Nconel X-750 fil de ressort: une solution résistante à la chaleur pour les industries aérospatiale et électrique

Un ressort qui résiste à une température constante de 600 °C n'est pas automatiquement un ressort qui résiste à dix mille cycles entre 20 et 600 °C. Les deux exigences échouent par des mécanismes différents. Le cas constant est limité par le précipité et par la relaxation, et le cas cyclique est limité par la contrainte thermique que le ressort ne peut éviter, ce qui transforme une différence de température en une contrainte avant même qu'une charge externe ne soit appliquée.

Cette distinction est ce que les industries aérospatiale et de l'énergie ont en commun. Un moteur d'avion fonctionne par cycles entre le ralenti au sol et le décollage, et une centrale électrique fonctionne par cycles entre le démarrage à froid et la pleine charge. Les deux sont décrits comme des applications à haute température, et dans les deux cas, l'événement dommageable est la montée en température et non le maintien. Un ressort qui n'a été sélectionné qu'en fonction d'une température maximale a été qualifié pour la moitié de son utilisation.

Cette page examine le côté thermique d'un ressort dans une application cyclique : d'où vient la contrainte thermique, quelle est son ampleur pour le X-750, pourquoi elle se concentre sur trois caractéristiques d'un assemblage réel, et comment elle se combine avec la relaxation que la même température produit.

Un corps libre se dilate lorsqu'il est chauffé et ne développe aucune contrainte. Un corps contraint veut se dilater de la même quantité et ne peut pas, donc la différence devient une déformation et la déformation devient une contrainte. Trois quantités déterminent l'ampleur de cette contrainte, et toutes trois sont publiées pour le X-750.

L'estimation standard pour une pièce entièrement contrainte est le module multiplié par le coefficient de dilatation et le changement de température, divisé par un moins le coefficient de Poisson. Pour le X-750, les propriétés à température ambiante donnent environ 4,1 MPa de contrainte pour chaque kelvin de changement de température, avant toute charge appliquée.

Les chiffres ci-dessus sont calculés à partir du module, du coefficient de dilatation et du coefficient de Poisson publiés pour l'alliage, avec trois hypothèses énoncées afin qu'elles puissent être contestées. La contrainte est complète, ce qui est le pire des cas et rarement vrai dans un assemblage réel. Il n'y a pas de relaxation plastique, ce qui est faux une fois que la contrainte atteint la limite d'élasticité. Et le module est pris à température ambiante, ce qui surestime la contrainte à haute température car le module diminue lorsque le métal chauffe. Le but du tableau est de montrer l'ordre de grandeur, et l'ordre de grandeur est le point : un changement de température de 200 °C est suffisant pour atteindre la limite d'élasticité dans un X-750 entièrement contraint sans aucune charge externe.

Comme les hypothèses sont conservatrices, la contrainte réelle est plus faible, et la réponse de conception est la même dans les deux cas. Un ressort dans une application cyclique doit être monté de manière à pouvoir se dilater, et la marge de dilatation est une caractéristique de dessin et non une propriété du matériau.

Une courbe de fatigue mesurée à température constante décrit une pièce maintenue à cette température et chargée mécaniquement. Un ressort dans une installation cyclique subit un second cas : il est chargé par la température elle-même, et la plage de déformation provient de la dilatation et non d'une force externe. Les deux produisent des durées de vie différentes à la même amplitude de contrainte nominale, car le cycle thermique déplace également le matériau à travers une plage de températures dans laquelle sa propre résistance et sa ductilité changent.

La conséquence pratique est qu'un ressort qualifié par un test de fatigue isotherme à la température la plus élevée n'a pas été qualifié pour un cycle thermique entre les deux extrêmes. Le test qui décrit l'utilisation applique la plage de température au matériel assemblé, ou l'applique à une éprouvette dans un banc d'essai qui reproduit la contrainte.

Dans un assemblage réel, la contrainte n'est jamais uniforme, et la contrainte thermique se concentre là où le ressort est maintenu. Trois caractéristiques expliquent la plupart des cas, et chacune a une réponse de conception qui coûte moins cher qu'un changement de matériau.

Le cas de la tige de guidage est celui qui produit une défaillance sans cause métallurgique. Un ressort correct à froid peut se bloquer sur son guide à chaud, et la spire agit alors comme une colonne solide à une contrainte pour laquelle le fil n'a jamais été conçu. Le jeu qui l'empêche est une fonction du diamètre moyen, du coefficient de dilatation et de l'augmentation de température, et c'est une dimension sur le dessin.

Une application chaude cyclique ne choisit pas entre la relaxation et la fatigue thermique. Elle applique les deux, et elles interagissent d'une manière qui raccourcit la durée de vie au-delà de l'une ou l'autre seule. La relaxation supprime la charge pendant le maintien, de sorte que le ressort s'affaisse à chaque cycle, et la position plus basse modifie l'état de contrainte que la rampe thermique suivante produit. La fatigue thermique initie alors une fissure dans une section dont la contrainte a déjà été redistribuée par la relaxation.

