Tubo Inconel 718 (UNS N07718): Endurecimento por Precipitação, AMS 5663 e o Envelope de Serviço

Inconel 718 é a rara liga de níquel cuja resistência não existe até que o tratador térmico a crie. Na condição recozida é um material modesto da classe 1000 MPa; após o tratamento de precipitação em duas etapas, atinge tração mínima de 1.270 MPa com rendimento acima de 1.030 MPa, e essa diferença é a razão pela qual a liga é especificada em máquinas rotativas e equipamentos de pressão.

O que é Inconel 718

Inconel 718 (UNS N07718, EN 2.4668)é uma liga de níquel-cromo-ferro endurecível por precipitação reforçada por duas fases intermetálicas: gama dupla prime (g″, Ni3Nb) como fase primária de endurecimento e gama prime (g′, Ni3(Al,Ti)) como fase secundária.

A liga é incomum entre as superligas de níquel porque sua resposta ao envelhecimento é lenta, o que é exatamente o que a torna soldável sem as rachaduras que afetam as ligas de envelhecimento rápido, como X-750. Ele mantém alta resistência em temperaturas criogênicas de até cerca de 650 graus (1200 graus F), que é o envelope de trabalho que a maioria das folhas de dados cita para serviço de longo prazo.

Composição Química

A composição abaixo é o envelope de aceitação padrão usado pela AMS 5662/AMS 5663 e ASTM B637 para barras e peças forjadas. O nióbio é o elemento definidor: ele forma o precipitado gama duplo Ni3Nb durante o envelhecimento, e seu alcance é rigorosamente controlado porque muito pouco nióbio reduz a resposta de endurecimento, enquanto muito promove a segregação e a fase Laves. O ferro não é uma impureza aqui, mas um elemento de equilíbrio deliberado que retarda a resposta ao envelhecimento e melhora a fabricação.

O mecanismo de precipitação: por que o tratamento térmico cria força

Na condição recozida, o Inconel 718 é uma liga de solução sólida com resistência moderada, tensão mínima de aproximadamente 1030 MPa na condição AMS 5662.

O tratamento térmico de precipitação leva a liga a uma resistência mínima de 185 ksi (1276 MPa) porque força duas coisas a acontecerem na microestrutura: os átomos de nióbio, titânio e alumínio, que são dissolvidos na matriz após o tratamento em solução, saem da solução como partículas de Ni3Nb e Ni3(Al,Ti) em escala nanométrica; e essas partículas fixam o movimento de discordância que de outra forma permitiria a deformação plástica.

O ciclo de envelhecimento em duas etapas existe porque as duas fases respondem a temperaturas diferentes: a primeira etapa a 1325 graus F nuclea a fase g″, e a segunda a 1150 graus F permite que ela cresça até o tamanho que proporciona o equilíbrio ideal entre resistência e tenacidade. Pular ou encurtar qualquer uma das etapas deixa a liga pouco endurecida, e é por isso que os registros de tratamento térmico são mais importantes para o 718 do que para quase qualquer outra liga de níquel.

Condições de entrega: AMS 5662, AMS 5663 e AMS 5664

Três condições da AMS dominam a aquisição de barras, peças forjadas e tubos de Inconel 718. Eles têm a mesma química; a diferença é inteiramente o estado do tratamento térmico, e cada um tem uma função diferente na cadeia de abastecimento.

Para tubulações e equipamentos sob pressão a lógica de aquisição é: solicitar o AMS 5662 quando a peça precisar ser usinada ou dobrada primeiro e endurecida depois, e solicitar o AMS 5663 quando a peça for entregue na condição final.

Um erro comum de fornecimento é solicitar tubo AMS 5663 e depois usinar ou dobrar a frio internamente, o que endurece e pode distorcer uma peça que já estava com resistência total; a rota correta para peças usinadas a partir do bruto é AMS 5662 seguida por um ciclo de envelhecimento controlado.

Rota de Tratamento Térmico

O ciclo padrão de endurecimento por precipitação de acordo com AMS 5663 é um tratamento em duas etapas. O tratamento em solução antes do envelhecimento dissolve os elementos endurecedores e fixa o tamanho do grão; as etapas de envelhecimento nucleam e aumentam os precipitados.

A rota 1325/1150 graus F é o padrão AMS. Uma observação para os fabricantes: a liga apresenta uma contração de cerca de 0,0008 pol./pol. após o endurecimento por precipitação, portanto, as dimensões usinadas com precisão devem ser definidas antes do envelhecimento ou a contração contabilizada na margem de usinagem.

Dados Físicos e Mecânicos

A tabela abaixo combina as constantes físicas com comportamento mecânico representativo à temperatura. Os mínimos de temperatura ambiente são contratuais, os valores de temperatura elevada são valores típicos para orientação de projeto.

