Fil de ressort Inconel X-750 à haute résistance améliorant les performances dans des environnements extrêmes

Un alliage peut être immunisé dans une eau et vulnérable dans une autre, avec la même composition et le même nom de nuance, car la variable qui décide est la température à laquelle l'eau rencontre le métal. L'Inconel X-750 résiste à la fissuration par corrosion sous contrainte induite par les ions chlorure, même dans l'état entièrement durci par précipitation, ce qui est une propriété publiée et inhabituelle. Le même alliage, dans de l'eau de haute pureté à 288 °C dans des conditions de réacteur à eau bouillante, présente une susceptibilité documentée à la fissuration par corrosion sous contrainte qui dépend du traitement thermique qu'il a reçu.

Cette paire d'énoncés est le sens honnête de l'expression environnements extrêmes. Ce n'est pas une condition et ce n'est pas un superlatif. C'est un ensemble de bandes de température et de chimie, et un alliage qui fonctionne bien dans l'une d'elles peut être le mauvais choix dans la suivante, sans changement du nom de nuance sur le certificat.

Cette page présente les quatre bandes qui importent pour un ressort X-750, le mécanisme qui régit chacune d'elles, et la seule décision de traitement thermique qui en améliore deux à la fois. La séquence de fabrication d'un ressort, y compris le revenu du fil, le traitement de vieillissement et le changement dimensionnel après enroulement, est un sujet distinct et n'est pas répété ici.

Le tableau sépare les environnements par le mécanisme qui limite la pièce dans chacun d'eux. Un ressort peut être correctement spécifié pour une bande et incorrectement spécifié pour la suivante, et la spécification qui couvre les quatre est un ensemble de conditions et non un nom de nuance.

Deux rangées de ce tableau sont contre-intuitives et sont la raison d'être de cette page. La rangée des chlorures aqueux indique que l'alliage est exceptionnellement bon, ce que la plupart des acheteurs attendent. La rangée de l'eau à haute température indique que le même alliage présente un mécanisme de fissuration dans un liquide qui ne contient aucun chlorure, ce que la plupart des acheteurs n'attendent pas. La différence entre les deux rangées est la température et la pureté, et ni l'une ni l'autre n'apparaît dans un nom de nuance.

Le X-750 conserve des propriétés utiles à température cryogénique, et la raison mécanique est qu'une matrice de nickel cubique à faces centrées ne subit pas la transition ductile-fragile qui limite les aciers ferritiques. L'alliage est utilisé dans les réservoirs cryogéniques et le matériel de moteur de fusée, qui sont des applications où le matériau est censé supporter une charge à des températures bien inférieures au point de congélation.

Le problème du ressort à l'extrémité froide n'est pas la fracture fragile. C'est la précharge. Un ressort installé à température ambiante puis refroidi change son taux pour deux raisons : le module augmente à mesure que la température baisse, et le ressort et son logement se contractent différemment s'ils sont faits de matériaux différents. Le producteur donne une expansion linéaire moyenne de 6,5 x 10^-6 in/in/°F de 70 °F à -250 °F, contre 8,1 x 10^-6 à 1 000 °F, donc le coefficient lui-même change avec la température et une seule valeur à température ambiante ne décrira pas l'extrémité froide.

L'instruction pratique est qu'un ressort pour une application froide doit être conçu à la température froide et vérifié à l'ambiante, pas l'inverse. Un ressort correct à 20 °C puis refroidi à -196 °C délivre une charge plus élevée que celle supposée par le dessin, car le module a augmenté tandis que la géométrie s'est contractée. Si cette charge est importante pour l'assemblage, la condition froide est le cas de conception.

À l'extrémité chaude, le producteur donne trois chiffres qui sont souvent regroupés en un seul, et ce regroupement cause la plupart de la confusion concernant cet alliage. L'alliage est utilisé pour sa résistance jusqu'à 704 °C. Il est résistant à l'oxydation jusqu'à 982 °C. Le matériau traité thermiquement a une résistance utile jusqu'à 982 °C. Le premier chiffre est un plafond de précipitation, le second est une propriété de surface, et le troisième est une déclaration de charge à court terme.

Au-dessus de 704 °C, une grande partie de l'effet de l'écrouissage par précipitation est perdue, de sorte qu'une pièce qui dépendait du précipité gamma prime pour sa résistance n'a plus cette résistance. La résistance à l'oxydation continue au-delà de ce point car c'est une propriété de l'échelle d'oxyde de chrome et non du précipité, c'est pourquoi les deux chiffres diffèrent. La résistance utile jusqu'à 982 °C décrit une pièce qui peut supporter une charge brièvement à cette température, et ne décrit pas un ressort qui doit maintenir une déformation pendant des années.

