Nei sistemi industriali avanzati: turbine a gas, forni di riscaldo, reattori chimici e hardware aerospaziale: normalmente ci si aspetta che i materiali sopravvivano ad ambienti termici e chimici estremi pur mantenendo la resistenza, stabilità dimensionale e resistenza all'ossidazione o alla corrosione.
Selezionare la lega corretta per alte temperature è quindi una decisione ingegneristica fondamentale che bilancia la massima temperatura di servizio, comportamento meccanico (anche a bassa temperatura), resistenza all'ossidazione e alla carburazione, produzione, saldabilità e costo del ciclo di vita.
1. Perché sono necessarie le leghe ad alta temperatura
Gli acciai standard e i materiali bassolegati perdono rapidamente il limite di snervamento, subire un'eccessiva ossidazione, carburazione o solforazione, e possono subire infragilimento se esposti a temperature elevate prolungate o ad ambienti chimici aggressivi.
Le leghe ad alta temperatura risolvono queste modalità di guasto mediante una lega controllata (In, Cr, Co, Mo, Nb/Ta, W, E, Al) e microstrutture su misura (soluzione solida vs. le precipitazioni si sono rafforzate).
La selezione deve essere equilibrata: (UN) capacità termica (picco continuo vs picco a breve termine), (B) Resistenza chimica (ossidazione / Carburatizzazione della carburizzazione / solfidazione / attacco alogeno), (C) domanda meccanica (trazione, strisciamento, fatica), E (D) vincoli di produzione (Formabilità, saldatura, costo).
I dati di rottura/scorrimento del produttore, non i numeri di trazione a temperatura ambiente, sono la base autorevole per la progettazione della durata a temperatura elevata.
2. Sei leghe ad alta temperatura
Inconel® 600 (US N06600)
Classificazione & Conformità agli standard
Incontro 600 è una lega austenitica di nichel-cromo rinforzata in soluzione solida comunemente fornita come lamiera lavorata, foglio, barra e tubi.
È prodotto secondo le specifiche industriali dei prodotti lavorati per leghe resistenti alla corrosione ad alta temperatura ed è ampiamente utilizzato in forme adatte alla saldatura e alla fabbricazione.
Composizione chimica chiave (Wt.%)
Nichel (In) ~72,0–78,0; Cromo (Cr) ~ 14.0–17.0; Ferro (Fe) ~ 6,0–10,0; Carbonio (C) ≤0,15; Manganese (Mn) ≤1.0; Silicio (E) ≤0,5.
La chimica enfatizza l'alto contenuto di nichel per la stabilità termica e il cromo per la protezione dall'ossidazione.
Prestazioni di temperatura
Guida pratica al servizio continuo fino a circa 2000°F (≈1093°C) per componenti non sollecitati o moderatamente sollecitati; per le parti non strutturali sono possibili brevi escursioni transitorie modestamente al di sopra di tale temperatura.
La lega mantiene una buona duttilità fino a temperature criogeniche.
Vantaggi fondamentali
Resistenza alla corrosione bilanciata in ambienti ossidanti e in molti ambienti riducenti; buona resistenza generale all'ossidazione;
eccellente formabilità e saldabilità rispetto a molte leghe ad alta temperatura; ampia disponibilità in molte forme di prodotto che semplifica l'approvvigionamento e la fabbricazione.
Avvertenze
Non indurito per precipitazione: la resistenza a temperature elevate si ottiene mediante soluzione solida e lavorazione a freddo; le applicazioni portanti a lungo termine richiedono una valutazione del creep.
Suscettibile alla tensocorrosione in ambienti aggressivi contenenti cloruri o caustici se le sollecitazioni residue o applicate non sono controllate.
Progettare per evitare SCC e applicare un'adeguata distensione dopo la fabbricazione pesante, ove necessario.
Applicazioni tipiche
Attrezzature del forno ed elementi riscaldanti, componenti e tubazioni di processi chimici, alcuni scarichi aerospaziali e componenti ausiliari, e altre applicazioni in cui è richiesta una resistenza equilibrata all'ossidazione/corrosione con una buona producibilità.
Inconel® 601 (USA N06601)
Classificazione & Conformità agli standard
Una lega di nichel-cromo-ferro sviluppata come aggiornamento resistente all'ossidazione delle leghe generiche Ni-Cr; comunemente disponibile in fogli, tubo e barra e utilizzato laddove l'ossidazione ciclica e l'adesione del calcare sotto ripetuti cicli termici sono problemi fondamentali.
