Inconel 718 là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan
Inconel 718 là hợp kim siêu bền nền niken được thiết kế để giữ ổn định cơ học và chống oxy hóa trong môi trường nhiệt độ cao ở công nghiệp. Hợp kim này chứa niken, crom, niobi và các nguyên tố tăng cứng khác giúp nó duy trì độ bền kéo, chống ăn mòn và ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao.
Giới thiệu về hợp kim Inconel 718
Inconel 718 là hợp kim siêu bền nền niken được phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu chịu nhiệt, chịu tải và chống biến dạng trong các môi trường khắc nghiệt. Hợp kim này được thiết kế để hoạt động ổn định trong dải nhiệt rộng, đặc biệt ở những điều kiện mà kim loại thông thường dễ bị chảy dẻo, lão hóa hoặc oxy hóa mạnh. Cốt lõi của Inconel 718 nằm ở khả năng duy trì độ bền cơ học dù trải qua chu kỳ nhiệt lặp lại với cường độ lớn, điều này giúp nó trở thành vật liệu tiêu chuẩn trong nhiều hệ thống công nghiệp cường độ cao.
Một đặc điểm quan trọng của Inconel 718 là tính chống oxy hóa khi làm việc trong môi trường có nhiệt độ vượt quá 700 °C. Khả năng này đến từ nền niken kết hợp cùng hàm lượng crom cao, tạo ra lớp oxit bền vững bao phủ bề mặt và bảo vệ vật liệu khỏi sự tấn công của khí nóng. Nhờ đó, các thành phần chế tạo bằng hợp kim này ít chịu tác động của quá trình thoái hóa bề mặt, kéo dài tuổi thọ thiết bị, giảm thất thoát năng lượng và hạn chế chi phí bảo trì.
Để minh họa các ưu điểm của Inconel 718, có thể liệt kê một số đặc tính nổi bật thường được nhắc đến trong các tiêu chuẩn kỹ thuật:
- Giữ độ bền cơ học cao trong dải nhiệt rộng
- Chống oxy hóa mạnh trong môi trường giàu oxygen
- Ổn định kích thước sau chu kỳ nhiệt phức tạp
- Khả năng chống ăn mòn tốt trong nhiều môi trường công nghiệp
Các yếu tố trên giúp Inconel 718 đáp ứng vai trò vật liệu trọng điểm trong ngành hàng không, năng lượng và hóa dầu, nơi các linh kiện phải duy trì độ tin cậy tuyệt đối trong thời gian dài.
Thành phần hóa học và đặc tính vật liệu
Inconel 718 được chế tạo dựa trên nền niken chiếm tỉ lệ chủ đạo, kết hợp với crom, niobi, molypden và các nguyên tố phụ như titanium, nhôm và sắt. Sự kết hợp này tạo ra cấu trúc kim loại bền, dẻo và có khả năng tăng cứng thông qua quá trình hóa già. Tỉ lệ các nguyên tố được quy định chặt chẽ trong tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm đảm bảo tính ổn định của hợp kim và đảm bảo hiệu suất khi đưa vào ứng dụng thực tế.
Nhờ thành phần như trên, Inconel 718 có giới hạn chảy cao, khả năng chống nứt do ứng suất tốt và ít bị lão hóa khi làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao. Lượng niobi trong hợp kim đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các pha tăng cứng, còn crom giúp cải thiện khả năng chống oxy hóa. Molypden đóng góp vào độ bền chống ăn mòn trong môi trường giàu clorua, nơi các hợp kim thông thường dễ bị suy yếu do pitting và crevice corrosion.
Bảng sau minh họa thành phần hóa học điển hình của Inconel 718 dựa trên dữ liệu từ Special Metals (specialmetals.com):
| Nguyên tố | Tỉ lệ (%) |
|---|---|
| Niken (Ni) | 50–55 |
| Crom (Cr) | 17–21 |
| Niobi (Nb) | 4.75–5.5 |
| Molypden (Mo) | 2.8–3.3 |
| Nhôm (Al) | 0.2–0.8 |
| Titanium (Ti) | 0.65–1.15 |
Thành phần hóa học được kiểm soát nghiêm ngặt nhằm đảm bảo hợp kim đáp ứng đầy đủ yêu cầu của các tiêu chuẩn quốc tế, đồng thời tối ưu hóa khả năng tăng cứng và chống ăn mòn trong điều kiện sử dụng khắc nghiệt.
