Nconel X-750 Drut sprężynowy: żaroodporne rozwiązanie dla przemysłu lotniczego i energetycznego

Sprężyna, która wytrzymuje stałą temperaturę 600 °C, nie jest automatycznie sprężyną, która wytrzymuje dziesięć tysięcy cykli między 20 a 600 °C. Oba wymagania zawodzą z różnych przyczyn. Przypadek stałej temperatury jest ograniczony przez wydzielanie się osadów i relaksację, a przypadek cykliczny jest ograniczony przez naprężenia termiczne, których sprężyna nie może uniknąć, co zamienia różnicę temperatur w naprężenie przed zastosowaniem jakiegokolwiek zewnętrznego obciążenia.

Ta różnica jest tym, co łączy przemysł lotniczy i energetyczny. Silnik samolotowy cyklicznie pracuje od biegu jałowego na ziemi do startu, a elektrownia cyklicznie pracuje od zimnego rozruchu do pełnego obciążenia. Oba są opisywane jako zastosowania wysokotemperaturowe, a w obu przypadkach zdarzeniem niszczącym jest narastanie temperatury, a nie jej utrzymywanie. Sprężyna, która została dobrana tylko na podstawie maksymalnej temperatury, została zakwalifikowana do połowy swojego zadania.

Ta strona omawia termiczne aspekty sprężyny w zastosowaniu cyklicznym: skąd biorą się naprężenia termiczne, jak duże są dla X-750, dlaczego koncentrują się w trzech cechach rzeczywistego zespołu i jak łączą się z relaksacją, którą ta sama temperatura powoduje.

Swobodne ciało rozszerza się podczas ogrzewania i nie rozwija naprężeń. Ciało ograniczone chce się rozszerzyć o tę samą ilość i nie może, więc różnica staje się odkształceniem, a odkształcenie naprężeniem. Trzy wielkości decydują o wielkości tego naprężenia, a wszystkie trzy są opublikowane dla X-750.

Standardowe oszacowanie dla całkowicie ograniczonej części to moduł pomnożony przez współczynnik rozszerzalności i zmianę temperatury, podzielony przez jeden minus współczynnik Poissona. Dla X-750 przy właściwościach w temperaturze pokojowej daje to około 4,1 MPa naprężenia na każdy kelwin zmiany temperatury, przed dodaniem jakiegokolwiek zastosowanego obciążenia.

Powyższe wartości są obliczone na podstawie opublikowanego modułu sprężystości, współczynnika rozszerzalności cieplnej i współczynnika Poissona dla stopu, z trzema założeniami podanymi w celu ich zakwestionowania. Ograniczenie jest całkowite, co jest najgorszym przypadkiem i rzadko zdarza się w rzeczywistym zespole. Nie ma plastycznej relaksacji, co jest nieprawdą, gdy naprężenie osiągnie granicę plastyczności. A moduł sprężystości jest pobierany w temperaturze pokojowej, co zawyża naprężenie w wysokiej temperaturze, ponieważ moduł sprężystości spada wraz ze wzrostem temperatury metalu. Celem tabeli jest pokazanie rzędu wielkości, a rząd wielkości jest kluczowy: zmiana temperatury o 200 °C wystarcza do osiągnięcia granicy plastyczności w całkowicie ograniczonym X-750 bez żadnego zewnętrznego obciążenia.

Ponieważ założenia są konserwatywne, rzeczywiste naprężenie jest niższe, a reakcja projektowa jest taka sama w obu przypadkach. Sprężyna w zastosowaniu cyklicznym powinna być zamontowana tak, aby mogła się rozszerzać, a dopuszczenie na rozszerzalność jest cechą rysunkową, a nie właściwością materiału.

Krzywa zmęczenia mierzona w stałej temperaturze opisuje część, która jest utrzymywana w tej temperaturze i obciążana mechanicznie. Sprężyna w cyklicznym zakładzie doświadcza drugiego przypadku: jest obciążana samą temperaturą, a zakres odkształcenia pochodzi z rozszerzalności, a nie z zewnętrznej siły. Oba dają różne czasy życia przy tym samym nominalnym amplitudzie naprężenia, ponieważ cykl termiczny przesuwa również materiał przez zakres temperatur, w którym jego własna wytrzymałość i plastyczność się zmieniają.

Praktyczną konsekwencją jest to, że sprężyna zakwalifikowana przez test zmęczenia izotermicznego w najwyższej temperaturze nie została zakwalifikowana do cyklu termicznego między dwoma skrajnościami. Test, który opisuje zadanie, stosuje zakres temperatury do zmontowanego sprzętu lub do próbki w aparaturze, która odtwarza ograniczenie.

