائك INCONEL 718 ونشرات Waspaloy الفنية (SMC-045 وSMC-011).

كيف يمكن مقارنة دورات المعالجة الحرارية-القياسية؟

تشتمل المعالجة الحرارية القياسية لـ Waspaloy على خطوة إضافية 718 لا تتطلب - تصلب التثبيت بين معالجة المحلول والتعمير - مما يجعل عملية Waspaloy أطول وأكثر تسلسلاً -حساسة، بما يتوافق مع قابليتها الأكبر للإجهاد-التكسير المرتبط إذا لم يتم اتباع الجدول الزمني بدقة.

المصدر: شركة Special Metals Corporation، وسبائك INCONEL 718 ونشرات Waspaloy الفنية (SMC-045 وSMC-011).

توجد خطوة التثبيت الوسيطة لـ Waspaloy لترسيب كربيدات حدود الحبوب-بطريقة يمكن التحكم فيها قبل أن تعمل خطوة التعتيق على تطوير غاما المجمعة-تعزيز أولي - وهو خيار تسلسلي يقلل الحساسية للهجوم على حدود الحبوب-اللاحقة في الخدمة ولكنه يضيف وقت معالجة حقيقي ونقطة أخرى يمكن عندها حدوث خطأ في الجدول الزمني. وهذا تعبير آخر عن نفس الموضوع الأساسي الذي يتم عرضه في هذه المقالة: يتم شراء قوة Waspaloy الفائقة لقوة درجة الحرارة العالية-الاحتفاظ بها على حساب عملية تصنيع أضيق وأقل تسامحًا وأكثر تسلسلاً.

هل يخلق محتوى الكوبالت اعتبارًا للتكلفة والعرض لـ Waspaloy؟

نعم - يعتبر محتوى Waspaloy's 12-15% من الكوبالت بمثابة اختلاف حقيقي في التكلفة الهيكلية وسلسلة التوريد- عن Inconel 718، الذي لا يحتوي بشكل أساسي على أي شيء (1% كحد أقصى)؛ يعد الكوبالت سوقًا أصغر حجمًا وأكثر تركيزًا جغرافيًا وأكثر تقلبًا في الأسعار-من الناحية التاريخية مقارنة بالنيكل أو الكروم أو الموليبدينوم، كما أن وجوده بنسبة وزن مكونة من رقمين في Waspaloy ليس مجرد حاشية سفلية ثانوية للسبائك.

لا يعد هذا ادعاءً بشأن علاوة سعر حالية محددة، والتي تتقلب مع ظروف سوق الكوبالت ويجب تأكيدها مقابل أسعار المطاحن الحالية -، إنها ملاحظة هيكلية حول التعرض لتكلفة المواد الأساسية للسبائكتين. يعد قرار مواصفات المواد بين 718 وWaspaloy، جزئيًا، قرارًا حول مقدار قاعدة تكلفة الجزء النهائي الذي يجب أن يتعرض لتقلبات سوق الكوبالت بدلاً من أسواق النيكل والكروم والموليبدينوم الأكثر استقرارًا نسبيًا والتي تتقاسمها كلتا السبائك.

ما هي المعايير التي تحكم كل سبيكة لشراء الأقراص التوربينية؟

تشترك كلتا السبيكتين في ASTM B637 كقضيب مشترك ومواصفات مخزون المطروق-، ولكن تحمل كل منهما مجموعة مميزة خاصة بها من مواصفات AMS التي تعكس تسلسلات المعالجة الحرارية -المختلفة - تفصل مجموعة مواصفات Waspaloy صراحةً الحل-المواد المعالجة-فقط (AMS 5706، AMS 5708) من المواد الكاملة الحل-المادة المستقرة-و-المواد القديمة (AMS 5704، AMS 5707، AMS 5709)، نفس التقسيم المنطقي المغطى لزوج AMS 5662/5663 من Inconel 718 في مقالة مصاحبة.

المصدر: Special Metals Corporation، "المنتجات والمواصفات المتوفرة"، سبائك INCONEL 718 ونشرات Waspaloy الفنية.

ما هي السبائك التي يجب عليك تحديدها لتطبيق القرص التوربيني؟

حدد Inconel 718 لأقراص الضاغط، وأقراص المروحة، وأقراص التوربينات ذات درجة الحرارة المنخفضة-حيث تظل درجات حرارة التشغيل أقل من 600-650 درجة تقريبًا، وحيث تكون تكلفة التصنيع وقابلية اللحام وإمكانية التشغيل الآلي مهمة، وحيث يكون التعرض لتكلفة سوق الكوبالت-مثيرًا للقلق؛ حدد Waspaloy حيث يرى القرص تشغيلًا مستمرًا في نطاق 540-650 درجة ويكون الاحتفاظ بقوة الزحف/الإجهاد على فترات الخدمة الطويلة هو محرك التصميم الحاكم.

اختر إنكونيل 718 من أجل:يعمل الضاغط والمروحة وأقراص التوربينات ذات درجة الحرارة المنخفضة-بشكل جيد ضمن نطاق الخدمة المستمر- للمروحة 718.

اختر إنكونيل 718 من أجل:الأقراص أو الأجهزة التي تتطلب اللحام أو إصلاح اللحام أو التشغيل الميكانيكي الشامل كجزء من التصنيع.

اختر إنكونيل 718 من أجل:البرامج التي تكون فيها تكلفة المواد المنخفضة وتقليل التعرض لتقلبات أسعار سوق الكوبالت-من الأولويات.

