Wysoko wytrzymały drut sprężynowy Inconel X-750 zwiększający wydajność w ekstremalnych warunkach

Stop może być odporny w jednej wodzie i wrażliwy w innej, mając ten sam skład i tę samą nazwę gatunku, ponieważ decydującą zmienną jest temperatura, w której woda spotyka się z metalem. Inconel X-750 jest odporny na pękanie korozyjne pod wpływem jonów chlorkowych nawet w stanie całkowitego utwardzenia wydzieleniowego, co jest opublikowaną i niezwykłą właściwością. Ten sam stop, w wodzie o wysokiej czystości o temperaturze 288 °C i w warunkach reaktora z wrzącą wodą, ma udokumentowaną podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe, która zależy od zastosowanej obróbki cieplnej.

Ta para stwierdzeń odzwierciedla prawdziwe znaczenie wyrażenia środowiska ekstremalne. Nie jest to jeden warunek i nie jest to stan najwyższy. Jest to zestaw pasm temperaturowych i chemicznych, a stop, który dobrze radzi sobie w jednym z nich, może być złym wyborem w następnym, bez zmiany nazwy gatunku na certyfikacie.

Na tej stronie przedstawiono cztery pasma istotne dla sprężyny X-750, mechanizm rządzący każdym z nich oraz pojedynczą decyzję dotyczącą obróbki cieplnej, która poprawia dwa z nich jednocześnie. Kolejność wytwarzania sprężyny, obejmująca hartowanie drutu, obróbkę starzeniową i zmianę wymiarów po zwinięciu, jest odrębnym tematem i nie jest tutaj powtarzana.

Tabela oddziela środowiska poprzez mechanizm ograniczający część w każdym z nich. Sprężynę można poprawnie określić dla jednego pasma i błędnie określić dla następnego, a specyfikacja obejmująca wszystkie cztery jest zbiorem warunków, a nie nazwą gatunku.

Dwa wiersze w tej tabeli są sprzeczne z intuicją i dzięki nim istnieje ta strona. Rząd dotyczący chlorków wodnych mówi, że stop jest niezwykle dobry, czego oczekuje większość kupujących. W wierszu dotyczącym wody wysokotemperaturowej stwierdzono, że ten sam stop ma mechanizm pękania w cieczy niezawierającej chlorków, czego większość kupujących się nie spodziewa. Różnica między tymi dwoma rzędami dotyczy temperatury i czystości i żaden z nich nie pojawia się w nazwie gatunku.

X-750 zachowuje użyteczne właściwości w temperaturze kriogenicznej, a powodem mechanicznym jest to, że skupiona na powierzchni sześcienna matryca niklowa nie ulega przejściu od plastycznego do kruchego, co ogranicza stale ferrytyczne. Stop jest stosowany w zbiornikach kriogenicznych i osprzęcie silników rakietowych, czyli w zastosowaniach, w których oczekuje się, że materiał będzie przenosił obciążenia w temperaturach znacznie poniżej zera.

Problemem sprężyny na zimnym końcu nie jest kruche pęknięcie. To jest wstępne ładowanie. Sprężyna zainstalowana w temperaturze otoczenia, a następnie schłodzona zmienia swoją prędkość z dwóch powodów: moduł wzrasta wraz ze spadkiem temperatury oraz sprężyna i jej obudowa kurczą się w różnym stopniu, jeśli są wykonane z różnych materiałów. Producent podaje średnią rozszerzalność liniową 6,5 x 10^-6cale/cale/°F od 70°F do -250°F w porównaniu z 8,1 x 10^-6przy 1000 °F, więc sam współczynnik zmienia się wraz z temperaturą, a pojedyncza wartość temperatury w pomieszczeniu nie opisuje zimnego końca.

Praktyczna instrukcja jest taka, że ​​sprężynę do zastosowań na zimno należy zaprojektować dla zimnej temperatury i sprawdzić w temperaturze otoczenia, a nie odwrotnie. Sprężyna, która ma prawidłową temperaturę 20°C, a następnie schłodzona do -196°C, zapewnia większe obciążenie niż zakładano na rysunku, ponieważ moduł sprężystości wzrósł podczas kurczenia się geometrii. Jeśli to obciążenie ma znaczenie dla zespołu, w projekcie przyjęto stan zimny.

