Nconel X-750 Yay Teli: Havacılık ve Enerji Endüstrileri İçin Isıya Dayanıklı Bir Çözüm

600 °C'ye dayanıklı bir yay, otomatik olarak 20 ila 600 °C arasında on binlerce döngüye dayanacak bir yay değildir. İki gereksinim farklı mekanizmalarla başarısız olur. Sabit durum, çökelti ve gevşeme ile sınırlıdır ve döngüsel durum, yayın kaçınamayacağı termal gerilimle sınırlıdır, bu da harici bir yük uygulanmadan önce bir sıcaklık farkını gerilime dönüştürür.

Bu ayrım, havacılık ve enerji endüstrilerinin ortak noktasıdır. Bir uçak motoru yerde rölantiden kalkışa kadar döngü yapar ve bir enerji santrali soğuk çalıştırmadan tam yüke kadar döngü yapar. Her ikisi de yüksek sıcaklık uygulamaları olarak tanımlanır ve her ikisinde de hasar veren olay tutma değil, rampadır. Yalnızca maksimum sıcaklığa karşı seçilmiş bir yay, görevlerinin yarısına karşı nitelendirilmiştir.

Bu sayfa, döngüsel bir uygulamada bir yayın termal tarafını ele almaktadır: termal gerilim nereden gelir, X-750 için ne kadar büyüktür, neden gerçek bir montajın üç özelliğinde yoğunlaşır ve aynı sıcaklığın ürettiği gevşeme ile nasıl birleştiği.

Isıtıldığında serbest kalan bir cisim genleşir ve gerilim oluşturmaz. Kısıtlanmış bir cisim aynı miktarda genleşmek ister ve yapamaz, bu nedenle fark gerinim olur ve gerinim gerilim olur. Bu gerilimin büyüklüğünü üç nicelik belirler ve bunların üçü de X-750 için yayınlanmıştır.

Tamamen kısıtlanmış bir parça için standart tahmin, modülün genleşme katsayısı ve sıcaklık değişimi ile çarpılıp Poisson oranının bir eksiğine bölünmesidir. Oda sıcaklığındaki X-750 özellikleri için bu, harici bir yük eklenmeden önce her kelvin sıcaklık değişimi için yaklaşık 4,1 MPa gerilim verir.

Yukarıdaki rakamlar, alaşım için yayınlanmış modül, genleşme katsayısı ve Poisson oranından hesaplanmıştır ve üç varsayım, sorgulanabilmeleri için belirtilmiştir. Kısıtlama tamdır, bu en kötü durumdur ve gerçek bir montajda nadiren doğrudur. Plastik gevşemenin olmaması, gerilim akmaya ulaştığında doğru değildir. Ve modül oda sıcaklığında alınmıştır, bu da metal ısındıkça modül düştüğü için yüksek sıcaklıktaki gerilimi abartır. Tablonun amacı büyüklük sırasını göstermektir ve büyüklük sırası önemlidir: 200 °C'lik bir sıcaklık değişimi, harici bir yük olmadan tamamen kısıtlanmış X-750'de akmaya ulaşmak için yeterlidir.

Varsayımlar muhafazakar olduğu için gerçek gerilim daha düşüktür ve tasarım tepkisi her iki durumda da aynıdır. Döngüsel bir uygulamadaki bir yay, genleşmesine izin verecek şekilde monte edilmelidir ve genleşme payı bir malzeme özelliği değil, bir çizim özelliğidir.

Sabit sıcaklıkta ölçülen bir yorgunluk eğrisi, o sıcaklıkta tutulan ve mekanik olarak yüklenen bir parçayı tanımlar. Döngüsel bir tesisteki bir yay ikinci bir durumla karşılaşır: sıcaklık tarafından yüklenir ve gerinim aralığı harici bir kuvvetten değil, genleşmeden gelir. İkisi, aynı nominal gerilim genliğinde farklı ömürler üretir, çünkü termal döngü ayrıca malzemeyi kendi mukavemetinin ve sünekliğinin değiştiği bir sıcaklık aralığında hareket ettirir.

Pratik sonuç, üst sıcaklıkta izotermal bir yorgunluk testiyle nitelendirilen bir yayın, iki uç arasındaki bir termal döngü için nitelendirilmediğidir. Görevi tanımlayan test, montajlı donanıma sıcaklık aralığını uygular veya kısıtlamayı tekrarlayan bir rigdeki bir kupona uygular.

Gerçek bir montajda kısıtlama asla düzgün değildir ve termal gerilim, yayın tutulduğu yerde yoğunlaşır. Üç özellik vakaların çoğunu oluşturur ve her birinin malzeme değişikliğinden daha az maliyetli bir tasarım tepkisi vardır.

