Inconel 718 vs Waspaloy: selección de superaleaciones de níquel para aplicaciones de discos de turbinas

¿Qué son el Inconel 718 y el Waspaloy y en qué se diferencian sus mecanismos de fortalecimiento?

Ambas aleaciones son superaleaciones de níquel endurecido por precipitación-, pero desarrollan su resistencia a partir de diferentes fases intermetálicas: el contenido de niobio de Inconel 718 forma gamma-doble-prime (Ni3Nb), una fase tetragonal de cuerpo-centrado{6}}metaestable, mientras que el contenido de aluminio y titanio de Waspaloy forma gamma-prime clásica (Ni3(Al,Ti)), una cara térmicamente estable-centrada-fase cúbica - y esta única diferencia química es la causa principal de casi todas las demás distinciones cubiertas en este artículo.

Fuente: Datos de composición nominal de Special Metals Corporation para los boletines técnicos INCONEL aleación 718 y Waspaloy (SMC-045 y SMC-011).

La diferencia química más visible es el contenido sustancial de cobalto de Waspaloy (12-15%) frente a la ausencia esencial de cobalto de 718 (1% máximo). - el cobalto eleva la temperatura a la que gamma-prime permanece estable y ralentiza su engrosamiento, lo que es parte de la razón por la que Waspaloy se mantiene mejor a temperaturas elevadas y sostenidas.

La ausencia de niobio en Waspaloy, y la correspondiente ausencia de una cantidad significativa de aluminio y titanio en 718, es la otra división definitoria: 718 fue diseñado deliberadamente alrededor de gamma-doble-prima específicamente porque esa fase se forma más lentamente durante el envejecimiento, lo cual (como se explica en secciones posteriores) es la fuente directa de la excelente soldabilidad de 718.

¿Qué aleación tiene la temperatura máxima de servicio más alta para aplicaciones de disco de turbina?

La brecha es más pequeña de lo que comúnmente se supone para el caso específico de los discos de turbina: la propia literatura sobre Inconel 718 de Special Metals afirma que la aleación sigue siendo útil continuamente hasta aproximadamente 704 grados (1300 grados F), mientras que su propia literatura sobre Waspaloy limita las aplicaciones rotativas críticas - la categoría exacta de discos de turbina cae en - a 650 grados (1200 grados F), reservando la mayor, a menudo-citada, de Waspaloy Techo de 870 grados (1600 grados F) específicamente para otras aplicaciones menos exigentes y no giratorias.

Fuente: Special Metals Corporation, INCONEL aleación 718 y boletines técnicos de Waspaloy (SMC-045 y SMC-011).

Ésta es una corrección realmente útil a una simplificación excesiva común. Gran parte de la literatura secundaria que compara estas dos aleaciones afirma rotundamente que "Waspaloy soporta temperaturas más altas que 718", citando la cifra de 870 grados sin el calificativo de que este límite se aplica al hardware no-giratorio, no a los discos de turbina y compresor de los que trata específicamente este artículo.

Para la aplicación del disco en sí, la documentación del propio fabricante de ambas aleaciones sitúa el techo de servicio continuo-a unos 50 grados entre sí. El encuadre más preciso y útil no es "Waspaloy se calienta más", sino "Waspaloy conserva más resistencia dentro del rango de temperatura que ambas aleaciones pueden tolerar" -, que es el tema de las dos secciones siguientes.

¿Por qué Gamma-Prime conserva la fuerza mejor que Gamma-Double-Prime a una temperatura alta y sostenida?

Gamma-doble-prime es una fase metaestable que se transforma gradualmente en fase delta ortorrómbica (también Ni3Nb, pero sin-reforzamiento) durante la exposición prolongada a altas-temperaturas, debilitando progresivamente 718; gamma-prime no sufre una transformación equivalente y, en cambio, simplemente se vuelve más grueso más lentamente, razón por la cual las aleaciones reforzadas con gamma-prime-como Waspaloy generalmente ofrecen una mejor estabilidad microestructural durante un servicio prolongado a temperatura elevada-.