Na gorąco producent podaje trzy liczby, które często łączą się w jedną, a załamanie powoduje najwięcej zamieszania wokół tego stopu. Stop ten zapewnia wytrzymałość do 704°C. Jest odporny na utlenianie do 982°C. Materiał poddany obróbce cieplnej ma wytrzymałość użytkową do 982 ° C. Pierwsza liczba to strop opadowy, druga to właściwość powierzchni, a trzecia to zestawienie obciążenia krótkotrwałego.

Powyżej 704 °C traci się większość efektu utwardzania wydzieleniowego, więc część, której wytrzymałość zależała od głównego osadu gamma, nie ma już tej wytrzymałości. Odporność na utlenianie utrzymuje się po tym punkcie, ponieważ jest właściwością skali tlenku chromu, a nie osadu, dlatego te dwie wartości różnią się. Wytrzymałość użytkowa do 982°C opisuje część, która może przez krótki czas przenosić obciążenie w tej temperaturze, a nie opisuje sprężynę, która musi wytrzymać zestaw przez lata.

Sprężyna znajduje się na konserwatywnym końcu wszystkich trzech cyfr. Producent podaje zakres temperatur od zera do 649°C dla sprężyn i elementów złącznych, co jest wartością poniżej progu wytrzymałości wynoszącego 704°C, ponieważ sprężynę ocenia się na podstawie obciążenia, jakie utrzymuje po długim czasie przebywania w temperaturze, a nie na podstawie krótkotrwałego wyniku rozciągania.

Dwa wiersze dotyczące cieczy w pierwszej tabeli należy czytać łącznie, ponieważ opisują ten sam stop w wodzie i prowadzą do przeciwnych wniosków. Producent twierdzi, że X-750 posiada wysoką odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe pod wpływem jonów chlorkowych, nawet w stanie całkowitego utwardzenia wydzieleniowego. To mocne stwierdzenie, ponieważ większość stopów o wysokiej wytrzymałości traci odporność na SCC w miarę wzrostu wytrzymałości, i wyjaśnia, dlaczego stop ten pojawia się w przemyśle chemicznym zawierającym chlorki i w sprzęcie morskim.

Literatura dotycząca reaktorów opisuje inny przypadek. W wodzie o wysokiej czystości w temperaturze 93 ° C i 288 ° C w warunkach reaktora z wrzącą wodą, stop X-750 ma zmierzoną podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe międzykrystaliczne, a wyniki silnie zależą od warunków obróbki cieplnej próbki. Ciecz w tym teście nie zawiera chlorków, zatem mechanizm opisany w stwierdzeniu dotyczącym chlorków nie jest tym, który działa. Pękanie ma charakter międzykrystaliczny i przebiega wzdłuż granic ziaren, które obróbka cieplna pozostawiła w stanie podatnym.

Praktyczna lektura nie oznacza, że ​​oświadczenie producenta jest błędne, a literatura ma rację. Obydwa są poprawne w swoim własnym środowisku, a kupujący, który przenosi jedno z nich do drugiego środowiska, popełnił błąd w przeniesieniu. Specyfikacja chlorku i specyfikacja chłodziwa reaktora to dwie różne specyfikacje, które tak się składa, że ​​określają ten sam stop.

Obróbka cieplna zalecana przez producenta dla górnego zakresu temperatur jest również tą, którą w literaturze dotyczącej reaktorów kojarzy się z lepszą odpornością na pękanie, co jest użytecznym zbiegiem okoliczności, a nie żadnym zbiegiem okoliczności. Potrójna obróbka obejmuje wyżarzanie rozpuszczające w temperaturze 1149°C, utrzymywanie stabilizujące w temperaturze 843°C przez 24 godziny i obróbkę strącającą w temperaturze 704°C przez 20 godzin.

Producent zaleca tę trasę do pracy w temperaturach powyżej 593°C, szczególnie tam, gdzie obciążenia utrzymują się przez długi czas i opisuje ją jako zapewniającą w tym zakresie maksymalną wytrzymałość na pełzanie, relaksację i zerwanie. Praca materiałów reaktora opisuje te same warunki obróbki w wysokiej temperaturze, co oceniane pod kątem podatności na pękanie, i podaje wyniki według stanu, ponieważ warunek zmienia odpowiedź.