Composizione chimica chiave (Wt.%)
Nichel (In) ~ 58,0–63,0; Cromo (Cr) ~21.0–25.0; Ferro (Fe) ~ 10,0–15,0; Alluminio (Al) ~ 0,6–1,8 (il piccolo Al promuove la formazione di allumina); Carbonio (C) ≤0,15.
La combinazione di Cr e Al costituisce la base metallurgica per una formazione e un'adesione superiori di incrostazioni.
Prestazioni di temperatura
Eccezionale resistenza all'ossidazione ciclica e stabilità del calcare fino a temperature medio-alte di 1100 °C (≈2100–2200°F) come caratteristica di resistenza all'ossidazione; trattare separatamente i limiti di ossidazione/incrostazione e le temperature strutturali ammissibili durante la progettazione di parti portanti.
Vantaggi fondamentali
Prestazioni eccellenti in atmosfere ossidanti cicliche e in situazioni in cui la spallazione delle incrostazioni ne limiterebbe altrimenti la durata; migliore resistenza alla carburazione e ai cicli termici rispetto a molte leghe di Ni in soluzione solida; ancora ragionevolmente formabile e saldabile.
Avvertenze
Un limite di ossidazione elevato riflette il comportamento del calcare piuttosto che la resistenza strutturale garantita a lungo termine: le proprietà di scorrimento e rottura a quelle temperature devono essere controllate per gli elementi portanti.
La pratica di saldatura standard è accettabile, ma l'attenzione alle temperature di interpass e alla gestione post-saldatura migliora le prestazioni a lungo termine.
Applicazioni tipiche
Tubi radianti, rivestimenti di combustione, apparecchiature di ricottura e trattamento termico, componenti di impianti chimici esposti ad atmosfere ossidanti cicliche, e qualsiasi applicazione in cui l'aderenza del calcare in caso di riscaldamento e raffreddamento ripetuti è fondamentale.
Inconel® 718 (US N07718)
Classificazione & Conformità agli standard
Incontro 718 è una superlega a base di nichel indurente per precipitazione ampiamente utilizzata per applicazioni strutturali impegnative; fornito come barra, Forgiati, piatto, lamiere e getti ad alta resistenza, sono richieste resistenza al creep e tenacità criogenica.
Composizione chimica chiave (Wt.%)
Nichel (In) ~ 50,0–55,0; Cromo (Cr) ~17.0–21.0; Niobio (Nb) + Tantalum (Rivolto) ~4,75–5,50; Titanio (Di) ~ 0,65–1,15; Alluminio (Al) ~0,20–0,80; Molibdeno (Mo) e ferro (Fe) fare il saldo.
La forza deriva dalla precipitazione controllata delle fasi γ′/γ″ durante l'invecchiamento.
Prestazioni di temperatura
Strutturalmente utilizzato fino a circa 1200-1300°F (≈650–704°C) per il carico a lungo termine; mantiene eccezionali proprietà meccaniche a temperature criogeniche (fino a -423 ° F / −253°C);
la resistenza all'ossidazione è utilizzabile fino a circa 1800°F (per le esposizioni non strutturali), ma considerazioni sul creep governano la progettazione ammissibile a T elevate.
Vantaggi fondamentali
Elevata resa e resistenza alla trazione allo stato invecchiato, resistenza al creep superiore per parti strutturali a media temperatura, e una resistenza alle basse temperature insolitamente buona, che lo rende appropriato laddove un singolo materiale deve tollerare condizioni sia criogeniche che di temperatura elevata.
Avvertenze
Le prestazioni dipendono fortemente dal trattamento termico preciso (soluzioni ricorre + cicli di invecchiamento definiti).
La saldatura può richiedere l'invecchiamento post-saldatura o altri trattamenti termici per ripristinare le proprietà complete; cicli termici impropri possono degradare le proprietà meccaniche.
Per carichi sostenuti ad alta temperatura, utilizzare i dati di scorrimento/rottura anziché i numeri di trazione statica.
Applicazioni tipiche
Componenti rotanti e statici di turbine a gas aerospaziali, elementi di fissaggio e raccordi ad alta resistenza, recipienti e apparecchiature criogeniche, valvole ad alta pressione, e altre applicazioni in cui è richiesta una combinazione di tenacità criogenica e resistenza alle temperature elevate.
Hastelloy®X (USA N06002)
Classificazione & Conformità agli standard
Una lega in soluzione solida di nichel-cromo-ferro-molibdeno progettata per un'eccezionale robustezza strutturale e resistenza all'ossidazione a temperature estreme;
tipicamente prodotto in forme lavorate per applicazioni strutturali e in forni ad alta temperatura.