W rzeczywistym zespole ograniczenie nigdy nie jest jednolite, a naprężenie termiczne koncentruje się tam, gdzie sprężyna jest zamocowana. Trzy cechy odpowiadają za większość przypadków, a każda z nich ma reakcję projektową, która kosztuje mniej niż zmiana materiału.

Przypadek pręta prowadzącego jest tym, który powoduje awarię bez przyczyn metalurgicznych. Sprężyna, która jest prawidłowa na zimno, może się zablokować na prowadnicy na gorąco, a zwój działa wtedy jak lity słup przy naprężeniu, do którego drut nigdy nie był przeznaczony. Luz, który temu zapobiega, jest funkcją średniej średnicy, współczynnika rozszerzalności cieplnej i wzrostu temperatury, i jest to wymiar na rysunku.

Cykliczne zastosowanie w wysokiej temperaturze nie wybiera między relaksacją a zmęczeniem termicznym. Stosuje oba i oddziałują one w sposób, który skraca żywotność poza jednym z nich. Relaksacja usuwa obciążenie podczas utrzymywania, więc sprężyna siada niżej z każdym cyklem, a niższa pozycja zmienia stan naprężenia, który następne narastanie termiczne powoduje. Zmęczenie termiczne następnie inicjuje pęknięcie w sekcji, której naprężenie zostało już przekształcone przez relaksację.

Kolejność również ma znaczenie. Sprężyna, która szybko relaksuje się podczas pierwszego utrzymywania, traci wstępne obciążenie, a następnie cyklicznie pracuje przy niższym naprężeniu, co może być mniej szkodliwe niż sprężyna, która utrzymuje swoje obciążenie i cyklicznie pracuje przy naprężeniu projektowym. Dlatego sama liczba relaksacji nie przewiduje żywotności części cyklicznej, a dostawca, który podaje tylko procent relaksacji, odpowiedział na inne pytanie.

Reakcja materiału jest tą, którą producent opisuje dla przypadku stałego obciążenia. Potrójne traktowanie, wyżarzanie roztworowe w temperaturze 1149 °C, po którym następuje stabilizujące utrzymywanie w temperaturze 843 °C przez 24 godziny i obróbka wydzieleniowa w temperaturze 704 °C przez 20 godzin, jest zalecane do pracy powyżej 593 °C, gdzie obciążenia są stałe, i zapewnia maksymalną wytrzymałość na pełzanie i relaksację w tym zakresie. Część cykliczna, która spędza czas w najwyższej temperaturze, należy do tego stanu, ponieważ utrzymywanie jest miejscem, gdzie gromadzi się relaksacja.

X-750 wnosi współczynnik rozszerzalności około 7,8 x 10^-6 cala/cala/°F w zakresie roboczym, moduł sprężystości, który spada z 31,0 do 25,0 x 10³ ksi między temperaturą pokojową a 538 °C, i użyteczną wytrzymałość do 704 °C. To są liczby, które umieszczają go w zastosowaniu. Nie usuwają one naprężenia termicznego, a żaden stop tego nie robi.

Projekt musi zapewnić swobodę rozszerzania się. Przybiera to trzy formy: mocowanie, które pozwala sprężynie rosnąć osiowo, luz promieniowy na prowadnicy, który jest obliczany w najwyższej temperaturze, i materiał siedziska, którego rozszerzalność jest wystarczająco bliska sprężynie, aby różnica pozostała w zakresie sprężystości. Sprężyna, która jest prawidłowa we wszystkich trzech aspektach, przeżyje lepszy stop w sztywnym mocowaniu.

Porównanie z materiałem o niższej rozszerzalności jest warte jednokrotnego stwierdzenia. Stal ferrytyczna lub martenzytyczna rozszerza się o około 11 do 12 x 10^-6 na °F, co jest o około 50% więcej niż X-750, więc ograniczony zespół w tej stali rozwija o około 50% więcej naprężeń termicznych przy tej samej zmianie temperatury. Stop niklu jest wybierany ze względu na swoją wytrzymałość w temperaturze i odporność na utlenianie, a jego niższa rozszerzalność jest wtórną korzyścią, która ma największe znaczenie w sztywno ograniczonym projekcie.