Kılavuz çubuğu durumu, metalurjik bir nedene sahip olmayan bir arızaya neden olan durumdur. Soğukken doğru olan bir yay, sıcakken kılavuzuna bağlanabilir ve halka daha sonra telin taşımak üzere tasarlanmadığı bir gerilimde katı bir sütun gibi davranır. Bunu önleyen boşluk, ortalama çapa, genleşme katsayısına ve sıcaklık artışına bağlı bir fonksiyondur ve çizimde bir boyuttur.

Sıcak döngüsel bir uygulama, gevşeme ve termal yorgunluk arasında seçim yapmaz. Her ikisini de uygular ve ikisi de tek birinden daha kısa bir ömürle etkileşir. Gevşeme, tutma sırasında yükü kaldırır, bu nedenle yay her döngüde daha alçakta oturur ve daha düşük konum, bir sonraki termal rampanın ürettiği gerilim durumunu değiştirir. Termal yorgunluk daha sonra, gerilimi zaten gevşeme ile yeniden dağıtılmış bir kesitte bir çatlak başlatır.

Sıra da önemlidir. İlk tutma sırasında hızla gevşeyen bir yay, ön yükü kaybeder ve daha sonra daha düşük bir gerilimde döngü yapar, bu da yükünü tutan ve tasarım geriliminde döngü yapan bir yaydan daha az zarar verici olabilir. Bu nedenle, yalnızca bir gevşeme rakamının döngüsel bir parçanın ömrünü tahmin etmemesinin ve yalnızca gevşeme yüzdesini teklif eden bir tedarikçinin farklı bir soruyu yanıtlamış olmasının nedeni budur.

Malzeme tepkisi, üreticinin sabit durum için tanımladığı tepkidir. Üçlü işlem, 1.149 °C'de bir çözelti tavlaması, ardından 843 °C'de 24 saat stabilize edici bir tutma ve 704 °C'de 20 saat bir çökelme işlemi, 593 °C'nin üzerindeki hizmetler için önerilir, burada yükler sabittir ve bu bantta maksimum sürünme ve gevşeme mukavemetini verir. Üst sıcaklıkta zaman geçiren döngüsel bir parça o durumda olmalıdır, çünkü tutma gevşemenin biriktiği yerdir.

X-750, çalışma aralığında yaklaşık 7,8 x 10^-6 inç/inç/°F genleşme katsayısı, oda sıcaklığı ile 538 °C arasında 31,0 ila 25,0 x 10³ ksi'ye düşen bir modül ve 704 °C'ye kadar kullanışlı mukavemet sağlar. Bunlar, onu uygulamaya yerleştiren sayılardır. Termal gerilimi ortadan kaldırmazlar ve hiçbir alaşım kaldırmaz.

Tasarımın sağlaması gereken şey genleşme özgürlüğüdür. Bu üç biçim alır: yayın eksenel olarak büyümesine izin veren bir montaj, üst sıcaklıkta hesaplanan kılavuzdaki radyal boşluk ve genleşmesi yaya yeterince yakın olan bir yuva malzemesi. Her üç bakımdan da doğru olan bir yay, rijit bir montajdaki daha iyi bir alaşımdan daha uzun ömürlü olacaktır.

Daha düşük genleşmeli bir malzeme ile karşılaştırma bir kez belirtilmeye değer. Ferritik veya martensitik bir çelik, X-750'den yaklaşık %50 daha fazla, yani °F başına kabaca 11 ila 12 x 10^-6 genleşir, bu nedenle o çelikte kısıtlanmış bir montaj, aynı sıcaklık değişimi için yaklaşık %50 daha fazla termal gerilim geliştirir. Nikel alaşımı, sıcaklıktaki mukavemeti ve oksidasyon direnci için seçilir ve daha düşük genleşmesi, en çok rijit kısıtlanmış bir tasarımda önemli olan ikincil bir faydadır.

Yaylar için tel, No. 1 tavında AMS 5698 ve yay tavında AMS 5699 tarafından kapsanır. Çubuk ve dövmeler AMS 5667, 5668, 5670, 5671 ve 5747, sac ve plaka AMS 5542 ve 5598, ve dikişsiz boru AMS 5582 tarafından kapsanır. Bileşim, minimum %70,00 nikel artı kobalt, %14,0 ila 17,0 krom, %5,0 ila 9,0 demir, %2,25 ila 2,75 titanyum ve %0,40 ila 1,00 alüminyum, %0,70 ila 1,20 niyobyum artı tantal ile.