Cơ chế tăng cứng và vi cấu trúc
Sự bền vững của Inconel 718 đến từ cơ chế tăng cứng thông qua sự hình thành các pha γ'' và γ', phân bố đều trong nền γ. Pha γ'' (Ni3Nb) đóng vai trò chính, góp phần quan trọng vào việc tăng cường giới hạn chảy và khả năng chống biến dạng dưới tải trọng lớn. Pha γ' (Ni3(Al,Ti)) cũng xuất hiện nhưng tỷ lệ nhỏ hơn, hỗ trợ tăng cứng dài hạn và cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ cao.
Khi hợp kim được xử lý nhiệt đúng quy trình, các pha tăng cứng này hình thành dưới dạng hạt mịn, phân bố đồng đều trong vi cấu trúc. Nhờ sự phân bố này, khi chịu tác động lực cơ học, các mặt trượt tinh thể bị cản trở, khiến vật liệu khó bị biến dạng dẻo. Cơ chế này đặc biệt hiệu quả ở nhiệt độ cao, nơi các kim loại thông thường dễ bị suy yếu nhanh chóng.
Những đặc điểm vi cấu trúc này có thể được tổng hợp thành danh sách ngắn gọn:
- Pha γ: nền niken bền, chiếm tỉ lệ chủ đạo của hợp kim
- Pha γ' tăng cứng dài hạn
- Pha γ'' đóng vai trò tăng cứng chính, quyết định độ bền của vật liệu
Vi cấu trúc này là yếu tố cốt lõi khiến Inconel 718 được ưa chuộng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật yêu cầu độ bền và độ ổn định cao.
Tính chất cơ học trong điều kiện nhiệt độ cao
Inconel 718 duy trì độ bền kéo, độ cứng và khả năng chịu mỏi nhiệt trong dải nhiệt rộng từ môi trường thường đến trên 650 °C. Khi tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài, nhiều kim loại khác nhanh chóng mất tính ổn định, nhưng Inconel 718 nhờ có hệ thống pha tăng cứng vẫn giữ được khả năng chống chảy dẻo và giảm tốc độ lão hóa vật liệu. Điều này giúp các chi tiết làm từ hợp kim này hoạt động bền bỉ trong các điều kiện vận hành liên tục.
Giới hạn chảy của Inconel 718 thường cao hơn nhiều hợp kim niken khác do ảnh hưởng của pha γ''. Khi nhiệt độ tăng, sự ổn định của γ'' vẫn duy trì đủ lâu để hỗ trợ vật liệu chống lại biến dạng vĩnh viễn. Các thử nghiệm cơ tính tại nhiều phòng thí nghiệm cho thấy Inconel 718 vẫn giữ cường độ kéo ấn tượng trong các chu kỳ nhiệt khắc nghiệt.
Bảng dưới đây mô tả một số giá trị cơ tính điển hình:
| Thông số | Giá trị điển hình |
|---|---|
| Độ bền kéo | > 1200 MPa |
| Giới hạn chảy | ~ 1030 MPa |
| Độ cứng | ~ 40 HRC |
Nhờ các tính chất này, Inconel 718 thường được sử dụng trong những bộ phận phải chịu tải trọng cơ học mạnh kèm nhiệt độ cao, ví dụ như buồng đốt, vòng turbine và các hệ thống chịu áp suất lớn.
Khả năng chống ăn mòn và oxy hóa
Khả năng chống ăn mòn của Inconel 718 đến từ hàm lượng crom và niken cao, tạo nên lớp màng oxit bền vững khi tiếp xúc với môi trường khí nóng hoặc các dung dịch ăn mòn. Lớp oxit này hình thành nhanh, bám chặt và có khả năng tự tái tạo khi bị tổn thương cục bộ. Nhờ đó, hợp kim hoạt động ổn định trong môi trường có nhiều tác nhân oxy hóa mạnh như khí nóng, hơi nước áp suất cao và hỗn hợp khí công nghiệp.
