Nimonic® – vysokoteplotní superslitiny
Charakteristiky slitin Nimonic®
Nimonic® je řada vysokoteplotních slitin na bázi niklu, které jsou navrženy pro provoz v podmínkách současného vystavení vysokým teplotám, mechanickému namáhání, tečení, oxidaci a vysokoteplotní korozi . Tyto slitiny patří mezi nejdůležitější materiály používané při vývoji turbínových motorů, pro výrobu energie a zařízení pracujících v extrémních tepelných podmínkách. Základními složkami většiny slitin Nimonic jsou nikl a chrom . V závislosti na jakosti se k řízení struktury a vlastností materiálu používají také přísady kobaltu , molybdenu , titanu , hliníku , železa , uhlíku , boru a dalších prvků. Vysoký obsah niklu zajišťuje stabilitu austenitické γ matrice v širokém teplotním rozsahu, zatímco chrom je primárně zodpovědný za odolnost vůči oxidaci a vysokoteplotní korozi. V mnoha slitinách Nimonic umožňuje přidání hliníku a titanu vznik fáze γ′ – Ni3 ( Al,Ti) , která je zodpovědná za velmi vysokou pevnost a odolnost proti tečení při zvýšených teplotách. Ne všechny slitiny Nimonic se však kalí stejným způsobem. Například Nimonic 75 je primárně slitina zpevněná roztokem, zatímco Nimonic 80A, 90, 105, 115 a 263 využívají mechanismus zpevnění precipitací v různé míře.
Proč si Nimonic zachovává svou pevnost i při vysokých teplotách?
U konvenčních konstrukčních materiálů vede zvyšující se teplota k rychlému poklesu meze kluzu a pevnosti v tahu a ke zvýšené náchylnosti k tečení. Nimonické superslitiny jsou navrženy tak, aby tento proces výrazně zpomalily. Stabilní niklová matrice si zachovává svou austenitickou strukturu v širokém teplotním rozsahu. U slitin s precipitačním zpevněním jemné precipitáty fáze γ′ brání pohybu dislokací a omezují deformaci materiálu. Kobalt a molybden mohou dále zpevnit matrici a zlepšit vlastnosti za vysokých teplot, zatímco správně kontrolované karbidy ovlivňují chování hranic zrn a odolnost proti tečení. V důsledku toho může správně zvolená nimonická slitina snášet zatížení po delší dobu při teplotách, při kterých konvenční konstrukční oceli a mnoho nerezových ocelí ztrácejí značnou část svých mechanických vlastností.
Odolnost proti tečení
Jednou z nejdůležitějších vlastností slitin Nimonic je odolnost proti tečení a prasknutí při tečení . Tečení je pomalá, trvalá deformace materiálu při konstantním zatížení a zvýšených teplotách. Tento jev má zásadní význam u plynových turbín, leteckých motorů, zařízení na výrobu energie a průmyslových instalací pracujících nepřetržitě po tisíce hodin. Vhodnost konkrétní slitiny Nimonic proto není určena pouze její pevností v tahu měřenou při pokojové teplotě. V mnoha aplikacích je mnohem důležitější pevnost v tahu při tečení, doba do prasknutí při daném napětí a teplotě a strukturální stabilita po tisících hodinách tepelného vystavení.
Odolnost vůči oxidaci a korozi za vysokých teplot
Chrom přítomný ve slitinách Nimonic umožňuje tvorbu ochranné oxidové vrstvy, která omezuje další oxidaci materiálu. V některých jakostech hraje významnou roli také hliník. To umožňuje použití slitin Nimonic v kontaktu s horkými plyny a atmosférami, které se nacházejí v turbínách, motorech, pecích a procesních zařízeních. Maximální teplota oxidační odolnosti by však neměla být srovnávána s maximální provozní teplotou součásti nesoucí těžká zatížení. Materiál si může udržet dobrou povrchovou odolnost proti oxidaci při teplotách, kde je jeho přípustné konstrukční napětí výrazně nižší. Výběr slitiny proto vyžaduje současnou analýzu teploty, napětí, provozní doby a prostředí.