Mechanizmem łączącym te dwa elementy jest granica ziaren. Stabilizujące połączenie umożliwia łączenie węgla w stopie z niobem i tytanem w postaci węglików wewnątrz ziaren, a nie na granicach, co powoduje, że granice są mniej zubożone w pierwiastki odporne na korozję. Granica pozostawiona w tym stanie jest bardziej odporna na atak międzykrystaliczny wytwarzany przez środowisko reaktora, a także jest granicą, która utrzymuje swoją wytrzymałość na pełzanie w temperaturze. Jeden zabieg, dwie korzyści, a kupujący, który wybiera krótki wiek ze względu na wyższą wytrzymałość w temperaturze pokojowej, rezygnuje z obu.

Dlatego też sprężyna pracująca w gorącej taśmie ma jedną obróbkę cieplną, która spełnia oba wymagania, a sprężyna pracująca w umiarkowanej temperaturze ma inną obróbkę cieplną, która maksymalizuje wytrzymałość. Błędem, którego należy unikać, jest przeprowadzanie obróbki umiarkowanej temperatury na gorącą opaskę, ponieważ daje to wyższy wynik rozciągania na certyfikacie.

Dwa środowiska, które uszkadzają sprężynę o wysokiej wytrzymałości, są wprowadzane po wybraniu stopu. Pierwszym z nich jest wodór z galwanizacji. Sprężyna pokryta galwanicznie ze względu na zużycie lub wygląd może absorbować wodór na katodzie, a stop niklu o wysokiej wytrzymałości ma niewielką zdolność, aby go pomieścić bez utraty plastyczności. Opublikowane wytyczne dotyczące części o wysokiej wytrzymałości stanowią, że galwanizacja wymaga kontroli procesu i późniejszej obróbki wypalania, a wymóg ten znajduje się w zamówieniu zakupu, a nie w instrukcji galwanicznej.

Drugi to kwas używany do czyszczenia i trawienia. Kwas trawiący wytwarza wodór na powierzchni metalu w taki sam sposób, jak galwanizacja, a sprężyna, która została wytrawiona, a nie wypalona, ​​niesie ze sobą takie samo ryzyko, jak sprężyna powlekana i nie wypalona. Ryzyko wzrasta wraz z wytrzymałością, więc drut sprężynowy o najwyższej wytrzymałości jest bardziej narażony na działanie niż ten sam stop w bardziej miękkim stanie.

Trzeci jest mechaniczny, a nie chemiczny. Cewka, która została skorygowana poprzez obróbkę na zimno po formowaniu, niesie ze sobą naprężenia szczątkowe, których nie uwzględniono w projekcie, a naprężenie to dodaje się do naprężenia eksploatacyjnego wewnątrz cewki, gdzie suma jest już najwyższa. Korekta jest niewidoczna na protokole wymiarowym i pojawia się później jako pęknięcie na średnicy wewnętrznej cewki.

Gatunek jest objęty dokumentami dotyczącymi drutu AMS 5698 i AMS 5699, dokumentami dotyczącymi prętów i odkuwek AMS 5667, 5668, 5670, 5671 i 5747 oraz dokumentami dotyczącymi blach i rur AMS 5542, 5598 i 5582. Skład zawiera co najmniej 70,00% niklu plus kobalt, 14,0 do 17,0% chromu, 5,0 do 9,0% żelaza, 2,25 do 2,75% tytanu i 0,40 do 1,00% aluminium, z 0,70 do 1,20% niobu i tantalu.

Środowisko należy opisać za pomocą terminów, z których korzystają mechanizmy, a robi to sześć pozycji.

DLX dostarcza Inconel X-750 w Changzhou, Jiangsu, drut o średnicy od 0,025 mm, pręt okrągły do ​​50 mm, taśmę o grubości od 0,50 mm do 2,5 mm oraz rury i blachy w standardowych rozmiarach walcowni. Materiał dostarczany jest zgodnie ze specyfikacją AMS podaną w zamówieniu, z certyfikatem EN 10204 3.1 na żądanie i numerem wytopu powiązanym z wynikami testów.

Kwestią decydującą o wycenie jest środowisko, a nie nazwa klasy. Sprężyna do zaworu kriogenicznego, sprężyna do uszczelnienia pracującego w temperaturze 600°C i sprężyna do pompy z łożyskiem chlorkowym to trzy różne zamówienia tego samego stopu, przy czym różnią się one obróbką cieplną i stanem powierzchni.