اختر واسبالوي من أجل:تعمل الأقراص التوربينية والأجهزة الدوارة في نطاق 540-650 درجة تقريبًا حيث تتحكم قوة الزحف المستمر وقوة التمزق الناتج عن الضغط في عمر القرص.

اختر واسبالوي من أجل:التطبيقات التي يكون فيها المصنع مؤهلاً، وإجراءات لحام محكمة التحكم قادرة على إدارة حساسية التشقق الناتج عن إجهاد Waspaloy-، أو حيث يتجنب التصميم اللحامات في مواقع الضغط العالي- تمامًا.

اختر واسبالوي من أجل:تعمل برامج المحرك القديمة والإصلاح/التجديد عندما يكون Waspaloy هو المؤهل، ولا يعد سحب المواد-المستدعى-والاستبدال خيارًا.

بالنسبة إلى مواضع قرص التوربين الأكثر سخونة خارج النطاق العملي لأي من السبيكتين، لاحظ أنه تم تكميل كل من 718 وWaspaloy بشكل كبير في أحدث تصميمات المحرك بواسطة مسحوق- تعدين جاما-رئيس/جاما-مزدوج-سبائك فائقة أولية تم تطويرها خصيصًا لدفع قدرة درجة حرارة القرص بشكل أكبر - وهو تذكير بأن هذه المقارنة بين السبائك- تصف -خيار راسخ، ولا يزال-ملائمًا، وليس المشهد العام لمواد قرص التوربينات الحديثة بالكامل.

الأسئلة المتداولة

س: هل واسبالوي أقوى من إنكونيل 718؟

A: عند درجة حرارة مرتفعة مستدامة ضمن نطاق التشغيل المشترك، نعم - مرحلة التعزيز الأولية لجاما Waspaloy-تحتفظ بقدرة تحمل الحمل-بموثوقية أكبر من مرحلة التعزيز الأولية لجاما-المزدوجة-المزدوجة في 718، والتي تكون عرضة للتحول إلى مرحلة دلتا غير معززة-مع مرور الوقت. في درجة حرارة الغرفة، يمكن معالجة كلا السبيكتين حراريًا لظروف قوة عالية- قابلة للمقارنة على نطاق واسع.

س: هل يعمل Waspaloy بالفعل في درجات حرارة أعلى من Inconel 718؟

A: ليس بالقدر الذي يُفترض عادةً بالنسبة لأقراص التوربينات على وجه التحديد. تحدد الأدبيات الخاصة بشركة Special Metals درجة Waspaloy عند 650 درجة (1200 درجة فهرنهايت) للتطبيقات الدوارة المهمة مثل الأقراص، مقابل سقف الخدمة المستمر الذي تبلغ 704 درجة (1300 درجة فهرنهايت) الخاص بـ 718. تنطبق قدرة Waspaloy-التي غالبًا ما يتم الاستشهاد بها على 870 درجة (1600 درجة فهرنهايت) على التطبيقات الأقل تطلبًا وغير الدوارة، وليس على الأقراص التوربينية.

س: لماذا يعد لحام Inconel 718 أسهل من لحام Waspaloy؟

A: تتشكل مرحلة التقوية الأولية لجاما 718-المزدوجة-ببطء أثناء التعتيق، لذلك يمكن إجراء اللحامات في المحلول-المصلب دون حدوث تشقق أثناء المعالجة الحرارية اللاحقة. يتشكل الطور الأولي لجاما وابالوي-بشكل أسرع بكثير، مما يجعل السبيكة عرضة للإجهاد-التشقق العمري؛ تنص شركة Special Metals على أن Waspaloy ليس قابلاً للحام بسهولة خارج الظروف التي يتم التحكم فيها بعناية ويجب أن يتم لحامه فقط في حالة المحلول -المُعالج، مع معالجة المحلول بالكامل-بعد ذلك.

س: هل Waspaloy أغلى من Inconel 718؟

A: يعد محتوى Waspaloy بنسبة 12-15% من الكوبالت (مقابل كيمياء 718 الخالية من الكوبالت-أساسيًا) اختلافًا هيكليًا في التكلفة وسلسلة التوريد-، نظرًا لأن الكوبالت سوق أصغر حجمًا وأكثر تقلبًا في الأسعار من سوق النيكل أو الكروم. بالإضافة إلى تصنيع واسبالوي الأكثر صعوبة ومتطلبات التصنيع الأكثر تطلبًا، فإنه يحمل عمومًا تكلفة تسليم إجمالية أعلى، على الرغم من أنه يجب تأكيد الأقساط الدقيقة مقابل أسعار السوق الحالية.

س: هل يمكن استخدام Inconel 718 كبديل مباشر لـ Waspaloy في قرص توربيني؟

A: ليس تلقائيا. على الرغم من أن 718 أسهل وأرخص في التصنيع، فإن سقف درجة حرارة الخدمة المستمرة- وقوة الاحتفاظ بدرجة الحرارة المرتفعة-يختلفان عن Waspaloy، وتتطلب بدائل قرص التوربين إعادة تأهيل هندسي كامل مقابل درجة حرارة المحرك المحددة، والإجهاد، ومتطلبات الخدمة-العمر - وليس فقط مثل-تبادل المواد المشابهة-.

س: ما هي السبيكة الأسهل في التصنيع، Inconel 718 أم Waspaloy؟

A: يعتبر Inconel 718 بشكل عام أكثر قابلية للتشكيل. تصف شركة Special Metals Waspaloy بوضوح على أنها من بين السبائك الفائقة الأكثر صعوبة في التصنيع، وهي نتيجة مباشرة لنفس محتوى الكوبالت وجزء حجمي جاما- الأولي الذي يمنحها قوة درجة حرارة مرتفعة- متفوقة.