Nimonic ® – højtemperatur superlegeringer

Nimonic® – højtemperatur superlegeringer

Karakteristika for Nimonic®-legeringer

Nimonic® er en familie af højtemperatur nikkelbaserede legeringer designet til at fungere under forhold med samtidig eksponering for høj temperatur, mekanisk belastning, krybning, oxidation og højtemperaturkorrosion . Disse legeringer er blandt de vigtigste materialer, der anvendes i udviklingen af turbinemotorer, kraftproduktion og udstyr, der opererer under ekstreme termiske forhold. De grundlæggende komponenter i de fleste Nimonic-legeringer er nikkel og krom . Afhængigt af kvaliteten bruges tilsætning af kobolt , molybdæn , titanium , aluminium , jern , kulstof , bor og andre elementer også til at kontrollere materialets struktur og egenskaber. Det høje nikkelindhold sikrer stabiliteten af den austenitiske γ-matrix over et bredt temperaturområde, mens krom primært er ansvarlig for modstandsdygtighed over for oxidation og højtemperaturkorrosion. I mange Nimonic-legeringer muliggør tilsætning af aluminium og titanium dannelsen af γ′-fasen – Ni3 ₍ Al,Ti) , som er ansvarlig for meget høj styrke og krybningsmodstand ved forhøjede temperaturer. Imidlertid hærdes ikke alle Nimonic-legeringer på samme måde. For eksempel er Nimonic 75 primært en opløsningsforstærket legering, mens Nimonic 80A, 90, 105, 115 og 263 udnytter udfældningsforstærkningsmekanismen i varierende grad.

Hvorfor bevarer Nimonic sin styrke ved høje temperaturer?

I konventionelle strukturmaterialer fører stigende temperatur til et hurtigt fald i flydespænding og styrke samt øget krybemodtagelighed. Nimonic-superlegeringer er designet til at bremse denne proces betydeligt. Den stabile nikkelmatrix bevarer sin austenitiske struktur over et bredt temperaturområde. I udfældningshærdende legeringer hindrer fine γ′-faseudfældninger dislokationsbevægelse og begrænser materialedeformation. Kobolt og molybdæn kan yderligere styrke matrixen og forbedre egenskaber ved høje temperaturer, mens korrekt kontrollerede karbider påvirker korngrænseadfærd og krybemodstand. Som et resultat kan et korrekt valgt Nimonic modstå belastninger i længere perioder ved temperaturer, hvor konventionelle strukturstål og mange rustfrie ståltyper mister en betydelig del af deres mekaniske egenskaber.

Krybemodstand

En af de vigtigste egenskaber ved Nimonic-legeringer er modstandsdygtighed over for krybning og krybebrud . Krybning er den langsomme, permanente deformation af et materiale under konstant belastning ved forhøjede temperaturer. Dette fænomen er af afgørende betydning i gasturbiner, flymotorer, kraftproduktionsudstyr og industrielle installationer, der er i kontinuerlig drift i tusindvis af timer. Derfor bestemmes egnetheden af en specifik Nimonic-legering ikke kun af dens trækstyrke målt ved stuetemperatur. I mange anvendelser er krybestyrke, tid til brud ved en given spænding og temperatur samt strukturel stabilitet efter tusindvis af timers termisk eksponering meget vigtigere.

Modstandsdygtighed over for oxidation og højtemperaturkorrosion

Krommet i Nimonic-legeringer muliggør dannelsen af et beskyttende oxidlag, der begrænser yderligere oxidation af materialet. Aluminium spiller også en betydelig rolle i nogle kvaliteter. Dette gør det muligt at bruge Nimonic-legeringer i kontakt med varme gasser og atmosfærer, der findes i turbiner, motorer, ovne og procesanlæg. Den maksimale oxidationsmodstandstemperatur bør dog ikke sidestilles med den maksimale driftstemperatur for en komponent, der bærer tunge belastninger. Materialet kan opretholde god overfladeoxidationsmodstand ved temperaturer, hvor dets tilladte designspænding er betydeligt lavere. Derfor kræver valg af legering en samtidig analyse af temperatur, spænding, driftstid og miljøet.

