Udimet® / Waspaloy® – суперсплави за екстремни натоварвания
Характеристики на сплавите Udimet® и Waspaloy®
Удимет® и Уаспалой® Принадлежат към група високотемпературни суперсплави, предназначени за употреба в условия, при които класическите топлоустойчиви и устойчиви на пълзене стомани не осигуряват достатъчна издръжливост. Тези материали се използват предимно в авиацията, производството на електроенергия, газовите турбини, космическата индустрия и други устройства, едновременно изложени на високи температури, механични натоварвания, пълзене, окисление и високотемпературна корозия.
Семейството Udimet включва различни материали с различен химичен състав и механизми на укрепване. Следователно, всички сплави Udimet и Waspaloy не трябва да се считат за една единствена група никелови сплави с идентични свойства.
Уаспалой – UNS N07001 е никелова суперсплав, укрепена чрез валежи, в която γ′ фазата играе много важна роля. Удимет 188 – UNS R30188 Ораз Удимет L-605 – UNS R30605 са високотемпературни сплави на основата на кобалт. Механизмът им за постигане на висока якост и термична стабилност е различен от този на класическите никелови суперсплави, втвърдяващи се чрез валежно утаяване.
Waspaloy® – никелова суперсплав, усилена чрез валежно укрепване
Waspaloy – UNS N07001, W.No. 2.4654 е никел-хром-кобалтова суперсплав с добавки на молибден, титан и алуминий. Разработена е за работа при високи механични натоварвания при повишени температури.
Структурата му е базирана на аустенитна γ матрица на базата на никел. Подходящата термична обработка води до образуването на фини, кохерентни фазови утайки. γ′ – Ni3(Al,Ti)Тази фаза е един от основните механизми за укрепване на Waspaloy и му позволява да поддържа висока якост дори при температури, при които свойствата на конвенционалните структурни сплави се влошават значително.
Добавките на алуминий и титан са основно отговорни за образуването на γ′ фазата, докато хромът увеличава устойчивостта на окисление и високотемпературна корозия. Кобалтът влияе върху стабилността на матрицата и високотемпературните свойства, наред с други неща, а молибденът осигурява допълнително укрепване на разтвора.
Благодарение на внимателно подбрания си химичен състав и многоетапната термична обработка, Waspaloy се характеризира с висока якост на опън, устойчивост на пълзене и устойчивост на дългосрочни натоварвания при повишени температури.
Устойчивост на пълзене на Уаспалой
Едно от най-важните свойства на Уаспалой е висока устойчивост на пълзене и разкъсване при пълзенеПълзенето е процес на бавна и трайна деформация на материал при продължително натоварване и висока температура.
В компонентите на газовите турбини този процес е особено важен, защото компонентът може да работи едновременно в продължение на хиляди часове под въздействието на високи температури и високи механични натоварвания.
Стабилната никелова матрица и утайките от γ′ фазата ограничават движението на дислокациите и поддържат високата якост на материала при повишени температури. Ето защо Waspaloy се използва в най-критичните компоненти на самолетни двигатели и газови турбини.
Устойчивостта на Васпалой към окисляване
Значителното съдържание на хром позволява образуването на защитен оксиден слой върху повърхността на Waspaloy, което ограничава по-нататъшното окисляване на материала.
Устойчивостта на окисляване е особено важна в компонентите на турбинните двигатели и силовото оборудване, където материалът остава в контакт с горещи газове за дълги периоди.
Трябва обаче да се прави разграничение максималната температура, при която сплавта проявява устойчивост на окисляване, от температурата, при която тя може безопасно да издържи на високи механични натоварвания в продължение на хиляди часовеДопустимата проектна температура зависи от напрежението, необходимата издръжливост, термичната обработка и специфичната форма на продукта.
Термична обработка на Уаспалой
Свойствата на Waspaloy силно зависят от използваната термична обработка. Типичен процес включва термична обработка в разтвор и последващи стъпки на стареене, за да се контролира размерът, разпределението и пропорцията на утайките от γ′ фазата.
