Lega di nichel-cromo ad alta resistenza Inconel 718 API (UNS N07718)

Inconel 718 (UNS N07718) è un prodotto che indurisce per precipitazione nichel-cromo-ferro superlega che combina un'elevatissima resistenza allo snervamento e alla trazione con un'eccellente resistenza alla corrosione e saldabilità; quando viene fornita in condizioni di trattamento termico API/NACE/API-6A CRA, soddisfa i limiti di durezza e resistenza richiesti per le apparecchiature oil & gas in servizio acido ed è una delle principali leghe resistenti alla corrosione utilizzate per i componenti di superficie e per quelli in foro.

Cosa rende diverso l'Inconel 718

Le prestazioni della Lega 718 derivano da una matrice bilanciata di nichel-base rafforzata da due precipitati chiave (γ″ e γ′) prodotti durante l'invecchiamento controllato. La particolarità della lega è che la microstruttura sottoposta a trattamento termico consente di aumentare notevolmente la resistenza allo snervamento e alla trazione, pur mantenendo una buona duttilità e saldabilità. Ciò consente di fornire componenti che soddisfano i limiti di durezza e di snervamento NACE MR0175/ISO 15156 e API 6A CRA, fondamentali per gli ambienti a servizio acido.

Composizione chimica e caratteristiche metallurgiche

Gli intervalli di composizione tipici (wt%) per l'Inconel 718 sono approssimativamente:

(Gli intervalli chimici contrattuali precisi devono seguire le specifiche citate nell'ordine d'acquisto - le varianti API, AMS o ASTM elencano tolleranze leggermente diverse).

Note metallurgiche

• Fasi di precipitazione: Il γ″ (Ni₃Nb) è la principale fase di indurimento nel 718; anche il γ′ (Ni₃(Al,Ti)) contribuisce. Il controllo di Nb/Ti/Al e della storia termica determina la dimensione e la frazione di volume dei precipitati.

• Carburi e fase delta (δ): L'eccesso di δ (Ni₃Nb, ortorombico) o di carburi grossolani può degradare la tenacità e la duttilità; per ridurre al minimo le fasi dannose si utilizzano programmi di ricottura e invecchiamento in soluzione.

• Pratica di solidificazione: I percorsi di fusione multipli (VIM/VAR o ESR) sono utilizzati per i forgiati ad alta integrità nel settore aerospaziale o dell'oil & gas.

Proprietà meccaniche - varianti API tipiche e ad alta resistenza

L'Inconel 718 è venduto in una gamma di condizioni che vanno dalla ricottura (minore resistenza) all'invecchiamento massimo (maggiore). I gradi API/NACE per i giacimenti petroliferi sono induriti per invecchiamento e spesso sono prodotti per soddisfare snervamenti minimi o limiti di durezza specificati.

Tabella meccanica rappresentativa (condizione tipica invecchiata/di picco)

Classi API 6A CRA / 'API-718': La prassi API/fornitori divide comunemente il 718 API in classi in base alla resa minima: ~120 ksi (≈827 MPa) e ~140 ksi (≈965 MPa) e alcune varianti di prodotti ad alta resistenza dichiarano 150 ksi in forme specifiche. Queste varianti sono progettate con un invecchiamento preciso per ottenere la resa desiderata, controllando al contempo la durezza per un servizio acido.

Trattamento termico, indurimento per invecchiamento e controllo della microstruttura

La sequenza tipica per ottenere l'alta resistenza è la seguente:

1. Ricottura in soluzione (trattamento in soluzione): ad alta temperatura (≈980-1035 °C / ≈1800-1900 °F) per l'omogeneizzazione e la dissoluzione di Nb e altre fasi, seguita da raffreddamento (ad aria).

2. Invecchiamento (comunemente usato in due fasi): Ad esempio, ciclo di invecchiamento standard 718: 720 °C (≈1320-1350 °F) per 8 ore, raffreddamento a 620 °C (≈1150 °F) e mantenimento per 8 ore, quindi raffreddamento ad aria (esistono numerose varianti proprietarie). In questo modo si ottiene una distribuzione fine dei precipitati γ″/γ′ che conferisce un'elevata resistenza allo snervamento e alla trazione.