Un ressort se situe à l'extrémité conservatrice des trois chiffres. Le producteur donne une plage allant de sub-zéro à 649 °C pour les ressorts et les fixations, ce qui est inférieur au plafond de résistance de 704 °C, car un ressort est jugé par la charge qu'il conserve après une longue période à température et non par un résultat de traction à court terme.

Les deux rangées aqueuses du premier tableau méritent d'être lues ensemble, car elles décrivent le même alliage dans l'eau et parviennent à des conclusions opposées. Le producteur déclare que le X-750 a une haute résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte induite par les ions chlorure, même dans l'état entièrement durci par précipitation. C'est une déclaration forte, car la plupart des alliages à haute résistance perdent leur résistance à la SCC à mesure qu'ils gagnent en résistance, et cela explique pourquoi l'alliage apparaît dans les services chimiques contenant des chlorures et dans le matériel marin.

La littérature des réacteurs décrit un cas différent. Dans l'eau de haute pureté à 93 °C et à 288 °C dans des conditions de réacteur à eau bouillante, l'alliage X-750 a une susceptibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte intergranulaire qui a été mesurée, et les résultats dépendent fortement de la condition de traitement thermique de l'échantillon. Le liquide dans ce test ne contient pas de chlorure, donc le mécanisme décrit par la déclaration sur le chlorure n'est pas celui qui opère. La fissuration est intergranulaire et suit les joints de grains que le traitement thermique a laissés dans un état susceptible.

La lecture pratique n'est pas que la déclaration du producteur est fausse et la littérature est juste. Les deux sont correctes dans leur propre environnement, et un acheteur qui transporte l'une d'elles dans l'autre environnement a fait une erreur de transfert. Une spécification de chlorure et une spécification de liquide de refroidissement de réacteur sont deux spécifications différentes qui nomment par hasard le même alliage.

Le traitement thermique que le producteur recommande pour le haut de la plage de température est également celui que la littérature des réacteurs associe à une meilleure résistance à la fissuration, ce qui est une coïncidence utile et pas une coïncidence du tout. Le traitement triple est un recuit de solution à 1 149 °C, un maintien de stabilisation à 843 °C pendant 24 h, et un traitement de précipitation à 704 °C pendant 20 h.

Le producteur recommande cette voie pour un service supérieur à 593 °C, en particulier lorsque les charges sont soutenues pendant de longues périodes, et la décrit comme donnant une résistance maximale au fluage, à la relaxation et à la rupture dans cette bande. Les travaux sur les matériaux de réacteur décrivent la même condition de traitement à haute température que celle évaluée pour la susceptibilité à la fissuration, et rapportent les résultats par condition car la condition change la réponse.

Le mécanisme qui relie les deux est le joint de grain. Le maintien de stabilisation permet au carbone de l'alliage de se combiner avec le niobium et le titane sous forme de carbures à l'intérieur des grains et non aux joints, ce qui laisse les joints moins appauvris en éléments qui résistent à la corrosion. Un joint laissé dans cet état est plus résistant à l'attaque intergranulaire que produit l'environnement du réacteur, et c'est aussi un joint qui conserve sa résistance au fluage à température. Un traitement, deux avantages, et un acheteur qui sélectionne le vieillissement court pour sa résistance à température ambiante plus élevée renonce aux deux.

Un ressort qui fonctionne dans la bande chaude a donc un traitement thermique qui sert les deux exigences, et un ressort qui fonctionne à température modérée a un traitement différent qui maximise la résistance. L'erreur à éviter est de transporter le traitement à température modérée dans la bande chaude parce qu'il a produit un résultat de traction plus élevé sur le certificat.

Deux des environnements qui endommagent un ressort à haute résistance sont introduits après la sélection de l'alliage. Le premier est l'hydrogène provenant du placage. Un ressort qui est électrodéposé pour l'usure ou l'apparence peut absorber de l'hydrogène à la cathode, et un alliage de nickel à haute résistance a peu de capacité à l'accommoder sans perte de ductilité. Les directives publiées pour les pièces à haute résistance sont que le placage nécessite un contrôle du processus et un traitement de cuisson ultérieur, et l'exigence doit figurer sur le bon de commande et non dans le manuel de l'atelier de placage.

Le second est l'acide utilisé pour le nettoyage et le décapage. Un acide de décapage génère de l'hydrogène à la surface du métal de la même manière que le placage, et un ressort qui a été décapé et non cuit présente le même risque qu'un ressort plaqué et non cuit. Le risque est proportionnel à la résistance, de sorte qu'un fil de revenu de ressort au sommet de sa plage de résistance est plus exposé que le même alliage dans une condition plus douce.