Composizione chimica chiave (Wt.%)
Nichel (In) ~ 47,0–50,0; Cromo (Cr) ~21.0–23.5; Ferro (Fe) ~18.0–21.0; Molibdeno (Mo) ~ 8,0–10,0; cobalto minore (Co) e tungsteno (W) aggiunte.
La lega bilancia gli elementi che forniscono sia resistenza alle incrostazioni che rafforzamento della soluzione solida alle alte temperature.
Prestazioni di temperatura
Progettato per un servizio strutturale e di ossidazione continuo che si avvicina a ~2200°F (≈1204°C) sotto stress moderati;
le escursioni a breve termine possono essere più elevate, ma le sollecitazioni ammissibili a lungo termine diminuiscono sostanzialmente con l'aumento della temperatura e delle ore di esposizione.
Vantaggi fondamentali
Resistenza superiore alla rottura e al creep alle alte temperature rispetto a molte leghe Ni-Cr, con robusta resistenza all'ossidazione/carburazione.
La buona saldabilità e formabilità per una lega ad alta temperatura la rendono attraente per componenti complessi che devono sopportare carichi a T estremi.
Avvertenze
La resistenza alla rottura a lungo termine diminuisce con la temperatura e il tempo di esposizione, quindi la progettazione deve essere ancorata ai dati di rottura per scorrimento viscoso (ore ad anni) piuttosto che proprietà a temperatura ambiente.
Saldatura, la lavorazione a caldo ed il trattamento termico devono seguire le procedure consigliate per evitare precipitati deleteri ed indebolimenti localizzati.
Applicazioni tipiche
Componenti di forni ad alta temperatura, rivestimenti del combustore, condutture di turbine e altro hardware di turbine a gas, componenti di reattori petrolchimici dove sono richieste sia resistenza all'ossidazione che integrità strutturale ad alta temperatura.
Lega 330 (USA N08330)
Classificazione & Conformità agli standard
Una lega austenitica di nichel-cromo-ferro-silicio ottimizzata per la resistenza all'ossidazione e alla carburazione nei forni industriali e nei servizi di trattamento termico; fornito in tubo, lamiere e forme fabbricate per apparecchiature di trattamento termico.
Composizione chimica chiave (Wt.%)
Nichel (In) ~ 34,0–37,0; Cromo (Cr) ~ 17,0–20,0; Ferro (Fe) bilancia (ca.. 38–46%); Silicio (E) ~1,0–2,5; Carbonio (C) Basso (0.05–0.15).
Il silicio e l'equilibrio Cr/Ni migliorano la formazione di incrostazioni e la resistenza alla carburazione.
Prestazioni di temperatura
Consigliato per servizi di ossidazione e carburazione fino a circa 2100–2200°F (≈1150–1200°C), con buon comportamento a breve termine alle escursioni più elevate.
Prestazioni stellari in atmosfere di cementazione in cui la carburazione interna dei componenti è un problema.
Vantaggi fondamentali
Eccezionale resistenza sia all'ossidazione che alla carburazione negli ambienti dei forni; economicamente vantaggioso rispetto a molte superleghe ad alto contenuto di nichel; mantiene la microstruttura austenitica a tutte le temperature di servizio, evitando le trappole dell’instabilità di fase.
Avvertenze
Non intesa come lega strutturale ad alto scorrimento alle temperature estreme assolute superiori: utilizzare i dati di scorrimento per le parti portanti; la fatica termica e il cedimento ciclico sono modalità di guasto per sezioni sottili e cinghie, quindi la progettazione meccanica deve tenerne conto.
Verificare la compatibilità con eventuali sostanze chimiche alogenate o fortemente riducenti nel gas di processo.
Applicazioni tipiche
Tubi radianti, nastri del forno, cestelli per trattamenti termici, parti caldaia e canna fumaria, e altri interni del forno esposti ad atmosfere ossidanti e cementative alternate.
Lega 35-19Cb (famiglia di cinture a rete, USA N06350)
Classificazione & Conformità agli standard
Una famiglia di niobio (colombio)-leghe austenitiche stabilizzate di nichel-cromo progettate per applicazioni a sezione sottile come il filo, reti e nastri trasportatori in forni continui.
Composizione chimica chiave (Wt.%)
Nichel (In) ~ 34,0–37,0; Cromo (Cr) ~18,0–20,0; Ferro (Fe) bilancia (≈35–40%); Niobio (Nb) ~ 1,0–1,5; Carbonio (C) ≤0.10.