Consigli pratici

• Controllo dell'invecchiamento: Piccole deviazioni nella temperatura/tempo di invecchiamento alterano la resistenza e la durezza. Per la conformità NACE/MR0175, i produttori utilizzano sequenze personalizzate per rimanere al di sotto del limite massimo di durezza (di solito 40 HRC), ottenendo al contempo una resa minima.

• Effetti della dimensione della sezione: Le sezioni trasversali più grandi invecchiano e si raffreddano più lentamente; le proprietà meccaniche possono variare con lo spessore della sezione. Le specifiche talvolta richiedono prove di proprietà su sezioni di dimensioni rappresentative.

Standard internazionali e requisiti API / NACE per il settore oil & gas

Importanti documenti e specifiche comunemente citati per il 718 nel settore oil & gas:

• API 6A / API 6A CRA (supplemento): definisce i requisiti per le leghe di nichel temprabili all'età utilizzate nelle attrezzature per la testa del pozzo, per l'albero e per la perforazione. Stabilisce le aspettative di lavorazione e di test per i materiali utilizzati nelle attrezzature a pressione.

• NACE MR0175 / ISO 15156 (parte 3): fornisce i requisiti per i materiali resistenti alle cricche utilizzati in ambienti contenenti H₂S; la lega 718 può essere elencata con limiti di temperatura/pressione e vincoli di durezza. La conformità richiede un trattamento termico specifico e limiti di durezza (spesso Rockwell C ≤ 40 in condizioni di invecchiamento).

• AMS / ASTM / ASTM B637 / AMS5662 / AMS5663: specifiche di approvvigionamento aerospaziale e industriale che descrivono condizioni di ricottura, invecchiamento o altre condizioni con relativi test di accettazione.

Punti contrattuali chiave per gli ordini di acquisto

• Specificare il numero UNS (UNS N07718).

• Fare riferimento allo standard esatto (API 6A CRA rev X, NACE MR0175 ed Y).

• Indicare esplicitamente la resa minima e la durezza massima richieste.

• Includere i test richiesti (meccanici, PMI/chimici, NDT, microstruttura) e la tracciabilità (numeri di calore, certificati di laminazione).

Comportamento alla corrosione e limiti ambientali

La lega 718 offre una robusta resistenza alla corrosione generale, alla vaiolatura e alla corrosione interstiziale in molti ambienti con cloruri e ha una ragionevole resistenza alle cricche indotte da H₂S, a condizione che il materiale soddisfi i controlli di durezza e di trattamento termico NACE/ISO.

Ambienti H₂S (acidi)

• La NACE MR0175/ISO 15156 classifica i CRA e stabilisce i limiti di temperatura/pressione parziale. Per UNS N07718, la Tabella A.32 pone dei vincoli sulla temperatura e sulla pressione massime per il servizio acido e sottolinea la necessità di un trattamento termico controllato e del monitoraggio della durezza. Il mancato rispetto del limite di durezza aumenta la suscettibilità alle cricche da stress da solfuro e all'infragilimento da idrogeno.

Altri ambienti

• Acqua di mare e salamoia di cloruri: La lega 718 resiste alla vaiolatura meglio di molti acciai inossidabili, ma può comunque subire attacchi localizzati in condizioni di ristagno o di cloruri molto aggressivi.

• Resistenza all'ossidazione: Le temperature di servizio fino a ~650-700 °C (≈1200-1300 °F) sono tipiche per il mantenimento della resistenza; per la resistenza all'ossidazione continua a temperature più elevate, possono essere preferite altre leghe di nichel.

Fabbricazione, saldatura e giunzione

Uno dei motivi per cui il 718 è ampiamente utilizzato è la sua saldabilità rispetto a molte leghe ad alta resistenza.

• Saldabilità: Il 718 si salda bene utilizzando metalli d'apporto adeguati; i problemi sorgono se si trascura il trattamento termico post-saldatura (PWHT). La ricottura in soluzione e l'invecchiamento dei gruppi saldati sono comuni per le parti critiche.

• Selezione dell'apporto di saldatura: utilizzare riempitivi abbinati o approvati che consentano l'invecchiamento post-saldatura per ottenere un comportamento meccanico e anticorrosione compatibile.