Le troisième est mécanique et non chimique. Une bobine qui a été corrigée par déformation à froid après formage présente des contraintes résiduelles qui n'étaient pas dans la conception, et ces contraintes s'ajoutent aux contraintes de service à l'intérieur de la bobine où le total est déjà le plus élevé. La correction est invisible sur le rapport dimensionnel et apparaît plus tard sous forme de fissure au diamètre intérieur de la bobine.

La nuance est couverte par les documents sur le fil AMS 5698 et AMS 5699, par les documents sur les barres et les pièces forgées AMS 5667, 5668, 5670, 5671 et 5747, et par les documents sur les tôles et tubes AMS 5542, 5598 et 5582. La composition est de 70,00 % minimum de nickel plus cobalt, 14,0 à 17,0 % de chrome, 5,0 à 9,0 % de fer, 2,25 à 2,75 % de titane et 0,40 à 1,00 % d'aluminium, avec 0,70 à 1,20 % de niobium plus tantale.

L'environnement doit être décrit dans les termes utilisés par les mécanismes, et six éléments le font.

DLX fournit l'Inconel X-750 à Changzhou, Jiangsu, en fil à partir de 0,025 mm, en barre ronde jusqu'à 50 mm, en bande de 0,50 mm à 2,5 mm d'épaisseur, et en tube et plaque dans les tailles standard du laminoir. Le matériau est fourni conformément à la spécification AMS indiquée sur la commande, avec un certificat EN 10204 3.1 sur demande et le numéro de lot traçable aux résultats des tests.

La question qui décide d'un devis est l'environnement et non le nom de la nuance. Un ressort pour une vanne cryogénique, un ressort pour un joint à 600 °C, et un ressort pour une pompe contenant des chlorures sont trois commandes différentes pour le même alliage, et le traitement thermique et l'état de surface diffèrent entre elles.

Oui, et le producteur le déclare directement : l'alliage a une haute résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte induite par les ions chlorure, même dans l'état entièrement durci par précipitation. C'est inhabituel pour un alliage à haute résistance et c'est l'une des raisons pour lesquelles la nuance apparaît dans les services contenant des chlorures. La déclaration s'applique à l'eau contenant des chlorures à température modérée et ne doit pas être transférée à l'eau de haute pureté à température de réacteur, où un mécanisme différent opère.

Parce que le mécanisme est intergranulaire et qu'il suit les joints de grains et non le chlorure. Dans l'eau de haute pureté à 93 à 288 °C dans des conditions de réacteur à eau bouillante, le X-750 a une susceptibilité mesurée à la fissuration par corrosion sous contrainte intergranulaire, et les résultats publiés dépendent fortement de la condition de traitement thermique de l'échantillon. L'espèce agressive à la pointe de la fissure n'est pas le chlorure, et la chimie du joint produite par le traitement thermique est ce qui fait la différence.

Le traitement triple : recuit de solution à 1 149 °C, stabilisation à 843 °C pendant 24 h, et précipitation à 704 °C pendant 20 h. Le producteur le recommande pour un service supérieur à 593 °C où les charges sont soutenues, et le décrit comme donnant une résistance maximale au fluage, à la relaxation et à la rupture dans cette bande. Il laisse également les joints de grains dans la condition que la littérature des réacteurs associe à une meilleure résistance à la fissuration, donc un choix sert les deux exigences.

Oui. Le producteur déclare d'excellentes propriétés jusqu'aux températures cryogéniques, et l'alliage apparaît dans les réservoirs cryogéniques et le matériel de fusée. Le problème du ressort à l'extrémité froide est la précharge et non la ténacité, car le module augmente à mesure que la température baisse et que le ressort se contracte par rapport à son logement, de sorte qu'un ressort conçu à 20 °C délivre une charge plus élevée lorsqu'il est froid.

Seulement avec un contrôle du processus et une cuisson après placage. L'électrodéposition génère de l'hydrogène à la cathode, et un alliage de nickel à haute résistance a une capacité limitée à l'absorber sans perte de ductilité. Les directives publiées pour les pièces à haute résistance sont que le placage et la cuisson ultérieure font partie de la spécification. Le décapage présente le même risque, car il génère de l'hydrogène à la surface de la même manière.

Le producteur indique de sub-zéro à 649 °C pour les ressorts et les fixations. L'alliage est utilisé pour sa résistance jusqu'à 704 °C et est résistant à l'oxydation jusqu'à 982 °C, et le matériau traité thermiquement a une résistance utile jusqu'à 982 °C, mais ces trois chiffres décrivent un cas de charge à court terme et une propriété de surface. Un ressort maintient une charge pendant longtemps, donc le chiffre inférieur est celui qui s'applique.