Промяната на параметрите на термична обработка позволява промяна в компромиса между якост, пластичност, съпротивление на пълзене и дълготрайност на умора. Следователно, механичните свойства на Waspaloy не трябва да се отчитат като единична стойност, независима от състоянието на материала.
Заваряване и машинна обработка Уаспалой
Васпалой е материал, който е значително по-взискателен технологично от типичните неръждаеми стомани и много стандартни никелови сплави. Високото му съдържание на γ′-фазообразуващи елементи изисква внимателно внимание към състоянието на материала, вложената топлина и последващата термична обработка по време на заваряване.
Сплавта може да е податлива на напукване по време на заваряване и термична обработка. При компоненти, подложени на високи натоварвания, заварените съединения изискват особено внимателно проектиране. Високотемпературните свойства на заваръчните шевове може да са по-лоши от тези на правилно термично обработения основен материал.
Машинната обработка е взискателна и поради високата якост на материала, склонността към втвърдяване по време на обработка и високите натоварвания върху инструментите.
Udimet® 188 – високотемпературна сплав на основата на кобалт
Удимет 188 – UNS R30188 е кобалтово-никелова-хромо-волфрамова сплав, предназначена за работа при много високи температури. За разлика от Waspaloy, тя не е класическа никелова суперсплав, укрепена с γ′ утайки.
Сплавта съдържа приблизително 20–24% хром, 20–24% никел и значително количество волфрам, докато основата на материала е кобалт. Малко количество лантан подпомага образуването на издръжлив и защитен оксиден слой.
Udimet 188 съчетава висока якост при повишени температури с много добра устойчивост на окисление, високотемпературна корозия и добра металургична стабилност при дългосрочно термично излагане.
Материалът запазва добра пластичност след продължително излагане на високи температури и се характеризира с добра формовъчност и заваряемост.
Udimet 188 устойчивост на окисляване и корозия при висока температура
Една от най-важните характеристики на Udimet 188 е способността му да работи при много високи температури. Сплавта показва много добра устойчивост на окисляване при продължително излагане на температури, достигащи приблизително 1095 ° C.
Високото съдържание на хром, комбинирано с добавянето на лантан, спомага за образуването на компактен и добре залепващ защитен слой. Udimet 188 също така демонстрира добра устойчивост на сулфуриране и висока устойчивост на някои форми на високотемпературна корозия, свързани със сулфатни отлагания.
Трябва да се подчертае, че температурата около 1095°C се отнася предимно до устойчивост на окисляване. Това не означава способност за издържане на максимални механични натоварвания при тази температура. Допустимите структурни напрежения намаляват с повишаване на температурата.
Приложение на Udimet 188 в газови турбини
Комбинацията от устойчивост на окисляване, якост при висока температура, металургична стабилност и добра заваряемост прави Udimet 188 особено подходящ за компоненти на горещи секции на газови турбини.
Типичните приложения включват:
- горивни камери на газови турбини,
- облицовки на горивната камера,
- стабилизатори на пламъка,
- преходни канали и елементи на системи за поток на горещи газове,
- компоненти на форсажната система на самолетния двигател,
- капаци и компоненти, изложени на пряко въздействие на горещи газове.
В тези приложения не само механичната якост е особено важна, но и устойчивостта на цикли на нагряване и охлаждане и поддържането на структурна стабилност по време на дълги часове работа.
Удимет® L-605 – UNS R30605
Удимет L-605 – UNS R30605 е друга високотемпературна сплав на основата на кобалт. Този материал е известен и с други търговски наименования, включително ХЕЙНС® 25.
Сплавта съдържа значителни количества хром, никел и волфрам. Високото съдържание на хром осигурява добра устойчивост на окисляване, докато волфрамът осигурява силно втвърдяване в разтвор и спомага за поддържане на механичните свойства при високи температури.
L-605 се характеризира с висока якост при повишени температури, добра устойчивост на окисляване и относително добра устойчивост на износване и заклинване.
Използва се, наред с други, в компоненти на газови турбини, горивни камери, компоненти на самолетни двигатели, компоненти, работещи при високи температури, и специализирани приложения, изискващи висока механична и термична устойчивост.