Comportamento criogênico e de alta temperatura

A mesma estrutura de precipitação que dá ao 718 sua resistência à temperatura ambiente é estável até aproximadamente 650 graus, razão pela qual a liga mantém resistência à tração e à fluência utilizável na faixa de turbina e fundo de poço. As propriedades envelhecidas típicas a 650 graus ainda mostram cerca de 1100 MPa de tração, e o desempenho de ruptura por tensão é a razão pela qual 718 é a liga de hardware rotativo padrão.

Na outra extremidade do envelope, a matriz austenítica não tem transição dúctil para frágil, de modo que a liga é amplamente utilizada em tanques criogênicos e válvulas até temperaturas de hidrogênio líquido. Esta combinação, alta resistência em ambos os extremos de temperatura com soldabilidade intermediária, é a razão pela qual nenhuma outra liga de níquel corresponde à sua contagem de especificações na indústria aeroespacial e de petróleo e gás.

Soldagem e Fabricação

Inconel 718é soldado com carga à base de níquel correspondente na classe ERNiFeCr-2 (AWS A5.14), a familiar família de cargas Inconel 718. A liga pode ser soldada na condição recozida ou envelhecida; a resposta ao envelhecimento lento significa que a zona afetada pelo calor não racha após a soldagem, como acontece com as ligas de envelhecimento rápido.

Quando soldado na condição recozida e depois envelhecido, o metal de solda desenvolve uma grande parte da resistência do metal base, razão pela qual as soldagens são normalmente projetadas como material AMS 5662 mais um ciclo de envelhecimento pós-soldagem. A conformação a frio é simples na condição recozida; o material envelhecido é forte o suficiente para que a formação seja feita antes do endurecimento por precipitação. As notas de usinagem refletem as outras ligas de níquel: configuração rígida, avanço positivo e ferramentas afiadas para evitar o endurecimento por trabalho.

Padrões e formulários de produtos

Aplicativos

• Aeroespacial: discos de turbina, pás de compressores, eixos de motores, carcaças e fixadores
• Motores de foguete: turbobombas, carcaças, componentes de empuxo
• Petróleo e gás: ferramentas de fundo de poço, carcaças MWD/LWD, eixos de bombas, válvulas de segurança, componentes de cabeça de poço de acordo com NACE MR0175 / API 6A CRA
• Criogênico: tanques de GNL e hidrogênio, válvulas, tubulação de transferência
• Nuclear: componentes internos do reator e componentes da haste de controle
• Industrial: molas, fixadores, matrizes e ferramentas de alta temperatura

Erros comuns de aquisição

• Encomendar tubo AMS 5663 e usiná-lo internamente, perdendo a condição envelhecida na superfície usinada
• Supondo que todos os certificados 718 sejam iguais: a condição (recozido versus envelhecido) deve ser declarada no pedido
• Ignorando a segunda etapa de envelhecimento a 1150 graus F, o que deixa a liga pouco endurecida
• Ignorando a contração de envelhecimento de 0,0008 pol./pol. em dimensões de precisão
• Usando uma carga de classe 625 em 718, que altera a química do metal de solda e reduz a resistência ao envelhecimento

Perguntas frequentes

P: Qual é a diferença entre AMS 5662 e AMS 5663 Inconel 718?
AMS 5662 é a condição recozida em solução com tensão mínima de aproximadamente 1.034 MPa; AMS 5663 é o mesmo material endurecido por precipitação com resistência mínima de 1276 MPa. Encomende 5662 para usinagem e conformação e depois envelheça; encomende 5663 para peças prontas para serviço.

P: Como o Inconel 718 é endurecido?
Por uma idade em duas etapas: 8 horas a 718 graus (1325 graus F), depois resfrie o forno a 621 graus (1150 graus F) para um tempo total de envelhecimento de 18 horas e depois resfrie ao ar. O tratamento precipita as fases Ni3Nb (g″) e Ni3(Al,Ti) (g′) que fixam as luxações.

P: Que temperatura o Inconel 718 pode suportar?
Serviço de longo prazo até cerca de 650 graus (1200 graus F), com bom desempenho criogênico até -250 graus. Acima de 650 graus, o excesso da fase g ″ e a resistência caem.

P: O Inconel 718 é soldável?
Sim, o que é incomum para uma liga de níquel endurecida por precipitação, porque sua resposta ao envelhecimento é lenta. Use enchimento ERNiFeCr-2; solde na condição recozida e envelheça depois para obter resistência de solda próxima ao metal base.

P: Quais padrões cobrem o Inconel 718?
ASTM B637 (barras e forjados), ASTM B670 (placas), AMS 5662/5663/5664 (condições aeroespaciais), além de variantes NACE MR0175/ISO 15156 e API 6A CRA para petróleo e gás.

P: O Inconel 718 pode ser usado em serviços ácidos?
Sim, a 718 é uma das poucas ligas de alta resistência listadas na NACE MR0175/ISO 15156 para ambientes ácidos, com limites de dureza que devem ser verificados no certificado