Drut do sprężyn jest objęty AMS 5698 w stanie temperowania nr 1 i AMS 5699 w stanie sprężystym. Pręty i odkuwki są objęte AMS 5667, 5668, 5670, 5671 i 5747, blachy i płyty AMS 5542 i 5598, a rury bezszwowe AMS 5582. Skład to minimum 70,00% niklu plus kobaltu, 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 plus tantalu.

Dokument podąża za formą i obróbką cieplną, a warsztat sprężyn, który zastępuje specyfikację pręta specyfikacją drutu, zmienił stan, jak i formę. Obróbka starzenia w dokumentach drutu jest napisana dla drutu, a obróbka w dokumentach pręta jest napisana dla pręta, a te dwa nie są wymienne, nawet jeśli stop jest ten sam.

Sześć elementów opisuje zadanie termiczne, a pierwsze trzy to te, których brakuje na rysunku w temperaturze pokojowej.

DLX dostarcza Inconel X-750 w Changzhou, Jiangsu, w postaci drutu od 0,025 mm, pręta okrągłego do 50 mm, taśmy od 0,50 mm do 2,5 mm grubości, oraz rur i płyt w standardowych rozmiarach walcowniczych. Materiał jest dostarczany zgodnie ze specyfikacją AMS podaną w zamówieniu, z certyfikatem EN 10204 3.1 na życzenie i numerem partii możliwym do prześledzenia do wyników testów.

Pytanie, które decyduje o wycenie, to cykl termiczny, a nie maksymalna temperatura. Sprężyna, która jest utrzymywana w temperaturze 600 °C, i sprężyna, która cyklicznie pracuje między 20 a 600 °C, to różne zamówienia dla tego samego stopu, ponieważ pierwsza jest ograniczona przez relaksację, a druga przez odkształcenie, którego mocowanie nie pozwala jej uwolnić.

Nie. Stop żaroodporny odpowiada na pytanie, czy materiał zachowuje wytrzymałość w najwyższej temperaturze. Zastosowanie cykliczne pyta również, co dzieje się z odkształceniem, gdy część jest ograniczona, a temperatura się zmienia, a ta odpowiedź pochodzi ze współczynnika rozszerzalności, modułu sprężystości i mocowania. Stop o niższej rozszerzalności i niższej wytrzymałości może przewyższać mocniejszy w sztywnym mocowaniu.

Około 4,1 MPa na kelwin zmiany temperatury, obliczone na podstawie opublikowanego modułu sprężystości 31,0 x 10³ ksi, współczynnika rozszerzalności cieplnej około 14 x 10^-6 na °C i współczynnika Poissona 0,29. Zmiana o 200 °C powoduje zatem osiągnięcie około 810 MPa przy pełnym ograniczeniu, co odpowiada granicy plastyczności materiału po starzeniu. Rzeczywista wartość jest niższa, ponieważ żaden zespół nie jest w pełni ograniczony i ponieważ moduł sprężystości spada wraz ze wzrostem temperatury metalu, a obliczenie służy do pokazania rzędu wielkości, a nie naprężenia projektowego.

Tak, i dlatego ma znaczenie. Naprężenie termiczne pojawia się w części przed zastosowaniem obciążenia zewnętrznego, więc zwój widzi sumę obu na średnicy wewnętrznej, gdzie naprężenie mechaniczne jest już najwyższe. Projekt, który sprawdził naprężenie sprężyny w temperaturze pokojowej i naprężenie termiczne oddzielnie, nie sprawdził warunku, który powoduje awarię.

Ponieważ średnica średnia rośnie wraz z temperaturą, podczas gdy prowadnica rośnie o inną ilość, jeśli jest wykonana z innego materiału. Luz, który jest wystarczający w temperaturze 20 °C, może zamknąć się w temperaturze 600 °C, a zwój działa wtedy jak lity słup przy naprężeniu, do którego drut nie był przeznaczony. Luz powinien być obliczony w najwyższej temperaturze, używając współczynnika rozszerzalności cieplnej obu materiałów.

Tak, tam gdzie część spędza czas na górze zakresu. Producent zaleca potrójne traktowanie do pracy powyżej 593 °C ze stałymi obciążeniami i opisuje je jako zapewniające maksymalną wytrzymałość na pełzanie i relaksację w tym zakresie. Część cykliczna gromadzi relaksację podczas utrzymywania, więc traktowanie, które przeciwdziała relaksacji w najwyższej temperaturze, jest tym, które chroni żywotność.