Nimonic® 75 – klasická slitina niklu a chromu
Nimonic 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630, je jednou ze základních slitin rodiny Nimonic. Jedná se o slitinu niklu a chromu s kontrolovaným přídavkem titanu a uhlíku, určenou především pro aplikace vyžadující dobrou odolnost vůči oxidaci, vysokoteplotní korozi a odpovídající mechanické vlastnosti při zvýšených teplotách. Na rozdíl od Nimonic 80A nebo Nimonic 90 není Alloy 75 klasickou γ′ precipitačně zpevňovanou superslitinou. Její vlastnosti vyplývají především ze složení matrice a pečlivě kontrolované mikrostruktury. Nimonic 75 se vyznačuje dobrou obrobitelností a svařitelností, a proto se široce používá pro součásti vyrobené z plechů, pásového kovu a trubek. Mezi typické aplikace patří součásti plynových turbín, spalovací komory, potrubí pro horké plyny, součásti průmyslových pecí, zařízení pro tepelné zpracování a součásti vysokoteplotních zařízení.
Nimonic® 80A – slitina vytvrzovaná precipitací
Nimonic 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 , je superslitina niklu a chromu, která je vytvrzena precipitací přidáním titanu a hliníku. Vhodné tepelné zpracování vytváří fázi γ′, která výrazně zvyšuje pevnost a odolnost materiálu proti tečení. Nimonic 80A kombinuje vysokou pevnost při zvýšených teplotách s dobrou odolností vůči oxidaci a vysokoteplotní korozi. Materiál se používá v aplikacích, jako jsou plynové turbíny, spalovací motory, součásti ventilů, vysoce zatížené spojovací prvky a další součásti pracující za vysokých teplot.
Nimonic® 81 – vysoká odolnost proti oxidaci
Nimonic 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 je vysokoteplotní slitina niklu a chromu na bázi Nimonic 80A, ale se zvýšeným obsahem chromu. Vyšší obsah chromu poskytuje mimořádně vysokou odolnost proti oxidaci a korozi za vysokých teplot. Slitina je určena pro aplikace, kde je povrchová odolnost vůči horkým plynům stejně důležitá jako mechanické vlastnosti. Používá se mimo jiné v součástech pecí, plynových turbínách, zařízeních pro tepelné zpracování a průmyslových instalacích pracujících při vysokých teplotách.
Nimonic® 90 – vysoká pevnost a odolnost proti tečení
Nimonic 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 je nikl-chrom-kobaltová precipitačně zpevněná superslitina. Obsahuje značné množství kobaltu spolu s příměsmi titanu a hliníku, které jsou zodpovědné za tvorbu fáze γ′. Kombinace precipitačního zpevnění a vhodného složení matrice poskytuje vysokou pevnost, odolnost proti tečení a oxidaci při zvýšených teplotách. Nimonic 90 se používá pro součásti vyžadující vysokou pevnost během dlouhodobého tepelného provozu, včetně lopatek a součástí turbín, kotoučů, kroužků, spojovacích prvků a součástí zařízení odolných vůči vysokým teplotám.
Nimonic® 105 – superslitina pro vysoce zatížené součásti turbín
Nimonic 105 – UNS N13021 je vysokopevnostní superslitina na bázi niklu obsahující značné množství kobaltu, chromu a molybdenu s přídavkem hliníku a titanu. Materiál byl vyvinut pro vysoké mechanické vlastnosti a odolnost proti tečení za zvýšených teplot. Vysoký obsah fáze γ′ zajišťuje velmi účinné precipitační zpevnění. Nimonic 105 se používá především ve vysoce zatížených součástech plynových turbín, zejména tam, kde je vyžadována vysoká odolnost proti tečení a dlouhodobé zachování mechanických vlastností.
Nimonic® 115 – vysokopevnostní niklová slitina
Nimonic 115 je superslitina niklu, chromu a kobaltu s přídavkem molybdenu, hliníku a titanu. Byla vyvinuta pro zajištění velmi vysoké meze tečení při vysokých teplotách. Vysoký obsah prvků tvořících γ′-fázu zajišťuje silné precipitační zpevnění a vysokou mechanickou stabilitu při dlouhodobém tepelném zatížení. Slitina je primárně určena pro náročné součásti plynových turbín a další vysoce namáhané součásti pracující s vysokými teplotami.
Nimonic® 263 – pevnost v kombinaci s dobrou svařitelností
Nimonic 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650, je nikl-kobalt-chromová precipitačně vytvrzovatelná superslitina. Byla vyvinuta s cílem poskytnout příznivou kombinaci pevnosti za vysokých teplot, odolnosti proti oxidaci, tažnosti a dobré svařitelnosti. Ve srovnání s některými vysoce zpevněnými γ′ superslitinami nabízí Nimonic 263 vylepšenou svařitelnost a schopnost vyrábět složité plechové komponenty. Díky tomu se používá mimo jiné ve spalovacích komorách, komponentách plynových turbín, výfukových systémech, komponentách horkých plynů a v leteckém a energetickém průmyslu.