Tak i producent stwierdza to wprost: stop charakteryzuje się wysoką odpornością na pękanie korozyjne naprężeniowe pod wpływem jonów chlorkowych nawet w stanie całkowitego utwardzenia wydzieleniowego. Jest to niezwykłe w przypadku stopu o wysokiej wytrzymałości i jest to jeden z powodów, dla których ten gatunek pojawia się w zastosowaniach zawierających chlorki. Stwierdzenie dotyczy wody zawierającej chlorki o umiarkowanej temperaturze i nie należy jej przenosić do wody o wysokiej czystości w temperaturze reaktora, gdzie działa inny mechanizm.

Ponieważ mechanizm jest międzykrystaliczny i podąża za granicami ziaren, a nie za chlorkiem. W wodzie o wysokiej czystości w temperaturze od 93 do 288 °C w warunkach reaktora z wrzącą wodą X-750 ma zmierzoną podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe międzykrystaliczne, a opublikowane wyniki silnie zależą od warunków obróbki cieplnej próbki. Agresywnym gatunkiem na końcu pęknięcia nie jest chlorek, a różnicę robi chemia graniczna wytworzona w wyniku obróbki cieplnej.

Potrójna obróbka: wyżarzanie rozpuszczające w temperaturze 1149°C, stabilizacja w temperaturze 843°C przez 24 godziny i wytrącanie w temperaturze 704°C przez 20 godzin. Producent zaleca go do pracy w temperaturach powyżej 593°C, gdzie utrzymują się obciążenia i opisuje go jako zapewniający w tym zakresie maksymalną wytrzymałość na pełzanie, relaksację i zerwanie. Pozostawia również granice ziaren w stanie, który w literaturze dotyczącej reaktorów kojarzy się z lepszą odpornością na pękanie, więc jeden wybór spełnia oba wymagania.

Tak. Producent deklaruje doskonałe właściwości aż do temperatur kriogenicznych, a stop występuje w zbiornikach kriogenicznych i sprzęcie rakietowym. Problemem sprężyny po stronie zimnej jest napięcie wstępne, a nie wytrzymałość, ponieważ moduł zwiększa się wraz ze spadkiem temperatury, a sprężyna kurczy się względem swojej obudowy, zatem sprężyna zaprojektowana na temperaturę 20°C zapewnia większe obciążenie, gdy jest zimna.

Tylko z kontrolą procesu i wypalaniem po galwanizacji. Galwanizacja wytwarza wodór na katodzie, a stop niklu o wysokiej wytrzymałości ma ograniczoną zdolność pochłaniania go bez utraty plastyczności. Opublikowane wytyczne dotyczące części o wysokiej wytrzymałości stanowią, że galwanizacja i późniejsze wypalanie stanowią część specyfikacji. Wytrawianie niesie ze sobą to samo ryzyko, ponieważ w ten sam sposób wytwarza się wodór na powierzchni.

Producent podaje temperaturę poniżej zera do 649°C dla sprężyn i elementów złącznych. Stop ten zapewnia wytrzymałość do 704°C i jest odporny na utlenianie do 982°C, a materiał poddany obróbce cieplnej ma użyteczną wytrzymałość do 982°C, ale te trzy liczby opisują krótkotrwały przypadek obciążenia i właściwości powierzchni. Sprężyna utrzymuje obciążenie przez długi czas, dlatego obowiązuje dolna wartość.

Ekstremalne środowisko to zestaw czterech pasm i nie jest to superlatyw. Zimny ​​koniec jest ograniczony przez zmianę napięcia wstępnego w miarę wzrostu modułu i kurczenia się geometrii. Gorący koniec jest ograniczony osadem, z górną granicą wytrzymałości 704°C, odpornością na utlenianie do 982°C i zakresem sprężystości 649°C. Mocną stroną tego stopu jest woda zawierająca chlorki. Woda o wysokiej czystości w temperaturze 288 °C to jedyny zakres, w którym w literaturze opisano mechanizm pękania, a o wyniku decyduje obróbka cieplna.