L'ordre compte aussi. Un ressort qui se détend rapidement pendant le premier maintien perd sa précharge et fonctionne ensuite à une contrainte plus faible, ce qui peut être moins dommageable qu'un ressort qui maintient sa charge et fonctionne à la contrainte de conception. C'est pourquoi une figure de relaxation seule ne prédit pas la durée de vie d'une pièce cyclique, et pourquoi un fournisseur qui ne cite que le pourcentage de relaxation a répondu à une question différente.

La réponse du matériau est celle que le producteur décrit pour le cas soutenu. Le triple traitement, un recuit de solution à 1 149 °C suivi d'un maintien de stabilisation à 843 °C pendant 24 h et d'un traitement de précipitation à 704 °C pendant 20 h, est recommandé pour un service supérieur à 593 °C où les charges sont soutenues, et il donne la résistance maximale au fluage et à la relaxation dans cette bande. Une pièce cyclique qui passe du temps à la température la plus élevée appartient à cette condition, car le maintien est l'endroit où la relaxation s'accumule.

Le X-750 apporte un coefficient de dilatation d'environ 7,8 x 10^-6 po/po/°F dans la plage de travail, un module qui tombe de 31,0 à 25,0 x 10³ ksi entre la température ambiante et 538 °C, et une résistance utile jusqu'à 704 °C. Ce sont les chiffres qui le placent dans l'application. Ils n'éliminent pas la contrainte thermique, et aucun alliage ne le fait.

Ce que la conception doit fournir, c'est la liberté de se dilater. Cela prend trois formes : un montage qui permet au ressort de grandir axialement, un jeu radial au guide qui est calculé à la température la plus élevée, et un matériau de siège dont la dilatation est suffisamment proche de celle du ressort pour que la différence reste dans la plage élastique. Un ressort correct dans ces trois aspects durera plus longtemps qu'un meilleur alliage dans un montage rigide.

La comparaison avec un matériau à plus faible dilatation mérite d'être mentionnée une fois. Un acier ferritique ou martensitique se dilate d'environ 11 à 12 x 10^-6 par °F, soit environ 50 % de plus que le X-750, de sorte qu'un assemblage contraint dans cet acier développe environ 50 % de contrainte thermique en plus pour le même changement de température. L'alliage de nickel est choisi pour sa résistance à température et pour sa résistance à l'oxydation, et sa dilatation plus faible est un avantage secondaire qui compte le plus dans une conception rigoureusement contrainte.

Le fil pour ressorts est couvert par l'AMS 5698 dans le revenu n° 1 et l'AMS 5699 dans le revenu pour ressorts. Les barres et les pièces forgées sont couvertes par les AMS 5667, 5668, 5670, 5671 et 5747, les tôles et plaques par les AMS 5542 et 5598, et les tubes sans soudure par l'AMS 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.

Le document suit la forme et le traitement thermique, et un atelier de ressorts qui substitue une spécification de barre à une spécification de fil a modifié l'état ainsi que la forme. Le traitement de vieillissement dans les documents sur le fil est écrit pour le fil, et le traitement dans les documents sur la barre est écrit pour la barre, et les deux ne sont pas interchangeables même si l'alliage est le même.

Six éléments décrivent le devoir thermique, et les trois premiers sont ceux qui manquent dans un dessin à température ambiante.

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 selon la spécification AMS nommée 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 le cycle thermique et non la température maximale. Un ressort maintenu à 600 °C et un ressort qui fonctionne par cycles entre 20 et 600 °C sont des commandes différentes pour le même alliage, car le premier est limité par la relaxation et le second par la déformation que le montage ne lui permet pas de soulager.

Non. Un alliage résistant à la chaleur répond à la question de savoir si le matériau conserve sa résistance à la température la plus élevée. Une application cyclique demande également ce qu'il advient de la déformation lorsque la pièce est contrainte et que la température change, et cette réponse provient du coefficient de dilatation, du module et du montage. Un alliage à dilatation et résistance plus faibles peut surpasser un alliage plus résistant dans un montage rigide.

Environ 4,1 MPa par kelvin de changement de température, calculé à partir du module publié de 31,0 x 10³ ksi, d'un coefficient de dilatation d'environ 14 x 10^-6 par °C, et d'un coefficient de Poisson de 0,29. Un changement de 200 °C atteint donc environ 810 MPa en contrainte totale, ce qui correspond à la limite d'élasticité du matériau vieilli. La valeur réelle est plus faible car aucun assemblage n'est entièrement contraint et parce que le module diminue lorsque le métal chauffe, et le calcul est utilisé pour montrer l'ordre de grandeur et non une contrainte de conception.