Nimonic 75, 80A, 90 a 263 – základní rozdíly
Nimonic 75 by měl být zvažován především pro aplikace vyžadující dobrou odolnost proti oxidaci a korozi za vysokých teplot a také dobrou zpracovatelnost. Nimonic 80A je slitina vytvrzovaná precipitací a nabízí výrazně vylepšené mechanické vlastnosti a odolnost proti tečení. Nimonic 90 také obsahuje značné množství kobaltu a byl vyvinut pro ještě náročnější aplikace za vysokých teplot. Nimonic 263 kombinuje vysokou pevnost při zvýšených teplotách s dobrou tažností a svařitelností, díky čemuž je obzvláště vhodný pro složité svařované konstrukce. Tyto jakosti by neměly být považovány za přímé náhrady. Výběr závisí na teplotě, namáhání, životnosti, požadované odolnosti proti tečení, způsobu výroby součásti a podmínkách prostředí.
Tepelné zpracování slitin Nimonic®
U nimonických slitin s precipitačním zpevněním je tepelné zpracování nezbytné pro dosažení požadovaných vlastností. Proces může zahrnovat rozpouštěcí tepelné zpracování a jeden nebo více kroků stárnutí. Během stárnutí je řízena tvorba a distribuce fáze γ′ a dalších mikrostrukturních složek. Teplota, čas a rychlost ochlazování ovlivňují velikost precipitátů, strukturu hranic zrn, pevnost, tažnost a odolnost proti tečení. Proto by mechanické vlastnosti nimonických slitin neměly být uváděny bez specifikace stavu tepelného zpracování a formy výrobku.
Svařování slitin Nimonic®
Svařitelnost slitin Nimonic závisí na konkrétní jakosti a stupni jejího kalení. Nimonic 75 se vyznačuje relativně dobrou svařitelností. Slitiny obsahující vyšší množství hliníku a titanu a vysoký obsah fáze γ′ jsou technologicky náročnější a mohou vykazovat větší náchylnost k praskání během svařování nebo následného tepelného zpracování. Nimonic 263 byl vyvinut mimo jiné za účelem dosažení dobré svařitelnosti při zachování vysokých mechanických vlastností při zvýšených teplotách. U kritických konstrukcí by technologie svařování měla zohledňovat stav materiálu před svařováním, procesní parametry, přídavný materiál a požadované tepelné zpracování po svařování.
Obrábění
Stejně jako jiné superslitiny na bázi niklu jsou nimonické materiály náročné na obrábění. Vysoká pevnost, nízká tepelná vodivost a sklon k deformačnímu zpevnění kladou značné namáhání na špičku nástroje. Obrábění jakostí po konečném precipitačním zpevnění může být obzvláště náročné. Proto se některé mechanické operace provádějí v pečlivě zvoleném stavu materiálu před konečným stárnutím. Obrábění vyžaduje pevné technologické nastavení, vhodné nástroje, stabilní řezné parametry a efektivní odvod tepla.
Typické aplikace slitin Nimonic®
Letectví – lopatky a součásti turbín, kroužky, kotouče, spalovací komory, součásti výfukových systémů a vysoce zatížené části leteckých motorů. Energetika – průmyslové plynové turbíny, horké části energetických zařízení a součásti pracující při trvalém tepelném zatížení. Automobilový průmysl – ventily motorů, součásti turbodmychadel a součásti pracující v proudech horkých plynů. Peceřský průmysl – součásti pecí, zařízení pro tepelné zpracování, držáky, kryty a součásti vystavené dlouhodobé oxidaci. Chemický a zpracovatelský průmysl – instalační součásti vyžadující současně odolnost vůči vysokým teplotám a agresivnímu prostředí. Kosmická technologie – součásti pohonných systémů a konstrukcí vystavené vysokým teplotám a mechanickému zatížení.