Esta distinción explica por qué la temperatura máxima de servicio del 718 se describe en términos de un umbral de transformación de fase, mientras que la de Waspaloy se describe más en términos de resistencia a la oxidación y -retención de resistencia a corto plazo - las dos aleaciones se están acercando a sus límites a través de mecanismos de falla genuinamente diferentes. También explica por qué el 718 nunca tuvo la intención de competir con las aleaciones gamma-prima en los puntos más calientes de la sección caliente de una turbina de gas; La verdadera ventaja competitiva del 718 radica en el rango de temperatura por debajo de su umbral de transformación delta-, donde su combinación de resistencia, soldabilidad y costo supera a las alternativas, no en igualar Waspaloy o las nuevas aleaciones de discos de pulvimetalurgia-grados-por-grados a las temperaturas más altas del borde del disco.

¿Cómo se comparan las dos aleaciones en cuanto a resistencia a la fluencia y a la tensión-rotura?

La resistencia a la rotura publicada por Waspaloy en 1000-horas cae de 89 ksi (615 MPa) a 1200 grados F hasta 16 ksi (110 MPa) a 1600 grados F - y debido a que la propia patente y la literatura del producto de Special Metals confirman por separado que el rendimiento y la resistencia a la tracción del Inconel 718 caen por debajo de 50 ksi a A 1600 grados F, la dirección general es clara incluso sin una prueba lado-por-lado perfectamente coincidente: dentro del rango operativo compartido, el gamma-principal de Waspaloy retiene la capacidad de carga-más eficazmente que el gamma-doble prima del 718.

Fuente: Special Metals Corporation, propiedades típicas de ruptura por fluencia-, boletín técnico de Waspaloy SMC-011 (tratamiento térmico óptimo de fluencia a alta temperatura-y ruptura por tensión).

Los lectores deben tener en cuenta que la resistencia a la ruptura y el límite elástico/tracción son propiedades relacionadas pero distintas, por lo que esta comparación debe leerse direccionalmente en lugar de como un punto de referencia preciso y coincidente - el punto es que ambas figuras, extraídas independientemente de la propia literatura de cada aleación, apuntan en la misma dirección. Para un diseño de disco donde el modo de falla que rige es la fluencia o la ruptura-por tensión a temperatura sostenida (en lugar de fatiga de ciclo bajo-o sobrecarga de tracción), esta retención de resistencia es el argumento técnico más fuerte para elegir Waspaloy en lugar de 718 dentro de su ventana operativa compartida.

¿Qué aleación es más fácil de soldar y fabricar?

Inconel 718 es una de las superaleaciones de níquel endurecibles-envejecidas más soldables precisamente porque la prima gamma-doble-se forma lentamente durante el envejecimiento, lo que permite realizar soldaduras en estado de solución-recocida sin pre-agrietamiento; Waspaloy, por el contrario, es descrito explícitamente por Special Metals como un material "no fácilmente soldable fuera de circunstancias muy cuidadosamente controladas", propenso a un comportamiento breve en caliente-y al agrietamiento por deformación-envejecimiento, y debe soldarse únicamente en la condición de solución-tratada con todo el componente tratado con solución-después antes del servicio.

Podría decirse que esta es la mayor diferencia práctica entre las dos aleaciones para los fabricantes y talleres de reparación. El agrietamiento por deformación ocurre cuando un precipitado de fortalecimiento que se forma rápidamente desarrolla tensión dentro y alrededor de una zona afectada por el calor de la soldadura-más rápido de lo que el material puede relajarlo, agrietando la junta durante el tratamiento térmico destinado a fortalecerla.