Уаспалой и Удимет 188 и L-605 – основни разлики
Най-важната разлика между тези материали е видът на матрицата и механизмът на укрепване.
Васпалой е суперсплав на никелова основа, чиито много високи механични свойства се постигат предимно чрез контролирано утаяване на γ′ фазата. Тя е особено полезна в компоненти, подложени на високи механични натоварвания при повишени температури.
Удимет 188 е сплав на кобалтова основа, чиито най-големи предимства са много висока устойчивост на окисляване, термична стабилност и запазване на добри свойства при дългосрочно излагане на високи температури.
Удимет Л-605 Това е сплав на кобалтова основа и използва предимно укрепване чрез разтвор. Тя съчетава висока якост при повишени температури с добра устойчивост на окисление и износване.
Следователно, тези материали не трябва да се считат за прости заместители. Waspaloy е особено интересен за силно механично натоварени компоненти на турбини, докато сплавите 188 и L-605 са много полезни в компоненти с горещ край, където устойчивостта на окисление, корозията при висока температура и термичната стабилност са от първостепенно значение.
Механични свойства
Не би трябвало да има един-единствен общ диапазон от Rp0,2, Rm, удължение и твърдост за Waspaloy, Udimet 188 и L-605. Това са материали с различни матрици, химичен състав, механизми на укрепване и състояния на термична обработка.
В случай на Васпалой Механичните свойства силно зависят от насищането и стареенето. Материалът може да постигне много висока граница на провлачване и якост на опън, а основното му предимство е поддържането на висока якост и устойчивост на пълзене при повишени температури.
В случай на Удимет 188 i L-605 По-важни от много високата граница на провлачване при стайна температура са термичната стабилност, устойчивостта на окисление, якостта при висока температура и запазването на свойствата след дългосрочно термично излагане.
Точните стойности на механичните свойства винаги трябва да бъдат свързани със специфичния клас, формата на продукта, температурата на изпитване и условията на термична обработка.
Стандарти и маркировки
Васпалой: UNS N07001, W.Nr. 2.4654. За пръти, ковашки материали и други ковани изделия се използва, наред с други, ASTM B637Съществуват и редица спецификации на AMS за аерокосмически приложения.
Удимет 188: UNS R30188. Материалът е обхванат предимно от аерокосмическите спецификации на AMS, включително: AMS 5608 за листове и ленти и AMS 5772 за пръти, суровини и изковки.
Удимет Л-605: UNS R30605. Материалът е посочен в множество промишлени и аерокосмически спецификации. Сплавта R30605 се използва и в медицински приложения, обхванати от съответните изисквания за материали, включително ASTM F90.
Стандартът винаги трябва да се избира за конкретната форма и приложение на продукта. Обозначението UNS идентифицира състава на сплавта, докато изискванията за свойства, условия на доставка, размери и изпитване са извлечени от съответния продуктов стандарт.
Типични приложения на сплавите Waspaloy и Udimet
Авиация – компоненти на турбинни двигатели, турбинни дискове и пръстени, валове, компоненти на компресори, горивни камери, облицовки, преходни канали и други компоненти на горещата част на двигателя.
енергетика – промишлени газови турбини, компоненти на високотемпературни инсталации, части от енергийно оборудване, работещи под дългосрочни термични и механични натоварвания.
Космическата индустрия – компоненти на задвижващата система и компоненти, работещи в екстремни термични условия.
Пещна и металургична промишленост – високотемпературни елементи на устройството, капаци, дръжки и компоненти, изложени на окисляване и дългосрочно излагане на високи температури.
Специализирано оборудване – компоненти, изискващи комбинация от висока якост, устойчивост на пълзене, структурна стабилност и устойчивост на корозия при висока температура.
Избор на високотемпературна суперсплав
Изборът между Waspaloy, Udimet 188 и L-605 трябва да вземе предвид не само максималната работна температура. Важни фактори са също механичните напрежения, необходимият експлоатационен живот, устойчивостта на пълзене, окислителните условия, съставът на горещите газове, температурните цикли и потенциалът за високотемпературна корозия.