Výběr správné slitiny Nimonic®
Při výběru třídy Nimonic je důležité určit nejen maximální provozní teplotu, ale také povahu zatížení a požadovanou životnost. Součást pracující několik minut při velmi vysokých teplotách vyžaduje jiné vlastnosti než součást turbíny pracující desítky tisíc hodin za stálého namáhání. Je třeba zvážit odolnost proti tečení, tepelné a mechanické únavě, oxidaci, vysokoteplotní korozi, teplotním cyklům a schopnost svařovat spoje. Důležité jsou také požadavky na tepelné zpracování a následné obrábění. Proto neexistuje jediná „nejlepší třída Nimonic“. Jednotlivé třídy byly vyvinuty pro různé kombinace teploty, namáhání, prostředí a technologie výroby součástí.
Způsoby dodávání slitin Nimonic®
V závislosti na jakosti a specifikaci jsou slitiny Nimonic k dispozici mimo jiné jako:
- plechy a desky,
- pásky,
- kulaté tyče,
- dráty,
- trubky,
- výkovky,
- prsteny,
- materiály určené k dalšímu kování a zpracování,
- polotovary vyrobené dle specifických průmyslových a leteckých specifikací.
Dostupnost konkrétního tvaru výrobku závisí na jakosti, velikosti, podmínkách tepelného zpracování a požadovaném výrobním standardu.
Slitiny Nimonic®
- Nimonic 75 / Alloy 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Slitina Ni-Cr s velmi dobrou odolností proti oxidaci a korozi za vysokých teplot, používaná mimo jiné ve spalovacích komorách a zařízeních pro tepelné zpracování.
- Nimonic 80A / Alloy 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – precipitačně kalená slitina Ni-Cr-Ti-Al s vysokou pevností a odolností proti tečení.
- Nimonic 81 / Alloy 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – slitina niklu s vysokým obsahem chromu určená pro aplikace vyžadující velmi vysokou odolnost vůči oxidaci a korozi za vysokých teplot.
- Nimonic 90 / Alloy 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – slitina Ni-Cr-Co-Ti-Al s precipitačním zpevněním a vysokou odolností proti tečení a oxidaci.
- Nimonic 105 / Alloy 105 – UNS N13021 – vysokopevnostní superslitina Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti určená především pro vysoce zatížené součásti turbín.
- Nimonic 115 / Alloy 115 – vysokopevnostní superslitina Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti s vysokým obsahem fáze γ′, určená pro provoz za vysokého zatížení a zvýšených teplot.
- Nimonic 263 / Alloy 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – slitina Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al s precipitačním zpevněním, která kombinuje vysokou pevnost za vysokých teplot s dobrou svařitelností a technologickou vhodností.
Viz také
Niklové slitiny
Inconel® – superslitiny niklu a chromu
Slitiny s velmi vysokou odolností proti oxidaci a tečení za vysokých teplot. Používají se v energetickém, leteckém a chemickém průmyslu.
Druhy: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.
Incoloy® – slitiny niklu, železa a chromu
Kombinují odolnost proti korozi s dobrou strukturální stabilitou. Jsou obzvláště ceněny v chemickém a petrochemickém průmyslu.
Druh: Incoloy 800 H/HTIncoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.
Nimonic® – vysokoteplotní superslitiny
Materiály zpevněné precipitací používané v letectví a plynových turbínách se vyznačují vysokou odolností proti tečení a tepelné únavě.
Typy: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.
Udimet® / Waspaloy® – superslitiny pro extrémní zatížení
Používá se v leteckých motorech a energetickém průmyslu, kde je vyžadována nejvyšší odolnost proti tečení a tepelné únavě.
Druh: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.
Monel® a čistý nikl – chemická a mořská odolnost
Monel (slitiny niklu a mědi) a čistý nikl jsou materiály odolné vůči mořské vodě, kyselinám a zásadám. Často se používají v námořním, chemickém a specializovaném průmyslu.
Druhy: Monel 400, Monel K-500, Nikl 200, Nikl 201.
Speciální slitiny – Invar®, Kovar®, Permalloy
Materiály s jedinečnými fyzikálními vlastnostmi – nízkým koeficientem tepelné roztažnosti, rozměrovou stálostí nebo řízenou magnetickou permeabilitou. Používají se v elektronice, optice a přesných přístrojích.
Druhy: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.
Hastelloy® / Haynes® – slitiny odolné proti korozi a vysokým teplotám
Slitiny s vysokou odolností vůči agresivnímu chemickému prostředí, oxidaci a tečení. Používají se v chemickém, energetickém a leteckém průmyslu.
Jakosti: Hastelloy B-2, B-3, C-276, C-22, C-4, C-2000, G-30, G-35, X, N; Haynes 214, 230, 242, 282, HR-160.