L'environnement extrême est un ensemble de quatre bandes et non un superlatif. L'extrémité froide est limitée par le changement de précharge à mesure que le module augmente et que la géométrie se contracte. L'extrémité chaude est limitée par le précipité, avec un plafond de résistance de 704 °C, une résistance à l'oxydation jusqu'à 982 °C, et une plage de ressort de 649 °C. L'eau contenant des chlorures est une force de cet alliage. L'eau de haute pureté à 288 °C est la seule bande où la littérature enregistre un mécanisme de fissuration, et le traitement thermique décide du résultat.

La seule décision qui améliore deux bandes est le traitement triple. Il donne une résistance maximale au fluage et à la relaxation au-dessus de 593 °C, et il laisse les joints de grains dans la condition associée à une meilleure résistance à la fissuration dans l'eau de réacteur. Un acheteur qui spécifie le vieillissement plus court pour sa résistance à la traction à température ambiante plus élevée a choisi la résistance et renoncé aux deux.

Bulletin technique de Special Metals pour l'alliage INCONEL X-750, publication SMC-067. Source pour le numéro UNS N07750 et le numéro Werkstoff 2.4669, les limites de composition de 70,00 % minimum de nickel plus cobalt et 14,0 à 17,0 % de chrome, la déclaration que l'alliage a d'excellentes propriétés jusqu'aux températures cryogéniques, la déclaration que l'effet de l'écrouissage par précipitation est largement perdu au-dessus de 704 °C tandis que le matériau traité thermiquement a une résistance utile jusqu'à 982 °C, la déclaration de résistance à l'oxydation jusqu'à 982 °C, la plage de sub-zéro à 649 °C pour les ressorts et les fixations, la déclaration que l'alliage a une haute résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte induite par les ions chlorure, même dans l'état entièrement durci par précipitation, les valeurs d'expansion linéaire moyenne de 6,5 à -250 °F à 8,1 à 1 000 °F, les valeurs de module de 31,0, 25,0 et 23,0 x 10³ ksi à 70, 1 000 et 1 200 °F, le traitement triple à 1 149 °C, 843 °C pendant 24 h, et 704 °C pendant 20 h, et la déclaration que cette voie donne une résistance maximale au fluage, à la relaxation et à la rupture au-dessus de 593 °C.

Recherche publiée sur la fissuration par corrosion sous contrainte de l'alliage X-750 dans les environnements de réacteurs à eau légère, évaluant la condition de traitement thermique à haute température dans l'eau de haute pureté à 93 °C et 288 °C dans des conditions de réacteur à eau bouillante et rapportant la susceptibilité par condition de traitement thermique.

Recherche publiée sur la fissuration par corrosion sous contrainte assistée par irradiation de l'alliage X-750, couvrant l'effet de l'irradiation sur la susceptibilité à la fissuration et la ténacité à la rupture.

Travaux de l'Electric Power Research Institute sur l'amélioration de la résistance à la corrosion sous contrainte de l'alliage X-750, rapportant que le traitement thermique a un effet profond sur la susceptibilité à la fissuration.

AMS 5698 et AMS 5699, spécifications de matériaux aérospatiaux pour fil d'alliage de nickel X-750 dans les revenus n° 1 et ressort.

AMS 5667, 5668, 5670, 5671 et 5747, spécifications de matériaux aérospatiaux pour barres, pièces forgées et anneaux d'alliage de nickel X-750.

AMS 5542, 5598 et 5582, spécifications de matériaux aérospatiaux pour tôles, plaques et tubes sans soudure d'alliage de nickel X-750.

EN 10204, documents d'inspection, pour la définition du certificat 3.1 comme document portant les résultats réels des tests et approuvé par le représentant indépendant de l'inspection du fabricant.

Les limites de composition et les valeurs de propriétés ci-dessus sont des valeurs de spécification et des résultats typiques pour l'alliage et les conditions nommées, et ne sont pas des limites d'acceptation pour un lot livré. Les deux déclarations aqueuses décrivent des environnements différents et ne sont pas interchangeables, et une spécification écrite pour l'un d'eux ne qualifie pas l'alliage pour l'autre. La susceptibilité à la fissuration dépend de la contrainte, de la température, de la chimie de l'eau, de l'état de surface et du traitement thermique, de sorte qu'un résultat publié pour une condition ne prédit pas une autre. Les valeurs de module et d'expansion sont des valeurs moyennes sur l'intervalle indiqué, et une conception qui dépend d'une bande de température étroite doit utiliser des données pour cette bande. Les spécifications du produit sont révisées, et l'édition nommée sur le bon de commande régit. Rien dans cette page ne remplace une autorisation d'ingénierie ou les tests de qualification convenus entre l'acheteur et le fournisseur.