Trong môi trường chứa clorua, Inconel 718 cũng thể hiện khả năng chống ăn mòn rỗ (pitting) và ăn mòn khe (crevice corrosion) tốt hơn nhiều hợp kim niken khác. Molypden đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng kháng tấn công cục bộ này. Điều này giúp hợp kim được sử dụng nhiều trong các hệ thống hóa dầu, đường ống vận chuyển chất lỏng ăn mòn và các thiết bị chịu phun sương muối.
Bảng dưới đây minh họa một số dạng ăn mòn phổ biến và mức độ kháng của Inconel 718:
| Dạng ăn mòn | Khả năng kháng |
|---|---|
| Oxy hóa nhiệt độ cao | Rất tốt |
| Pitting trong môi trường clorua | Tốt |
| Ăn mòn ứng suất | Khá tốt |
| Ăn mòn do acid vô cơ | Tùy điều kiện |
Các dữ liệu về khả năng chống ăn mòn và oxy hóa của vật liệu có thể tham khảo tại Haynes International (haynesintl.com), nơi cung cấp thông tin chi tiết về nhiều hợp kim chịu nhiệt và chống ăn mòn trong công nghiệp nặng.
Ứng dụng trong công nghiệp hàng không và năng lượng
Trong ngành hàng không, Inconel 718 giữ vai trò quan trọng trong chế tạo các chi tiết đòi hỏi độ bền nhiệt cao, chẳng hạn buồng đốt, vòng turbine, cánh turbine chịu nhiệt và các bộ phận tiếp xúc với khí nóng áp suất lớn. Độ bền cơ học vượt trội kết hợp với khả năng duy trì hình dạng giúp vật liệu không bị biến dạng khi động cơ trải qua chu kỳ nhiệt lặp lại với tốc độ cao.
Hệ thống turbine khí sử dụng Inconel 718 nhờ vào tính ổn định của hợp kim trong quá trình vận hành liên tục. Những thiết bị này thường hoạt động ở nhiệt độ và áp suất lớn, yêu cầu vật liệu phải duy trì khả năng chịu mỏi nhiệt và chống nứt ứng suất lâu dài. Việc sử dụng vật liệu không phù hợp có thể gây giảm hiệu suất turbine hoặc gây hỏng hóc nghiêm trọng, do đó Inconel 718 trở thành tiêu chuẩn trong nhiều thiết kế turbine hiện đại.
Trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là năng lượng hạt nhân và năng lượng tái tạo, hợp kim này được dùng trong các bộ phận chịu tải trọng cao, van điều áp và ống dẫn trong môi trường có tính ăn mòn mạnh. Những yêu cầu như độ bền cơ học ổn định, chống nứt do ăn mòn và duy trì hiệu suất dưới điều kiện thay đổi nhiệt mạnh khiến Inconel 718 được đánh giá cao hơn nhiều vật liệu cạnh tranh khác.
Quy trình gia công và xử lý nhiệt
Gia công Inconel 718 khó khăn hơn nhiều kim loại thông dụng do vật liệu có độ cứng cao và khả năng tăng cứng biến dạng mạnh. Khi gia công cơ khí, dụng cụ cắt phải được chế tạo từ vật liệu cứng, sắc bén và có khả năng chịu nhiệt tốt. Tốc độ cắt thường được giữ thấp để tránh quá nhiệt, giảm bật cạnh và kéo dài tuổi thọ dụng cụ. Quy trình gia công thường được thực hiện với ứng suất cắt thấp nhằm hạn chế tạo biến dạng dư trong vật liệu.