La cinética de precipitación comparativamente rápida de Gamma-prime hace que Waspaloy sea realmente susceptible a este modo de falla, razón por la cual Special Metals recomienda la velocidad de calentamiento práctica más rápida para la solución-temperatura de recocido específicamente para minimizar el tiempo empleado en el rango propenso a la deformación-edad-agrietamiento-, y por qué la resistencia de la soldadura de Waspaloy después del tratamiento térmico es explícitamente menor que la del material forjado-tratado térmicamente. - Special Metals desaconseja directamente colocar soldaduras Waspaloy en lugares de alto-esfuerzo. La formación más lenta de gamma-doble-principal le da al 718 una ventana de procesamiento mucho más amplia y más tolerante exactamente por la misma razón que el 718 muestra un amplio rango de temperatura de acabado-trabajo en caliente-en caliente y tolerante en la forja, como se describe en un artículo complementario de esta serie.

¿Qué aleación es más fácil de mecanizar?

Special Metals identifica explícitamente a Waspaloy como "una de las superaleaciones más difíciles de mecanizar", mientras que el Inconel 718, aunque sigue siendo sustancialmente más difícil de mecanizar que el acero inoxidable, generalmente se considera más mecanizable que las aleaciones reforzadas con gamma-prime-como Waspaloy -, un factor de costo real y acumulativo en las múltiples operaciones de mecanizado que normalmente requiere un disco de turbina terminado.

Las diferencias en maquinabilidad se acumulan a lo largo de toda la secuencia de fabricación de un disco - mecanizado en desbaste después del forjado, mecanizado de acabado después del tratamiento térmico y cualquier retrabajo posterior - de modo que incluso una diferencia moderada por-operación en la vida útil de la herramienta, la velocidad de corte o el acabado superficial alcanzable se convierte en un costo total significativo y un factor de tiempo de entrega-en un disco completo. Esta dificultad de mecanizado está directamente relacionada con la misma fracción de volumen principal de cobalto y gamma-que le da a Waspaloy su elevada-ventaja de resistencia a la temperatura: las propiedades que hacen que la aleación resista la deformación en servicio son en gran medida las mismas propiedades que la hacen resistir la eliminación de material en el taller de mecanizado.

¿Cómo se comparan las dos aleaciones en cuanto a-rango de trabajo en caliente y forjabilidad?

El rango de trabajo en caliente-de Waspaloy (1800-2140 grados F) se encuentra en una banda de temperatura similarmente alta a la del Inconel 718 (1650-2050 grados F), pero Waspaloy presenta modos de falla más agudos en ambos extremos - posible agrietamiento por debajo de 1800 grados F y falta de calor-por encima 2150 grados F y se endurece muy rápidamente, razón por la cual normalmente se requiere un recocido intermedio durante las operaciones de conformado en frío que 718 a menudo puede tolerar con menos interrupciones.

Fuente: Special Metals Corporation, INCONEL aleación 718 y boletines técnicos de Waspaloy (SMC-045 y SMC-011).

¿Cómo se comparan los ciclos de tratamiento térmico-estándar?

El tratamiento térmico estándar de Waspaloy implica un paso adicional 718 que no requiere - un recocido de estabilización entre el tratamiento de solución y el envejecimiento -, lo que hace que el proceso de Waspaloy sea más largo y más secuencial-sensible, consistente con su mayor susceptibilidad al agrietamiento relacionado con la deformación-si el programa no se sigue con precisión.

Fuente: Special Metals Corporation, INCONEL aleación 718 y boletines técnicos de Waspaloy (SMC-045 y SMC-011).

El paso de estabilización intermedia de Waspaloy existe para precipitar los carburos-límites de grano de forma controlada antes de que el paso de envejecimiento desarrolle el fortalecimiento gamma-principal - una opción de secuenciación que reduce la sensibilidad al ataque subsiguiente de los límites-de grano en servicio, pero agrega tiempo de procesamiento real y un punto adicional en el que el cronograma puede equivocarse. Esta es una expresión más del mismo tema subyacente que aparece en este artículo: la retención superior de resistencia a altas temperaturas-de Waspaloy se obtiene a costa de un proceso de fabricación más estrecho, menos indulgente y más secuenciado.