Il niobio stabilizza i carburi e migliora la resistenza alla trazione alle alte temperature per le geometrie di fili e reti.
Prestazioni di temperatura
Progettato per il funzionamento prolungato della rete del forno fino a circa 1100°C (≈2012°F) con vantaggi dimostrati in termini di durata utile (riduzione del cedimento e maggiore durata a fatica) rispetto alle leghe non stabilizzate nello stesso ambiente.
Vantaggi fondamentali
Elevata resistenza alla trazione e al creep nelle forme a sezione sottile; la stabilizzazione del niobio previene la formazione di carburo intergranulare e migliora la resistenza all'impoverimento e all'infragilimento dei bordi del grano; ottimizzato per il carico ciclico del nastro e la fatica termica.
Avvertenze
L'uso è specializzato, principalmente per la mesh, fili e parti sottili. Le procedure di unione e riparazione per le cinghie a rete differiscono dalla saldatura in massa e richiedono tecniche specializzate.
La progettazione meccanica deve tenere conto dell'abbassamento della cinghia, espansione termica e geometria del supporto per evitare guasti meccanici prematuri.
Applicazioni tipiche
Nastri a rete per forni di ricottura continua, catene di trasporto ed elementi di trasporto a sezione sottile in linee di trattamento termico e di lavorazione dei metalli.
Haynes® 25 / L-605 (USA R30605)
Classificazione & Conformità agli standard
Una lega ad alte prestazioni a base di cobalto prodotta come barra lavorata, lamiere e componenti di precisione.
È la principale opzione di cobalto per ambienti che richiedono una solforazione eccezionale, alogeni e resistenza all'usura alle alte temperature.
Composizione chimica chiave (Wt.%)
Cobalto (Co) ~ 50,0–55,0; Cromo (Cr) ~19.0–21.0; Tungsteno (W) ~ 14.0–16.0; Nichel (In) ~ 9.0–11.0; Ferro (Fe) ≤3,0.
L'alto contenuto di tungsteno e cromo fornisce forza e resistenza all'ossidazione mentre il cobalto forma la matrice ad alta temperatura.
Prestazioni di temperatura
Comunemente specificato per servizio continuo fino a circa 1800°F (≈980°C); mantiene la forza utile a esposizioni più elevate a breve termine fino alla gamma bassa di 2150°F (≈1177°C) a seconda del carico e del tempo trascorso a temperatura.
L'eccezionale resistenza agli attacchi chimici aggressivi è una caratteristica distintiva.
Vantaggi fondamentali
Resistenza superiore alla solforazione, clorazione umida e molti ambienti chimici aggressivi in cui le leghe di nichel sono insufficienti; forte usura, resistenza all'usura e alla fatica da contatto dovuta al tungsteno; alcune varianti mostrano biocompatibilità per applicazioni mediche.
Avvertenze
Costo più elevato e densità più elevata rispetto alle leghe a base di nichel; i tempi di approvvigionamento e le caratteristiche di lavorazione differiscono dalle leghe di Ni; selezionare solo quando i vantaggi chimici o tribologici giustificano chiaramente il premio.
La saldatura e il trattamento termico richiedono attenzione per evitare perdite di proprietà.
Applicazioni tipiche
Cuscinetti ad alta temperatura, guarnizioni e alberi, componenti della camera di combustione in atmosfere altamente corrosive, alcune valvole e pompe petrolchimiche esposte al servizio di solforazione, e componenti specializzati per impianti medici in gradi biocompatibili.
3. Tabella comparativa
Questa tabella fornisce un quadro conciso, Confronto ingegneristico delle sei leghe resistenti alle alte temperature discusse in questa guida. Le temperature sono visualizzate sia in °F che in °C (convertito accuratamente).