Źródło odkształcenia. Test izotermiczny stosuje obciążenie mechaniczne w stałej temperaturze, a test zmęczenia termicznego stosuje zakres temperatury do ograniczonej części. Oba dają różne czasy życia przy tej samej nominalnej amplitudzie naprężenia, ponieważ cykl termiczny przesuwa również materiał przez zakres, w którym jego wytrzymałość i plastyczność się zmieniają, a odkształcenie pochodzi z ograniczenia, a nie z zewnętrznej siły.

Odporność na ciepło jest właściwością materiału, a cykliczność termiczna jest warunkiem projektowym. X-750 zapewnia właściwość z użyteczną wytrzymałością do 704 °C, moduł sprężystości 31,0 x 10³ ksi w temperaturze pokojowej i współczynnik rozszerzalności około 7,8 x 10^-6 cala/cala/°F w zakresie roboczym. Projekt zapewnia resztę, a reszta to swoboda rozszerzania się na siedzisku, luz promieniowy na prowadnicy i materiał siedziska, którego rozszerzalność pozostaje blisko sprężyny.

Częściowo ograniczona część rozwija około 4,1 MPa na kelwin, co osiąga granicę plastyczności materiału po starzeniu przy zmianie o 200 °C. Żaden zespół nie jest w pełni ograniczony, a moduł sprężystości spada wraz z temperaturą, więc rzeczywiste naprężenie jest niższe. Wniosek nie zależy od dokładnej liczby: sprężyna w zastosowaniu cyklicznym jest ograniczona przez odkształcenie, którego mocowanie nie pozwala jej uwolnić, a ten limit jest ustalony na rysunku.

Biuletyn techniczny Special Metals dla stopu INCONEL X-750, publikacja SMC-067. Źródło numeru UNS N07750 i numeru materiału 2.4669, granice składu minimum 70,00% niklu plus kobaltu i 14,0 do 17,0% chromu, średnia rozszerzalność liniowa 7,8 x 10^-6 cala/cala/°F od 70 do 800 °F, moduł sprężystości 31,0 x 10³ ksi przy 70 °F i 25,0 x 10³ ksi przy 1000 °F, współczynnik Poissona 0,29, użyteczna wytrzymałość do 704 °C, potrójne traktowanie w temperaturze 1149 °C, 843 °C przez 24 godziny i 704 °C przez 20 godzin, stwierdzenie, że ta droga zapewnia maksymalną wytrzymałość na pełzanie, relaksację i zerwanie powyżej 593 °C, oraz specyfikacje produktu według formy.

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

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

AMS 5542 i AMS 5598, specyfikacje materiałów lotniczych dla blach, taśm i płyt ze stopu niklu X-750.

AMS 5582, specyfikacja materiałów lotniczych dla rur bezszwowych ze stopu niklu X-750.

ASTM E2368, standardowa praktyka testowania zmęczenia termomechanicznego sterowanego odkształceniem, jako odniesienie metody dla wyniku zmęczenia termicznego.

ASTM E606, standardowa metoda testowania zmęczenia sterowanego odkształceniem, jako odniesienie metody dla porównania izotermicznego.

EN 10204, dokumenty kontrolne, dla definicji certyfikatu 3.1 jako dokumentu zawierającego rzeczywiste wyniki testów i zatwierdzonego przez niezależnego przedstawiciela inspekcji producenta.

Wartości naprężeń termicznych na tej stronie są obliczone na podstawie opublikowanych stałych fizycznych dla stopu, z założeniami całkowitego ograniczenia, zachowania sprężystego i modułu sprężystości w temperaturze pokojowej podanymi w tekście, i są to szacunki rzędu wielkości, a nie naprężenia projektowe. Rzeczywisty zespół jest częściowo ograniczony, lokalnie się uplastycznia i pracuje przy module sprężystości poniżej wartości temperatury pokojowej, więc zmierzone naprężenie jest niższe niż obliczone, a projekt powinien być potwierdzony analizą lub testem. Współczynniki rozszerzalności cieplnej są wartościami średnimi w podanym przedziale, a projekt, który zależy od wąskiego zakresu, powinien wykorzystywać dane dla tego zakresu. Wyniki zmęczenia i relaksacji zależą od zakresu odkształcenia, temperatury, powierzchni i obróbki cieplnej, więc opublikowana krzywa dla jednego warunku nie przewiduje innego. Specyfikacje produktu są aktualizowane, a wydanie podane w zamówieniu jest wiążące. Nic na tej stronie nie zastępuje wydania inżynierskiego ani testów kwalifikacyjnych uzgodnionych między kupującym a dostawcą.