Belge, form ve ısıl işlem formunu takip eder ve bir yay dükkanının çubuk spesifikasyonunu tel spesifikasyonu yerine koyması, formu olduğu kadar durumu da değiştirmiştir. Tel belgelerindeki yaşlandırma işlemi tel için, çubuk belgelerindeki işlem ise çubuk için yazılmıştır ve alaşım aynı olsa bile ikisi birbirinin yerine geçemez.

Altı öğe termal görevi tanımlar ve ilk üçü, oda sıcaklığındaki bir çizimin dışarıda bıraktığı öğelerdir.

DLX, Changzhou, Jiangsu'da Inconel X-750'yi 0,025 mm'den tel, 50 mm'ye kadar yuvarlak çubuk, 0,50 mm ila 2,5 mm kalınlığında şerit ve standart mil boyutlarında boru ve plaka olarak tedarik eder. Malzeme, siparişte belirtilen AMS spesifikasyonuna karşı, talep üzerine EN 10204 3.1 sertifikası ve test sonuçlarına izlenebilir ısı numarası ile tedarik edilir.

Bir teklifi belirleyen soru, maksimum sıcaklık değil, termal döngüdür. 600 °C'de tutulan bir yay ve 20 ila 600 °C arasında döngü yapan bir yay, aynı alaşım için farklı siparişlerdir, çünkü ilki gevşeme ile, ikincisi ise montajın gideremeyeceği gerilimle sınırlıdır.

Hayır. Isıya dayanıklı bir alaşım, malzemenin üst sıcaklıkta mukavemetini koruyup korumadığı sorusunu yanıtlar. Döngüsel bir uygulama ayrıca, parça kısıtlandığında ve sıcaklık değiştiğinde gerilimin ne olacağını sorar ve bu cevap genleşme katsayısı, modül ve montajdan gelir. Daha düşük genleşmeli ve daha düşük mukavemetli bir alaşım, rijit bir montajda daha güçlü bir alaşımdan daha iyi performans gösterebilir.

Sıcaklık değişimi başına yaklaşık 4,1 MPa, 31,0 x 10³ ksi modül, yaklaşık 14 x 10^-6 /°C genleşme katsayısı ve 0,29 Poisson oranı yayınlanmış değerlerinden hesaplanmıştır. Bu nedenle 200 °C'lik bir değişim, tam kısıtlamada yaklaşık 810 MPa'ya ulaşır, bu da yaşlandırılmış malzemenin akma dayanımına denk gelir. Gerçek değer, hiçbir montajın tam olarak kısıtlanmamış olması ve modülün metal ısındıkça düşmesi nedeniyle daha düşüktür ve hesaplama, tasarım gerilimini değil, büyüklük sırasını göstermek için kullanılır.

Evet, ve bu yüzden önemlidir. Termal gerilim, harici yük uygulanmadan önce parçada görünür, bu nedenle halka, mekanik gerilimin zaten en yüksek olduğu iç çapta ikisinin toplamını görür. Yay gerilimini oda sıcaklığında ve termal gerilimi ayrı ayrı kontrol etmiş bir tasarım, arızaya neden olan durumu kontrol etmemiştir.

Ortalama çap sıcaklıkla büyürken, farklı bir malzeme ise kılavuz farklı miktarda büyür. 20 °C'de yeterli olan bir boşluk 600 °C'de kapanabilir ve halka daha sonra telin tasarlanmadığı bir gerilimde katı bir sütun gibi davranır. Boşluk, her iki malzemenin genleşme katsayısı kullanılarak üst sıcaklıkta hesaplanmalıdır.

Evet, parçanın aralığın üst kısmında zaman geçirdiği yerlerde. Üretici, üçlü işlemi 593 °C'nin üzerindeki hizmetler için sabit yüklerle önerir ve bu bantta maksimum sürünme ve gevşeme mukavemetini verdiği şeklinde tanımlar. Döngüsel bir parça, bekleme sırasında gevşeme biriktirir, bu nedenle üst sıcaklıkta gevşemeye direnen işlem, ömrü koruyan işlemdir.

Gerinim kaynağı. İzotermal bir test, sabit bir sıcaklıkta mekanik bir yük uygular ve termal yorgunluk testi, kısıtlanmış bir parçaya bir sıcaklık aralığı uygular. İkisi, aynı nominal gerilim genliğinde farklı ömürler üretir, çünkü termal döngü ayrıca malzemeyi mukavemetinin ve sünekliğinin değiştiği bir aralıkta hareket ettirir ve gerinim harici bir kuvvetten değil, kısıtlamadan gelir.