• Distorsione e stress residuo: Grazie all'elevata resistenza, per i pezzi con tolleranze ristrette sono necessari un corretto fissaggio e sequenze di saldatura controllate.

• Lavorazione: Nello stato invecchiato, il 718 è difficile da lavorare a causa dell'elevata resistenza; molti fabbricanti lo lavorano nello stato morbido (ricotto in soluzione) e poi applicano il ciclo di invecchiamento.

Applicazioni nel settore oil & gas e aerospaziale

Petrolio e gas (obiettivo principale per API 6A CRA 718):

• Packers, ganci, accoppiamenti, connettori per il foro, valvole di sicurezza/rilievo, guarnizioni e dispositivi di fissaggio ad alta resistenza. La combinazione di resistenza e capacità di servizio in condizioni di acidità del 718 lo rende un pilastro per le attrezzature di completamento e perforazione.

Aerospaziale e turbine a gas:

• I dischi, gli alberi e gli elementi di fissaggio delle turbine utilizzavano storicamente varianti più vecchie della 718 (condizioni AMS). La domanda del settore aerospaziale ha spinto lo sviluppo della lega per le sue proprietà di resistenza allo scorrimento e alla fatica.

Altri settori:

• Componenti nucleari, alberi di pompe ad alta pressione e alcune apparecchiature per il trattamento chimico in cui sono richieste elevata forza e resistenza alla corrosione.

Ispezione, collaudo e qualificazione per il servizio acido

La matrice di test comune per la fornitura di API 718 comprende:

• Identificazione positiva del materiale (PMI): confermare la composizione.

• Test meccanici: trazione, snervamento e allungamento su campioni rappresentativi.

• Test di durezza: Rockwell C e/o Brinell su tutto il lotto - obbligatorio per la conformità NACE MR0175.

• Esame microstrutturale: per la distribuzione dei precipitati, la dimensione dei grani e l'assenza di fasi dannose.

• Controlli non distruttivi (NDT): particelle magnetiche (per le inclusioni ferromagnetiche), liquidi penetranti, ultrasuoni come specificato.

• Screening dell'infragilimento da idrogeno / test SSC: richiesta in alcune applicazioni acide; la guida NACE indica quando il test SCC è obbligatorio.

Moduli di approvvigionamento, marcatura e tracciabilità

I fornitori forniscono tipicamente 718 in barre, forgiati, piastre, anelli, barre senza saldatura e componenti lavorati. Per l'uso API/NACE gli ordini richiedono comunemente:

• Certificati di prova del mulino (EN 10204 tipo 3.1 o equivalente).

• Tracciabilità del numero di calore dalla fusione al pezzo finito.

• Documentazione dei cicli di trattamento termico effettuati (profili di temperatura/tempo).

• Registri di durezza e rapporti di prova meccanica per ogni lotto/partita.

Selezione comparativa (718 vs altre leghe comuni)

Logica di selezione: quando è richiesto un carico di snervamento molto elevato combinato con la resistenza alla corrosione, sono da preferire le varianti 718 API.

Considerazioni sulla progettazione - fatica, creep e temperatura

• Stanchezza: Il 718 ha buone prestazioni a fatica in condizioni di invecchiamento; tuttavia, la finitura superficiale, le tensioni residue e le variazioni di trattamento termico sono fattori critici. La pallinatura e i trattamenti superficiali possono aumentare la durata a fatica.

• Strisciante: La 718 mantiene un'utile resistenza allo scorrimento fino a ≈650-700 °C. Per esposizioni continue al di sopra di questi intervalli, si possono scegliere altre superleghe di nichel (ad esempio, le leghe 713 e 625).

• Limiti di temperatura per servizio acido: Le tabelle NACE/ISO forniscono dei limiti; gli ingegneri devono fare riferimento alla temperatura effettiva e alla pressione parziale di H₂S per determinare se il 718 è consentito per il servizio specifico.

Casi emblematici e modalità di guasto da evitare

Cause principali comuni quando i componenti 718 si guastano sul campo:

• Trattamento termico non corretto: un invecchiamento insufficiente o un'errata ricottura in soluzione, che porta a una bassa resistenza o a una fragilità localizzata.

• Superamento dei limiti di durezza NACE: I componenti temprati oltre gli HRC consentiti o con elevate tensioni residue possono subire cricche da sollecitazione da solfuro.