Nimonic® 75 – klassisk nikkel-kromlegering

Nimonic 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630, er en af basislegeringerne i Nimonic-familien. Det er en nikkel-kromlegering med kontrollerede tilsætninger af titanium og kulstof, primært beregnet til anvendelser, der kræver god modstandsdygtighed over for oxidation, højtemperaturkorrosion og tilstrækkelige mekaniske egenskaber ved forhøjede temperaturer. I modsætning til Nimonic 80A eller Nimonic 90 er legering 75 ikke en klassisk γ′-udfældningshærdende superlegering. Dens egenskaber stammer primært fra dens matrixsammensætning og omhyggeligt kontrollerede mikrostruktur. Nimonic 75 er karakteriseret ved god bearbejdelighed og svejsbarhed, hvilket er grunden til, at den er meget anvendt til komponenter fremstillet af metalplader, båndmetal og rør. Typiske anvendelser omfatter gasturbinekomponenter, forbrændingskamre, varmgaskanaler, industrielle ovnkomponenter, varmebehandlingsudstyr og højtemperaturanlægskomponenter.

Nimonic® 80A – udfældningshærdende legering

Nimonic 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 , er en nikkel-krom superlegering, der er udfældningshærdet ved tilsætning af titanium og aluminium. Passende varmebehandling producerer en γ′-fase, hvilket øger materialets styrke og krybemodstand betydeligt. Nimonic 80A kombinerer høj styrke ved forhøjede temperaturer med god modstandsdygtighed over for oxidation og højtemperaturkorrosion. Materialet anvendes i applikationer som gasturbiner, forbrændingsmotorer, ventilkomponenter, højt belastede fastgørelseselementer og andre komponenter, der opererer under høje temperaturbelastninger.

Nimonic® 81 – høj oxidationsbestandighed

Nimonic 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 er en højtemperatur nikkel-kromlegering baseret på Nimonic 80A, men med øget kromindhold. Det højere kromindhold giver en exceptionel høj modstandsdygtighed over for oxidation og højtemperaturkorrosion. Legeringen er designet til anvendelser, hvor overflademodstand mod varme gasser er lige så vigtig som mekaniske egenskaber. Den anvendes blandt andet i ovnkomponenter, gasturbiner, varmebehandlingsudstyr og industrielle installationer, der opererer ved høje temperaturer.

Nimonic® 90 – høj styrke og krybemodstand

Nimonic 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 er en nikkel-krom-kobolt-udfældningshærdende superlegering. Den indeholder en betydelig mængde kobolt sammen med titanium- og aluminiumtilsætninger, der er ansvarlige for dannelsen af γ′-fasen. Kombinationen af udfældningsforstærkning og en passende matrixsammensætning giver høj styrke, krybemodstand og oxidationsmodstand ved forhøjede temperaturer. Nimonic 90 anvendes til komponenter, der kræver høj styrke under langvarig termisk drift, herunder turbineblade og -komponenter, skiver, ringe, fastgørelseselementer og højtemperaturudstyrskomponenter.

Nimonic® 105 – en superlegering til højt belastede turbinekomponenter

Nimonic 105 – UNS N13021 er en nikkelbaseret superlegering med høj styrke, der indeholder betydelige mængder kobolt, krom og molybdæn med tilsætning af aluminium og titanium. Materialet blev udviklet til høje mekaniske egenskaber og krybemodstand ved forhøjede temperaturer. Det høje γ′-faseindhold giver en meget effektiv udfældningshærdning. Nimonic 105 anvendes primært i højt belastede gasturbinekomponenter, især hvor høj krybemodstand og langvarig bevarelse af mekaniske egenskaber er påkrævet.

Nimonic® 115 – en nikkellegering med høj styrke

Nimonic 115 er en nikkel-krom-kobolt superlegering med tilsætninger af molybdæn, aluminium og titanium. Den blev udviklet til at give meget høj krybestyrke ved høje temperaturer. Det høje indhold af γ′-fasedannende elementer giver stærk udfældningshærdning og høj mekanisk stabilitet under langvarig termisk belastning. Legeringen er primært beregnet til krævende gasturbinekomponenter og andre højt belastede højtemperaturkomponenter.

Nimonic® 263 – styrke kombineret med god svejsbarhed

Nimonic 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650, er en nikkel-kobolt-krom-udfældningshærdende superlegering. Den blev udviklet til at give en gunstig kombination af højtemperaturstyrke, oxidationsbestandighed, duktilitet og god svejsbarhed. Sammenlignet med nogle stærkt forstærkede γ′-superlegeringer tilbyder Nimonic 263 forbedret svejsbarhed og evnen til at fremstille komplekse metalpladekomponenter. Som et resultat anvendes den i forbrændingskamre, gasturbinekomponenter, udstødningssystemer, varmgaskomponenter og rumfarts- og energistrukturer, blandt andre anvendelser.