¿El contenido de cobalto crea una consideración de costos y suministro para Waspaloy?

Sí - El contenido de cobalto del 12-15% de Waspaloy es una diferencia genuina y estructural en el costo y la cadena de suministro-del Inconel 718, que esencialmente no contiene nada (1% como máximo); El cobalto es un mercado más pequeño, más concentrado geográficamente e históricamente más volátil-en precios que el níquel, el cromo o el molibdeno, y su presencia en un porcentaje en peso de dos dígitos en Waspaloy no es una nota a pie de página de aleación menor.

Esto no es una afirmación sobre una prima de precio actual específica, que fluctúa con las condiciones del mercado del cobalto y debe confirmarse con las cotizaciones actuales de las fábricas -; es una observación estructural sobre la exposición subyacente al costo del material de las dos aleaciones. Una decisión sobre la especificación del material entre 718 y Waspaloy es, en parte, una decisión sobre qué parte de la base de costos de la pieza terminada debe estar expuesta a la volatilidad del mercado del cobalto en lugar de los mercados comparativamente más estables de níquel, cromo y molibdeno que ambas aleaciones comparten.

¿Qué estándares rigen cada aleación para la adquisición de discos de turbina?

Ambas aleaciones comparten ASTM B637 como barra común y especificación de material de forja-, pero cada una tiene su propia familia distintiva de especificaciones AMS que reflejan sus diferentes-secuencias de tratamiento térmico - El conjunto de especificaciones de Waspaloy separa explícitamente el material-tratado-con solución (AMS 5706, AMS 5708) del material totalmente solución-estabilizada-y-material envejecido (AMS 5704, AMS 5707, AMS 5709), la misma división lógica cubierta para el par AMS 5662/5663 de Inconel 718 en un artículo complementario.

Fuente: Special Metals Corporation, "Productos y especificaciones disponibles", boletines técnicos INCONEL aleación 718 y Waspaloy.

¿Qué aleación debería especificar para una aplicación de disco de turbina?

Especifique Inconel 718 para discos de compresores, discos de ventilador y discos de turbinas de menor-temperatura donde las temperaturas de funcionamiento se mantienen cómodamente por debajo de aproximadamente 600-650 grados, donde el costo de fabricación, la soldabilidad y la maquinabilidad son importantes, y donde la exposición a los costos de mercado del cobalto-es una preocupación; especifique Waspaloy donde el disco tenga una operación sostenida en el rango de 540 a 650 grados y la retención de la resistencia a la fluencia/tensión-ruptura durante largos intervalos de servicio sea el factor determinante del diseño.

Elija Inconel 718 para:Los discos de compresor, ventilador y turbina de menor-temperatura funcionan bien dentro del rango de servicio continuo- del 718.

Elija Inconel 718 para:Discos o hardware que requerirán soldadura, reparación de soldadura o mecanizado extenso como parte de la fabricación.

Elija Inconel 718 para:Programas en los que los costos de material sean más bajos y la menor exposición a la volatilidad de los precios de mercado del cobalto-son prioridades.

Elija Waspaloy para:Discos de turbina y hardware giratorio que funcionan en un rango de aproximadamente 540-650 grados, donde la resistencia sostenida a la fluencia y la tensión-ruptura gobierna la vida útil del disco.

Elija Waspaloy para:Aplicaciones en las que el fabricante cuenta con procedimientos de soldadura cualificados y estrechamente controlados capaces de gestionar la sensibilidad al agrietamiento por deformación-de Waspaloy, o en las que el diseño evita por completo las soldaduras en lugares de alta-tensión.

Elija Waspaloy para:Programas de motores heredados y trabajos de reparación/revisión donde Waspaloy es el material calificado, el retiro-llamado-material y la sustitución no es una opción.