• Errata corrispondenza tra sezione e trattamento termico: I forgiati di grandi dimensioni necessitano di controlli di invecchiamento o post-lavorazione adattati, poiché le proprietà variano con lo spessore della sezione.

• Metallurgia mista senza un adeguato isolamento galvanico: I connettori che combinano metalli dissimili in acqua di mare possono favorire un attacco localizzato al componente meno nobile.

Tabelle di riferimento rapido

Tabella A - Composizione chimica tipica (normalizzata)

(Gli intervalli delle specifiche variano leggermente in base alle varianti AMS, ASTM o API: specificare sempre il documento richiesto).

Tabella B - Esempi di cicli di trattamento termico (illustrativi)

(I cicli effettivi possono variare; i fornitori di solito documentano i profili di trattamento termico).

Domande frequenti

1) L'Inconel 718 è adatto al servizio in condizioni acide (H₂S)?
Sì, a condizione che il materiale sia prodotto e trattato termicamente per soddisfare i requisiti NACE MR0175 / ISO 15156-3 e API 6A CRA (compresi i limiti di durezza massima e il trattamento termico documentato). Verificare i rapporti di prova del fornitore.

2) Qual è la differenza tra AMS e API 6A CRA 718?
Le specifiche AMS (ad esempio, AMS5662/5663) definiscono comunemente le condizioni di trattamento termico del settore aerospaziale e i test di accettazione; l'API 6A CRA aggiunge limiti di lavorazione, test e durezza specifici per il settore petrolifero e del gas, adattati al servizio acido. Scegliete la specifica più adatta all'applicazione.

3) Quale durezza è accettabile per la conformità NACE?
In genere Rockwell C ≤ 40 nella condizione di solubilizzazione + invecchiamento, ma è necessario confermare l'edizione e la tabella specifica per l'applicazione (NACE/ISO ha vincoli dipendenti dalla temperatura).

4) È possibile saldare il 718 e utilizzarlo ancora in servizio acido?
Sì, ma gli assemblaggi saldati devono ricevere cicli di ricottura e invecchiamento in soluzione corretti (o il trattamento termico post-saldatura specificato) e devono essere verificati mediante durezza e ispezione microstrutturale per garantire la conformità NACE.

5) Quali sono i valori di rendimento minimo tipici per le classi API 718?
La prassi comune del settore prevede classi di resistenza minima allo snervamento intorno ai 120 ksi e 140 ksi; alcuni fornitori offrono un prodotto speciale ad alta resistenza da 150 ksi in forme limitate. Specificare sempre il minimo richiesto nell'ordine di acquisto.

6) Esistono limiti di temperatura per il 718 in servizio acido?
Sì. Le tabelle NACE MR0175 / ISO 15156 stabiliscono una guida alla temperatura/pressione; gli ingegneri devono convalidare la combinazione specifica di temperatura e pressione parziale H₂S in base a tali tabelle.

7) In che modo lo spessore della sezione influisce sulle proprietà meccaniche?
Le sezioni di grandi dimensioni si raffreddano e invecchiano in modo diverso; le proprietà di snervamento e di trazione e la durezza possono variare in base alle dimensioni della sezione. I fornitori spesso testano sezioni rappresentative o forniscono indicazioni di declassamento.

8) Il 718 è magnetico?
Nella maggior parte delle condizioni il 718 è debolmente magnetico o quasi non magnetico a causa della sua matrice austenitica di nichel; tuttavia, la lavorazione a freddo o alcune distribuzioni di precipitati possono renderlo leggermente magnetico.

9) Quali sono i test NDT e di qualificazione tipicamente richiesti per le parti critiche?
PMI, prove di trazione, prove di durezza, esame microstrutturale e NDT appropriati (UT/MT/PT), oltre a qualsiasi prova di infragilimento da idrogeno o SSC richiesta dalla specifica di acquisto.

10) Alternative se l'applicazione richiede una maggiore resistenza alla corrosione generale?
Se la resistenza alla vaiolatura o al cloruro è fondamentale, considerare leghe come la 625, la 725 o i CRA più nobili; se è richiesta una resistenza allo scorrimento a temperature più elevate, valutare altre superleghe a base di nichel, studiate appositamente per lo scorrimento.