Nimonic 75, 80A, 90 og 263 – Grundlæggende forskelle

Nimonic 75 bør primært overvejes til applikationer, der kræver god oxidations- og højtemperaturkorrosionsbestandighed samt god forarbejdningsevne. Nimonic 80A er en udfældningshærdende legering og tilbyder betydeligt forbedrede mekaniske egenskaber og krybemodstand. Nimonic 90 indeholder også en betydelig mængde kobolt og blev udviklet til endnu mere krævende højtemperaturapplikationer. Nimonic 263 kombinerer høj styrke ved forhøjede temperaturer med god duktilitet og svejsbarhed, hvilket gør den særligt velegnet til komplekse svejsede strukturer. Disse kvaliteter bør ikke betragtes som direkte erstatninger. Valget afhænger af temperatur, spænding, levetid, ønsket krybemodstand, komponentfremstillingsmetode og miljøforhold.

Varmebehandling af Nimonic®-legeringer

For udfældningshærdende Nimonic-legeringer er varmebehandling afgørende for at opnå de ønskede egenskaber. Processen kan involvere opløsningsvarmebehandling og et eller flere ældningstrin. Under ældningen kontrolleres dannelsen og fordelingen af γ′-fasen og andre mikrostrukturelle komponenter. Temperatur, tid og afkølingshastighed påvirker størrelsen af udfældningerne, korngrænsestrukturen, styrken, duktiliteten og krybemodstanden. Derfor bør de mekaniske egenskaber af Nimonic-legeringer ikke rapporteres uden at specificere varmebehandlingstilstanden og produktformen.

Svejsning af Nimonic®-legeringer

Nimonic-legeringers svejsbarhed afhænger af den specifikke kvalitet og dens hærdningsgrad. Nimonic 75 er karakteriseret ved relativt god svejsbarhed. Legeringer, der indeholder større mængder aluminium og titanium og et højt γ′-faseindhold, er mere krævende teknologisk og kan udvise større risiko for revner under svejsning eller efterfølgende varmebehandling. Nimonic 263 blev blandt andet udviklet for at opnå god svejsbarhed, samtidig med at høje mekaniske egenskaber opretholdes ved forhøjede temperaturer. For kritiske strukturer bør svejseteknologien tage hensyn til materialets tilstand før svejsning, procesparametre, tilsatsmateriale og den nødvendige varmebehandling efter svejsning.

Maskinbearbejdning

Ligesom andre nikkelbaserede superlegeringer er Nimonic-materialer krævende legeringer under bearbejdning. Høj styrke, lav varmeledningsevne og en tendens til deformationshærdning lægger betydelig belastning på værktøjsspidsen. Bearbejdning af kvaliteter efter endelig udfældningshærdning kan være særligt udfordrende. Derfor udføres nogle mekaniske operationer i en omhyggeligt udvalgt materialetilstand før endelig ældning. Bearbejdning kræver en stiv teknologisk opsætning, passende værktøjer, stabile skæreparametre og effektiv varmeafledning.

Typiske anvendelser af Nimonic®-legeringer

Luftfart – turbineblade og -komponenter, ringe, skiver, forbrændingskamre, udstødningssystemkomponenter og højt belastede flymotordele. Energi – industrielle gasturbiner, varme dele af kraftudstyr og komponenter, der opererer under vedvarende termisk belastning. Bilindustri – motorventiler, turboladerkomponenter og komponenter, der opererer i varme gasstrømme. Ovnindustri – ovnkomponenter, varmebehandlingsudstyr, holdere, dæksler og komponenter, der er udsat for langvarig oxidation. Kemisk industri og procesindustri – installationskomponenter, der kræver samtidig modstandsdygtighed over for høje temperaturer og aggressive miljøer. Rumteknologi – komponenter i fremdriftssystemer og strukturer udsat for høje temperaturer og mekaniske belastninger.

