Замена Inconel 718: полный анализ материалов-аналогов для винтов и крепежа

Сплав Inconel 718 — эталонный дисперсионно-твердеющий никелевый сплав для высокопрочного крепежа (шпильки, болты, гайки) в турбинах, устьевом оборудовании и химической промышленности, но его цена и длительные производственные циклы металлургических заводов вынуждают искать замену. Ближайший прямой аналог — китайская марка GH4169: составы двух сплавов практически одинаковы, а соответствующие обозначения существуют во французской, немецкой, британской и ISO-системах. Крепеж и прокладки подбирают вместе, поэтому в тот же обзор попадают и фланцевые прокладки, сжимаемые в болтовом соединении.

Сплав Inconel 718 и его аналог GH4169

Сплав 718 — никелевый дисперсионно-твердеющий сплав. Он сохраняет высокий предел текучести, прочность на растяжение и сопротивление ползучему разрушению при температурах до 704 °C. Реакция старения протекает медленно, поэтому при нагреве и охлаждении во время отжига и сварки сплав не твердеет, а свариваемость у него выше, чем у никелевых суперсплавов с добавками алюминия и титана.

Структура сплава чувствительна к режиму горячей обработки. Поставляемые полуфабрикаты: поковки, кованые прутки, катаные прутки, холоднодеформированные прутки, слитки-блины, кольца, листы, полосы, проволока и трубы. Из них изготавливают диски, лопатки, валы, крепеж, пружины, пластинчатые конструкции и корпуса.

• Шпильки, болты, гайки и другой крепеж для высокотемпературной работы.
• Обычно поставляют два класса прочности: по спецификации ASME 718 с пределом текучести 150 ksi и по спецификации NACE 718 с пределом текучести 120 ksi.
• Китайская марка GH4169 (встречается и запись GH169) — прямой структурный аналог; унифицированное обозначение американской марки — UNS N07718.

Аналоги по маркам и химический состав

Один и тот же сплав продают под разными обозначениями в зависимости от системы стандартов, поэтому в заказе и в сертификате на одну партию могут стоять разные названия.

Обозначения одного никель-хром-железо-ниобиевого сплава в национальных системах стандартов.

Химический состав практически одинаков: 50–55 % Ni, 17–21 % Cr, 2.80–3.30 % Mo, 4.75–5.50 % Nb, остальное — Fe; углерод ограничен 0.08 %, марганец — 0.35 %. Реальные различия находятся в интервалах алюминия и титана, а также в пределах по фосфору и сере (0.010 % в сплаве 718 против 0.015 % в GH4169).

Механические свойства и термическая обработка

Типичные механические характеристики пруткового проката и крепежа в состаренном состоянии:

Значения приведены для материала в состаренном состоянии; точные данные подтверждает сертификат завода.

Стандартный режим: растворный отжиг при 1021–1052 °C в течение 1–2,5 часов с последующей закалкой в воде (прутки диаметром менее 3,5 дюйма можно охлаждать на воздухе), затем старение при 774–802 °C в течение 6–8 часов с охлаждением на воздухе. Термообработку обычно проводит завод-изготовитель или под его контролем.

• Максимальная прочность на растяжение и сопротивление ползучему разрушению: 954–982 °C, 1 час, охлаждение на воздухе; затем 718 °C, 8 часов, охлаждение до 621 °C со скоростью 56 °C/час, выдержка 8 часов, охлаждение на воздухе.
• Максимальная прочность на растяжение при комнатной и низкой температуре: 1066 °C, 1–2 часа, затем то же двойное старение при 718 °C и 621 °C.
• Горячая обработка: температура печи не выше 1121 °C, ковка в диапазоне 927–1010 °C, без длительной выдержки в печи.
• Механическая обработка и сварка: хорошо обрабатываются как отожженные, так и состаренные состояния; сваривать можно в любом из них, но околошовная зона размягчается и может деформироваться.

Где применяют крепеж и детали из сплава 718

В нефтегазовой отрасли крепеж из сплава 718 применяют в устьевом оборудовании, противовыбросовых превенторах, клапанах, подвесках труб и высоконагруженных болтовых соединениях трубные фланцы, где сероводород и высокое давление исключают обычные нержавеющие марки.

• Химическая обработка: клапаны, крепеж насосов и реакторов, пружины и валы.
• Авиация и газовые турбины: диски, лопатки, колеса и высокотемпературный крепеж.
• Компоненты жидкотопливных ракетных двигателей и оборудование для контроля загрязнения.
• Ядерные реакторы и криогенные резервуары.
• Устьевое оборудование, противовыбросовые превенторы, клапаны и подвески труб.

Если Inconel 718 дорог или недоступен, практической заменой в тех же типах изделий служит GH4169 — при условии, что в заказе указаны химический состав по UNS N07718 и требуемый режим термообработки. При температурах выше 704 °C упрочняющая фаза меняется и прочность быстро падает, поэтому выходом служит не эквивалент 718, а никелевый сплав, рассчитанный на этот температурный диапазон.

Частые вопросы

Какой материал может заменить Inconel 718?

Прямая замена — китайская марка GH4169 (GH169): интервалы Ni, Cr, Mo и Nb двух сплавов практически совпадают. Обозначения NC19FeNb (Франция), NiCr19Fe19Nb5Mo (Германия) и NA 51 (Великобритания) относятся к этому же сплаву.

Одинаков ли химический состав Inconel 718 и GH4169?

Составы близки, но не идентичны: различаются интервалы алюминия и титана и пределы по фосфору и сере (0.010 % против 0.015 %). Поэтому замену подтверждают сертификатом завода, а не только названием марки.

Какие классы прочности встречаются у крепежа из сплава 718?

Обычно поставляют два: 150 ksi по спецификации ASME 718 и 120 ksi по спецификации NACE 718. В состаренном состоянии сплав имеет прочность на растяжение не менее 150 ksi, предел текучести 120–145 ksi и твердость 30–40 HRC.

Какой режим термообработки обеспечивает максимальную жаропрочность?

Растворный отжиг при 1021–1052 °C с закалкой и старением при 774–802 °C. Для максимальной прочности на растяжение и сопротивления ползучему разрушению применяют закалку с 954–982 °C и двойное старение при 718 °C и 621 °C.

Можно ли сваривать Inconel 718?

Да. Реакция старения протекает медленно, поэтому сплав можно сваривать как в отожженном, так и в состаренном состоянии. Участки, размягченные теплом сварки, могут деформироваться, поэтому сварные детали сверяют с заданным режимом термообработки.