Para las posiciones más calientes del disco de turbina más allá del rango práctico de cualquiera de las aleaciones, tenga en cuenta que tanto 718 como Waspaloy se han complementado sustancialmente en los diseños de motores más nuevos con superaleaciones de pulvimetalurgia gamma-prime/gamma-doble-principal desarrolladas específicamente para aumentar aún más la capacidad de temperatura del disco - un recordatorio de que esta comparación de dos-aleaciones describe una bien-establecida, sigue siendo-una opción relevante, no todo el panorama de materiales de discos de turbinas modernas.

Preguntas frecuentes

P: ¿Waspaloy es más fuerte que Inconel 718?

A: A una temperatura elevada sostenida dentro de su rango operativo compartido, sí, la fase de fortalecimiento gamma-primera gamma{0}} de Waspaloy retiene la capacidad de soporte de carga-de manera más confiable que la fase-doble{5}}principal gamma-de 718, que es propensa a transformarse en una fase delta sin-reforzamiento con el tiempo. A temperatura ambiente, ambas aleaciones se pueden tratar térmicamente hasta alcanzar condiciones de alta resistencia- ampliamente comparables.

P: ¿Waspaloy realmente funciona a temperaturas más altas que Inconel 718?

A: No tanto como se supone comúnmente para los discos de turbina específicamente. La propia literatura de Special Metals limita Waspaloy a 650 grados (1200 grados F) para aplicaciones rotativas críticas como discos, en comparación con el techo de servicio continuo- de 704 grados (1300 grados F) de 718. La capacidad de 870 grados (1600 grados F) frecuentemente citada de Waspaloy se aplica a aplicaciones menos exigentes y no giratorias, no a discos de turbina.

P: ¿Por qué Inconel 718 es más fácil de soldar que Waspaloy?

A: La fase de fortalecimiento gamma-doble-principal de 718 se forma lentamente durante el envejecimiento, por lo que las soldaduras se pueden realizar en la condición de recocido en solución-sin agrietarse durante el tratamiento térmico posterior. La fase primaria gamma-de Waspaloy se forma mucho más rápido, lo que hace que la aleación sea propensa a agrietarse por tensión-envejecimiento; Special Metals afirma que Waspaloy no se puede soldar fácilmente fuera de circunstancias cuidadosamente controladas y debe soldarse únicamente en la condición tratada con solución-, y todo el componente tratado con solución -después.

P: ¿Waspaloy es más caro que Inconel 718?

A: El contenido de cobalto del 12-15% de Waspaloy (en comparación con la química esencialmente libre de cobalto-de 718) es un costo estructural y una diferencia-en la cadena de suministro, ya que el cobalto es un mercado más pequeño y con precios más volátiles que el níquel o el cromo. Combinado con el mecanizado más difícil de Waspaloy y los requisitos de fabricación más exigentes, generalmente conlleva un costo total de entrega más alto, aunque las primas exactas deben confirmarse con los precios actuales del mercado.

P: ¿Se puede utilizar Inconel 718 como sustituto directo de Waspaloy en un disco de turbina?

A: No automáticamente. Si bien el 718 es más fácil y económico de fabricar, su techo continuo-de temperatura de servicio y su elevada-retención de resistencia a la temperatura difieren de los de Waspaloy, y las sustituciones de discos de turbina requieren una recalificación de ingeniería completa respecto de los requisitos de temperatura, estrés y vida útil-de servicio específicos del motor - y no solo un intercambio de materiales-por-similares.

P: ¿Qué aleación es más fácil de mecanizar, Inconel 718 o Waspaloy?

A: El Inconel 718 generalmente se considera más mecanizable. Special Metals describe explícitamente a Waspaloy como una de las superaleaciones más difíciles de mecanizar, una consecuencia directa del mismo contenido de cobalto y la misma fracción de volumen gamma-prima que le otorgan una resistencia superior a temperaturas elevadas-.