Xử lý nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa tính chất cơ học của Inconel 718. Quy trình tiêu chuẩn bao gồm nung dung dịch ở nhiệt độ cao để hòa tan pha tăng cứng, sau đó tôi nhanh nhằm giữ cấu trúc pha đồng nhất trước khi hóa già. Giai đoạn hóa già được thực hiện trong khoảng nhiệt độ cho phép hình thành pha γ'' và γ'. Những pha này quyết định giới hạn chảy và độ bền kéo của hợp kim sau xử lý.
Các thông số xử lý nhiệt có thể gồm:
- Nhiệt độ nung dung dịch: khoảng 980–1000 °C
- Thời gian giữ nhiệt tùy theo kích thước chi tiết
- Quá trình tôi bằng khí hoặc dầu
- Giai đoạn hóa già kéo dài từ 8 đến 18 giờ trong hai bước nhiệt khác nhau
Khi kết hợp đúng quy trình, vật liệu đạt được độ bền, độ cứng và khả năng chịu mỏi tối ưu, phù hợp sử dụng trong các bộ phận có yêu cầu kỹ thuật cao.
Sản xuất bằng công nghệ in 3D kim loại
Inconel 718 là một trong những vật liệu phổ biến nhất trong công nghệ in 3D kim loại, đặc biệt là phương pháp nung chảy bằng laser (SLM) và nung chảy bằng electron (EBM). Bột kim loại Inconel 718 có khả năng nóng chảy và kết dính tốt dưới tác động của chùm tia năng lượng cao, giúp tạo ra chi tiết có mật độ lớn và tính chất cơ học ổn định.
Ưu điểm lớn của việc in 3D hợp kim này nằm ở khả năng tạo hình các cấu trúc phức tạp, giảm số lượng mối hàn, tối ưu hóa khối lượng và tăng hiệu suất khí động học của các chi tiết hàng không. Sau khi in, chi tiết thường được xử lý nhiệt để tối ưu hóa pha tăng cứng, tương tự như quy trình của vật liệu đúc hoặc rèn truyền thống.
Nhiều doanh nghiệp lớn như GE Additive (ge.com/additive) công bố thông số in tiêu chuẩn, bao gồm công suất laser, tốc độ quét, độ dày lớp bột và chế độ nung sau in. Nhờ đó, các nhà sản xuất dễ dàng duy trì chất lượng vật liệu đồng nhất giữa các lô sản phẩm.
Tiêu chuẩn kỹ thuật và kiểm định chất lượng
Inconel 718 được chuẩn hóa theo nhiều tiêu chuẩn quốc tế nhằm đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng vật liệu. Một số tiêu chuẩn tiêu biểu gồm ASTM B637 cho hợp kim niken rèn và AMS 5662 cho hợp kim niken dùng trong công nghiệp hàng không. Các tiêu chuẩn này xác định yêu cầu về thành phần hóa học, cơ tính, vi cấu trúc và phương pháp kiểm tra.
Quá trình kiểm định chất lượng vật liệu thường bao gồm phân tích hóa học nhằm xác nhận hợp kim đáp ứng đúng tỷ lệ nguyên tố. Kiểm tra cơ tính gồm thử kéo, thử độ cứng và thử mỏi. Kiểm tra vi cấu trúc được thực hiện bằng các kỹ thuật như hiển vi quang học, hiển vi điện tử hoặc phân tích nhiễu xạ để xác định sự phân bố của pha γ'' và γ'.
Một hệ thống kiểm định đầy đủ thường bao gồm các bước:
- Kiểm tra thành phần hóa học
- Đánh giá cơ tính ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao
- Quan sát vi cấu trúc và pha tăng cứng
- Đối chiếu kết quả với các tiêu chuẩn quốc tế hiện hành
Nhờ hệ thống tiêu chuẩn và quy trình kiểm định chặt chẽ, Inconel 718 duy trì được độ tin cậy cao trong các ứng dụng công nghiệp quan trọng.
Tài liệu tham khảo
- Special Metals Corporation. “Inconel Alloy 718.” specialmetals.com
- Haynes International. “High-Performance Alloys.” haynesintl.com
- GE Additive. “Metal Additive Materials.” ge.com/additive
- ASTM International. “ASTM B637 Specification.” astm.org
Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề inconel 718:
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 10