| Lega (nome comune) | NOI | Temperatura di servizio continuo (Tipo.) | Picco di temperatura a breve termine (Tipo.) | Principali punti di forza (riepilogo) | Applicazioni tipiche |
| Incontro® 600 | N06600 | ≈2000°F / 1093° C. | ≈2100°F / 1149° C. | Resistenza alla corrosione bilanciata; Buona resistenza all'ossidazione; ottima lavorabilità e saldabilità; microstruttura stabile della soluzione solida | Attrezzature del forno, apparecchiature per il trattamento chimico, elementi riscaldanti, hardware per la lavorazione degli alimenti, Componenti di scarico |
| Incontro® 601 | N06601 | ≈2100–2200°F / 1149–1204°C (guidato dall’ossidazione) | ≈2200°F / 1204° C. | Ossidazione e adesione del calcare superiori grazie alla sinergia Al-Cr; forte resistenza ai cicli termici e alla carburazione | Tubi radianti, Camere di combustione, forni di ricottura, forni rotanti, apparecchiature per il trattamento termico |
Inconel® 718 |
N07718 | ≈1200–1300°F / 649–704°C (strutturale); fino a -423 ° F / −253°C | Resistenza all'ossidazione fino a ≈1800°F / 982° C. | Resa e resistenza alla trazione eccezionali; eccezionale resistenza al creep e alla fatica; versatilità senza pari dalla criogenica alle alte temperature | Componenti del motore a reazione, turbine a gas, serbatoi criogenici, valvole ad alta pressione, hardware aerospaziale ed energetico |
| Hastelloy® X | N06002 | ≈2200°F / 1204° C. | ≈2300°F / 1260° C. | Ritenzione di resistenza molto elevata a temperature estreme; ottima ossidazione, Carburatizzazione della carburizzazione, e resistenza SCC; robuste prestazioni di resistenza allo scorrimento viscoso | Combustori a turbina a gas, rivestimenti del forno, Afterburners, reattori petrolchimici ad alta temperatura |
Lega 330 |
N08330 | ≈2100–2200°F / 1150–1204°C | ≈2300°F / 1260° C. | Eccellente resistenza all'ossidazione e alla carburazione; struttura austenitica stabile; lega per forni ampiamente utilizzata | Tubi radianti, nastri e cestelli per forni, componenti della caldaia, condotto dei fumi |
| Haynes® 25 (L-605) | R30605 | ≈1800°F / 982° C. | ≈2150°F / 1178° C. | Lega a base di Cobalto con solfurazione superiore, alogeno, e resistenza all'usura; eccellente stabilità termica e biocompatibilità | Cuscinetti ad alta temperatura, rivestimenti di combustione, hardware aerospaziale, valvole per servizio corrosivo, Impianti medici |
4. Come utilizzare questa guida nella pratica ingegneristica
Iniziamo dal profilo termico, nemmeno una temperatura.
Specificare la temperatura massima costante, picchi a breve termine, frequenza del ciclo termico, e le ore totali previste a temperatura.
Usa il più lungo esposizione e più alto stress per dimensionare i componenti. (Utilizzare le tabelle di creep-rottura del fornitore per la vita oraria prevista.)
Specificare la chimica dell'atmosfera.
Carburazione → preferire leghe ad alto contenuto di Si/Ni (Lega 330, Incontro 601). Solfurante/alogenato → considerare le leghe di cobalto (Haynes 25) o gradi speciali Hastelloy.
Servizio ciclico ossidante → Inconel 601 O 330 per l'adesione del calcare; Hastelloy X quando la resistenza strutturale è primaria.
Decidere il caso di carico: trazione vs creep vs fatica.
Per le parti caricate a breve termine utilizzare le proprietà di trazione; per le parti caricate a lungo termine utilizzare curve di scorrimento/rottura; per i carichi meccanici/termici ciclici utilizzare i dati di fatica/fatica termica (se disponibile). Non sostituire i numeri di trazione RT con la progettazione del creep.
Vincoli di fabbricazione:
confermare i moduli di prodotto disponibili (filo per cinture a rete, lastra per tubi radianti, barra/forgiatura per parti strutturali), e requisiti di trattamento termico di saldatura/post-saldatura.
718 necessita di cicli di soluzione/età controllati per raggiungere la resistenza di progettazione; molte leghe di Ni necessitano di riduzione dello stress per evitare SCC nelle esposizioni caustiche.
Previsione della vita & Test:
ogni volta che vengono progettati componenti con durata limitata, eseguire tagliandi o test dei componenti (ossidazione, Carburatizzazione della carburizzazione, strisciamento, prove di saldatura) in ambienti rappresentativi. I dati del fornitore sono una guida: convalidati per il tuo ciclo di lavoro specifico.
5. Conclusione
Nessuna singola lega ad alta temperatura è universalmente ottimale; ciascuno rappresenta uno spazio commerciale tra la temperatura operativa massima, comportamento di ossidazione/carburazione, resistenza meccanica in tutto l’intervallo di temperature di servizio, resistenza alla corrosione in prodotti chimici specifici, e produzione.
Utilizza questa guida per restringere i candidati, quindi convalidare la selezione finale con test a livello di componente (ossidazione, Carburatizzazione della carburizzazione, strisciamento, prove di saldatura) e le schede tecniche dei fornitori a cui si fa riferimento qui durante la progettazione di applicazioni critiche o con durata limitata.