Isı direnci bir malzeme özelliğidir ve termal döngü bir tasarım koşuludur. X-750, 704 °C'ye kadar kullanışlı mukavemet, oda sıcaklığında 31,0 x 10³ ksi modül ve çalışma aralığında yaklaşık 7,8 x 10^-6 inç/inç/°F genleşme katsayısı ile özelliği sağlar. Tasarım geri kalanını sağlar ve geri kalan, yuva üzerindeki genleşme özgürlüğü, kılavuzdaki radyal boşluk ve genleşmesi yaya yakın kalan bir yuva malzemesidir.

Tamamen kısıtlanmış bir parça, kelvin başına yaklaşık 4,1 MPa geliştirir, bu da 200 °C'lik bir değişimde yaşlandırılmış malzemenin akma dayanımına ulaşır. Hiçbir montaj tam olarak kısıtlanmamıştır ve modül sıcaklıkla düşer, bu nedenle gerçek gerilim daha düşüktür. Sonuç, kesin sayıya bağlı değildir: döngüsel bir uygulamadaki bir yay, montajın gideremeyeceği gerilimle sınırlıdır ve bu sınır çizimde belirlenir.

Special Metals teknik bülteni INCONEL alaşım X-750, yayın no. SMC-067. UNS numarası N07750 ve Werkstoff numarası 2.4669, minimum %70,00 nikel artı kobalt ve %14,0 ila 17,0 krom bileşim sınırları, 70 ila 800 °F arasında 7,8 x 10^-6 inç/inç/°F ortalama doğrusal genleşme, 70 °F'de 31,0 x 10³ ksi ve 1.000 °F'de 25,0 x 10³ ksi elastisite modülü, 0,29 Poisson oranı, 704 °C'ye kadar kullanışlı mukavemet, 1.149 °C, 843 °C'de 24 saat ve 704 °C'de 20 saat üçlü işlem, bu rotanın 593 °C'nin üzerinde maksimum sürünme, gevşeme ve kırılma mukavemeti sağladığı ifadesi ve formlara göre ürün spesifikasyonları için kaynak.

AMS 5698 ve AMS 5699, No. 1 ve yay tavlarındaki nikel alaşımı X-750 teli için havacılık malzeme spesifikasyonları.

AMS 5667, 5668, 5670, 5671 ve 5747, nikel alaşımı X-750 çubuk, dövme ve halkalar için havacılık malzeme spesifikasyonları.

AMS 5542 ve AMS 5598, nikel alaşımı X-750 sac, şerit ve plaka için havacılık malzeme spesifikasyonları.

AMS 5582, nikel alaşımı X-750 dikişsiz boru için havacılık malzeme spesifikasyonu.

ASTM E2368, gerinim kontrollü termomekanik yorgunluk testi için standart uygulama, bir termal yorgunluk sonucu için yöntem referansı olarak.

ASTM E606, gerinim kontrollü yorgunluk testi için standart test yöntemi, izotermal karşılaştırma için yöntem referansı olarak.

EN 10204, denetim belgeleri, 3.1 sertifikasının gerçek test sonuçlarını içeren ve üreticinin bağımsız denetim temsilcisi tarafından onaylanmış bir belge olarak tanımı.

Bu sayfadaki termal gerilim değerleri, alaşım için yayınlanmış fiziksel sabitlerden, metinde belirtilen tam kısıtlama, elastik davranış ve oda sıcaklığı modülü varsayımlarıyla hesaplanmıştır ve bunlar tasarım gerilimleri değil, büyüklük sırası tahminleridir. Gerçek bir montaj kısmen kısıtlanmıştır, yerel olarak akmaya uğrar ve oda sıcaklığı değerinin altında bir modülde çalışır, bu nedenle ölçülen gerilim hesaplanandan daha düşüktür ve bir tasarım analiz veya test ile doğrulanmalıdır. Genleşme katsayıları, belirtilen bir aralık üzerindeki ortalama değerlerdir ve dar bir aralığa bağlı bir tasarım, o aralık için verileri kullanmalıdır. Yorgunluk ve gevşeme sonuçları, gerinim aralığına, sıcaklığa, yüzeye ve ısıl işleme bağlıdır, bu nedenle bir koşul için yayınlanmış bir eğri diğerini tahmin etmez. Ürün spesifikasyonları revize edilir ve satın alma siparişinde belirtilen baskı geçerlidir. Bu sayfadaki hiçbir şey mühendislik sürümü veya alıcı ve tedarikçi arasında anlaşılan yeterlilik testi yerine geçmez.