Valg af den rigtige Nimonic®-legering

Når man vælger en Nimonic-kvalitet, er det vigtigt at bestemme ikke kun den maksimale driftstemperatur, men også belastningens art og den krævede levetid. En komponent, der arbejder i et par minutter ved meget høje temperaturer, kræver andre egenskaber end en turbinekomponent, der arbejder i titusindvis af timer under konstant belastning. Modstandsdygtighed over for krybning, termisk og mekanisk træthed, oxidation, højtemperaturkorrosion, temperaturcykling og evnen til at svejse samlinger skal tages i betragtning. Varmebehandling og efterfølgende bearbejdningskrav er også vigtige. Derfor findes der ingen enkelt "bedste Nimonic". Individuelle kvaliteter er blevet udviklet til forskellige kombinationer af temperatur, belastning, miljø og komponentfremstillingsteknologi.

Leveringsmetoder for Nimonic®-legeringer

Afhængigt af kvalitet og specifikation er Nimonic-legeringer tilgængelige som blandt andet:

plader og ark,
bånd,
runde stænger,
ledninger,
rør,
smedegods,
ringe,
materialer beregnet til videre smedning og forarbejdning,
halvfabrikata fremstillet i henhold til specifikke industrielle og luftfartsspecifikationer.

Tilgængeligheden af en specifik produktform afhænger af kvalitet, størrelse, varmebehandlingsforhold og den krævede produktionsstandard.

Nimonic®-legeringskvaliteter

Nimonic 75 / Legering 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Ni-Cr-legering med meget god modstandsdygtighed over for oxidation og højtemperaturkorrosion, der blandt andet anvendes i forbrændingskamre og varmebehandlingsanordninger.
Nimonic 80A / Legering 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – udfældningshærdet Ni-Cr-Ti-Al-legering med høj styrke og krybemodstand.
Nimonic 81 / Legering 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – en legering med højt krom-nikkelindhold designet til anvendelser, der kræver meget høj modstandsdygtighed over for oxidation og højtemperaturkorrosion.
Nimonic 90 / Legering 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – udfældningshærdende Ni-Cr-Co-Ti-Al-legering med høj krybe- og oxidationsbestandighed.
Nimonic 105 / Legering 105 – UNS N13021 – en højstyrke Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti superlegering designet primært til højt belastede turbinekomponenter.
Nimonic 115 / Legering 115 – højstyrke Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti superlegering med et højt γ′-faseindhold, designet til drift under høje belastninger ved forhøjede temperaturer.
Nimonic 263 / Legering 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – en udfældningshærdende Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al-legering, der kombinerer høj højtemperaturstyrke med god svejsbarhed og teknologisk egnethed.

Se også

Nikkellegeringer

Inconel® – nikkel- og krom-superlegeringer

Legeringer med meget høj modstandsdygtighed over for oxidation og krybning ved høje temperaturer. Anvendes i energi-, luftfarts- og kemisk industri.
Kvaliteter: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.

Incoloy® – nikkel-, jern- og kromlegeringer

De kombinerer korrosionsbestandighed med god strukturel stabilitet. De er særligt værdsatte i den kemiske og petrokemiske industri.
Arter: Incoloy 800 H/HT, Incoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.

Nimonic® – højtemperatur superlegeringer

Nedbørsforstærkede materialer, der anvendes i luftfart og gasturbiner, er kendetegnet ved høj modstandsdygtighed over for krybning og termisk udmattelse.
Typer: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.

Udimet® / Waspaloy® – superlegeringer til ekstreme belastninger

Anvendes i flymotorer og energiindustrien, hvor der kræves den højeste modstandsdygtighed over for krybning og termisk udmattelse.
Art: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.

Monel® og ren nikkel – kemisk og maritim modstandsdygtighed

Monel (nikkel-kobber-legeringer) og ren nikkel er materialer, der er modstandsdygtige over for havvand, syrer og baser. De anvendes ofte i den maritime, kemiske og specialiserede udstyrsindustri.
Kvaliteter: Monel 400, Monel K-500, nikkel 200, nikkel 201.

Speciallegeringer – Invar®, Kovar®, Permalloy

Materialer med unikke fysiske egenskaber – lav termisk udvidelseskoefficient, dimensionsstabilitet eller kontrolleret magnetisk permeabilitet. Anvendes i elektronik, optik og præcisionsinstrumenter.
Arter: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.

Hastelloy® / Haynes® – korrosions- og højtemperaturbestandige legeringer

Legeringer med høj modstandsdygtighed over for aggressive kemiske miljøer, oxidation og krybning. Anvendes i kemisk industri, energi- og luftfartsindustrien.
Kvaliteter: 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.