Oui, et c'est pourquoi c'est important. La contrainte thermique apparaît dans la pièce avant que la charge externe ne soit appliquée, de sorte que la spire voit la somme des deux au diamètre intérieur où la contrainte mécanique est déjà la plus élevée. Une conception qui a vérifié la contrainte du ressort à température ambiante et la contrainte thermique séparément n'a pas vérifié la condition qui cause la défaillance.

Parce que le diamètre moyen augmente avec la température tandis que le guide augmente différemment s'il est d'un matériau différent. Un jeu adéquat à 20 °C peut se fermer à 600 °C, et la spire se comporte alors comme une colonne solide à une contrainte pour laquelle le fil n'a pas été conçu. Le jeu doit être calculé à la température la plus élevée, en utilisant le coefficient de dilatation des deux matériaux.

Oui, lorsque la pièce passe du temps en haut de la plage. Le producteur recommande le triple traitement pour un service supérieur à 593 °C avec des charges soutenues et le décrit comme donnant une résistance maximale au fluage et à la relaxation dans cette bande. Une pièce cyclique accumule de la relaxation pendant le palier, donc le traitement qui résiste à la relaxation à la température la plus élevée est celui qui protège la durée de vie.

La source de la déformation. Un test isotherme applique une charge mécanique à température constante, et un test de fatigue thermique applique une plage de température à une pièce contrainte. Les deux produisent des durées de vie différentes à la même amplitude de contrainte nominale, car le cycle thermique déplace également le matériau à travers une plage dans laquelle sa résistance et sa ductilité changent, et la déformation provient de la contrainte et non d'une force externe.

La résistance à la chaleur est une propriété du matériau, et le cyclage thermique est une condition de conception. Le X-750 fournit la propriété avec une résistance utile jusqu'à 704 °C, un module de 31,0 x 10³ ksi à température ambiante, et un coefficient de dilatation d'environ 7,8 x 10^-6 po/po/°F dans la plage de travail. La conception fournit le reste, et le reste est la liberté de se dilater au siège, le jeu radial au guide, et un matériau de siège dont la dilatation reste proche de celle du ressort.

Une pièce entièrement contrainte développe environ 4,1 MPa par kelvin, ce qui atteint la limite d'élasticité du matériau vieilli à un changement de 200 °C. Aucun assemblage n'est entièrement contraint et le module diminue avec la température, donc la contrainte réelle est plus faible. La conclusion ne dépend pas du nombre exact : un ressort dans une application cyclique est limité par la déformation que le montage ne lui permet pas de soulager, et cette limite est fixée sur le dessin.

Bulletin technique de Special Metals pour l'alliage INCONEL X-750, publication SMC-067. Source du numéro UNS N07750 et du 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 dilatation linéaire moyenne de 7,8 x 10^-6 po/po/°F de 70 à 800 °F, le module d'élasticité de 31,0 x 10³ ksi à 70 °F et 25,0 x 10³ ksi à 1 000 °F, le coefficient de Poisson de 0,29, la résistance utile jusqu'à 704 °C, le triple traitement à 1 149 °C, 843 °C pendant 24 h, et 704 °C pendant 20 h, l'affirmation que cette voie donne une résistance maximale au fluage, à la relaxation et à la rupture au-dessus de 593 °C, et les spécifications du produit par forme.

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

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

AMS 5542 et AMS 5598, spécifications de matériaux aérospatiaux pour tôle, bande et plaque d'alliage de nickel X-750.

AMS 5582, spécification de matériau aérospatial pour tube sans soudure d'alliage de nickel X-750.

ASTM E2368, pratique standard pour les tests de fatigue thermomécanique à contrôle de déformation, comme référence de méthode pour un résultat de fatigue thermique.

ASTM E606, méthode de test standard pour les tests de fatigue à contrôle de déformation, comme référence de méthode pour la comparaison isotherme.

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

Les valeurs de contrainte thermique dans cette page sont calculées à partir des constantes physiques publiées pour l'alliage, avec les hypothèses de contrainte complète, de comportement élastique et de module à température ambiante énoncées dans le texte, et ce sont des estimations d'ordre de grandeur et non des contraintes de conception. Un assemblage réel est partiellement contraint, flue localement et fonctionne avec un module inférieur à la valeur à température ambiante, de sorte que la contrainte mesurée est inférieure à celle calculée et qu'une conception doit être confirmée par analyse ou par test. Les coefficients de dilatation sont des valeurs moyennes sur un intervalle spécifié, et une conception qui dépend d'une bande étroite doit utiliser des données pour cette bande. Les résultats de fatigue et de relaxation dépendent de la plage de déformation, de la température, de la surface et du traitement thermique, de sorte qu'une courbe publiée pour une condition ne prédit pas une autre. Les spécifications du produit sont révisées, et l'édition nommée sur le bon de commande fait foi. Rien dans cette page ne remplace une autorisation d'ingénierie ou les tests de qualification convenus entre l'acheteur et le fournisseur.