За силно механично натоварени компоненти на турбини, свойствата на сплавта след подходяща термична обработка и стабилността на укрепващата фаза са от решаващо значение. За компонентите на горивната камера и каналите за горещи газове, устойчивостта на окисление, металургичната стабилност, устойчивостта на термична умора и способността за производство на заварени конструкции може да са от по-голямо значение.
Поради тази причина сравняването на суперсплави единствено въз основа на максималната работна температура може да доведе до неправилен избор на материал.
Методи за доставка
В зависимост от класа и спецификацията, суперсплавите Waspaloy и Udimet се предлагат, наред с други, като:
- пръти и суровини за коване,
- изковки,
- пръстени,
- листове и ленти,
- жици,
- заваръчни материали,
- полуготови продукти, предназначени за по-нататъшна обработка.
Наличността на конкретна форма на продукта зависи от класа, производствения стандарт, размерите и необходимите условия за термична обработка.
Видове, предлагани в офертата на Алфа-Тех:
- Udimet 188 – сплав от никел и кобалт, устойчивост на топлина и корозия,
- Udimet L-605 – много добра устойчивост на окисляване и пълзене, също и в химическа среда,
- Waspaloy – класическа свръхсплав за самолети, с отлична устойчивост на пълзене до 800°C.
Разделяне на никелови сплави
Никеловите сплави могат да бъдат разделени на няколко основни семейства, различаващи се по химичен състав, свойства и типични приложения. По-долу са изброени най-важните групи, заедно с примери за марки, предлагани от Алфа-Тех:
Никелови сплави
Inconel® – никелови и хромови суперсплави
Сплави с много висока устойчивост на окисляване и пълзене при високи температури. Използват се в енергийната, авиационната и химическата промишленост.
Видове: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.
Incoloy® – сплави от никел, желязо и хром
Те съчетават устойчивост на корозия с добра структурна стабилност. Те са особено ценени в химическата и нефтохимическата промишленост.
Видове: Инколой 800 H/HT, Инколой 825, Инколой 925, Инколой DS, Инколой 330, Инколой A-286.
Nimonic® – високотемпературни суперсплави
Материалите, усилени чрез валежно укрепване, използвани в авиацията и газовите турбини, се характеризират с висока устойчивост на пълзене и термична умора.
Видове: Нимоник 75, Нимоник 80A, Нимоник 90, Нимоник 263, Нимоник 901.
Udimet® / Waspaloy® – суперсплави за екстремни натоварвания
Използва се в авиационни двигатели и енергийната промишленост, където се изисква най-висока устойчивост на пълзене и термична умора.
Видове: Удимет 188, Удимет L-605, Уаспалой.
Монел® и чист никел – химическа и морска устойчивост
Монелът (никел-медни сплави) и чистият никел са материали, устойчиви на морска вода, киселини и основи. Те се използват често в морската, химическата и специализираната промишленост.
Видове: Монел 400, Монел К-500, Никел 200, Никел 201.
Специални сплави – Invar®, Kovar®, Permalloy
Материали с уникални физични свойства - нисък коефициент на термично разширение, размерна стабилност или контролирана магнитна пропускливост. Използват се в електрониката, оптиката и прецизните инструменти.
Видове: Инвар 36, Ковар, Пермалой, Ниломаг 77.
Hastelloy® / Haynes® – сплави, устойчиви на корозия и висока температура
Сплави с висока устойчивост на агресивни химични среди, окисление и пълзене. Използват се в химическата, енергийната и авиационната промишленост.
Видове: Хастелой B-2, B-3, C-276, C-22, C-4, C-2000, G-30, G-35, X, N; Хейнс 214, 230, 242, 282, HR-160.
Inconel®, Incoloy®, Nimonic®, Monel® и Udimet® са регистрирани търговски марки на Special Metals Corporation. Waspaloy® е търговска марка на ATI Allvac / Precision Castparts, Hastelloy® е търговска марка на Haynes International, Invar® и Kovar® са собственост на Imphy / ArcelorMittal.