Jedyną decyzją, która poprawia dwa pasma, jest potrójne leczenie. Daje maksymalną wytrzymałość na pełzanie i relaksację powyżej 593°C oraz pozostawia granice ziaren w stanie związanym z lepszą odpornością na pękanie w wodzie reaktora. Kupujący, który określił krótszy wiek dla wytrzymałości na rozciąganie w wyższej temperaturze pokojowej, wybrał wytrzymałość i zrezygnował z obu.

Biuletyn techniczny Special Metals dotyczący stopu INCONEL X-750, publikacja SMC-067. Źródło numeru UNS N07750 i numeru Werkstoffa 2.4669, limity składu wynoszące co najmniej 70,00% niklu plus kobalt i 14,0 do 17,0% chromu, stwierdzenie, że stop ma doskonałe właściwości w temperaturach kriogenicznych, stwierdzenie, że znaczna część efektu utwardzania wydzieleniowego zostaje utracona powyżej 704 °C, podczas gdy materiał poddany obróbce cieplnej ma wytrzymałość użyteczną do 982 °C, stwierdzenie odporności na utlenianie do 982°C, zakres temperatur poniżej zera do 649°C dla sprężyn i elementów złącznych, stwierdzenie, że stop ma wysoką odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe pod wpływem jonów chlorkowych nawet w stanie całkowitego utwardzenia wydzieleniowego, średnie wartości rozszerzalności liniowej od 6,5 przy -250°F do 8,1 przy 1000°F, wartości modułu 31,0, 25,0 i 23,0 x 10³ksi w temperaturach 70, 1000 i 1200 °F, potrójna obróbka w temperaturze 1149 °C, 843 °C przez 24 godziny i 704 °C przez 20 godzin oraz stwierdzenie, że ta metoda zapewnia maksymalną wytrzymałość na pełzanie, relaksację i pękanie powyżej 593 °C.

Opublikowano badania dotyczące pękania korozyjnego naprężeniowego stopu X-750 w środowiskach reaktorów lekkowodnych, oceniające warunki obróbki cieplnej w wysokiej temperaturze w wodzie o wysokiej czystości w temperaturze 93°C i 288°C w warunkach reaktora z wrzącą wodą oraz podające podatność w zależności od warunków obróbki cieplnej.

Opublikowano badania dotyczące pękania korozyjnego naprężeniowego wspomaganego napromienianiem stopu X-750, obejmujące wpływ napromieniowania na podatność na pękanie i odporność na pękanie.

Instytut Energii Elektrycznej pracuje nad poprawą odporności stopu X-750 na korozję naprężeniową i donosi, że obróbka cieplna ma ogromny wpływ na podatność na pękanie.

AMS 5698 i AMS 5699, specyfikacje materiałów lotniczych i kosmicznych dla drutu ze stopu niklu X-750 w stanie nr 1 i sprężynowym.

AMS 5667, 5668, 5670, 5671 i 5747, specyfikacje materiałów lotniczych dla prętów, odkuwek i pierścieni ze stopu niklu X-750.

AMS 5542, 5598 i 5582, specyfikacje materiałów lotniczych dla arkuszy, płyt i rur bez szwu ze stopu niklu X-750.

EN 10204, dokumenty inspekcyjne, w celu zdefiniowania certyfikatu 3.1 jako dokumentu zawierającego rzeczywiste wyniki testów i zatwierdzonego przez niezależnego przedstawiciela kontroli producenta.

Powyższe wartości graniczne składu i właściwości są wartościami specyfikacji i typowymi wynikami dla stopu i wymienionych warunków i nie stanowią granic akceptacji dla dostarczonej partii. Te dwa stwierdzenia dotyczące wody opisują różne środowiska i nie są zamienne, a specyfikacja napisana dla jednego z nich nie kwalifikuje stopu do drugiego. Podatność na pękanie zależy od naprężenia, temperatury, składu chemicznego wody, stanu powierzchni i obróbki cieplnej, dlatego opublikowane wyniki dla jednego warunku nie przewidują innego. Wartości modułu i rozszerzalności są wartościami średnimi w podanym przedziale, a projekt zależny od wąskiego pasma temperatur powinien wykorzystywać dane dla tego pasma. Specyfikacje produktów zostały zmienione, a zastosowanie ma wydanie wskazane w zamówieniu. Żadne informacje zawarte na tej stronie nie zastępują zezwolenia technicznego ani testów kwalifikacyjnych uzgodnionych pomiędzy kupującym a dostawcą.