Udimet® / Waspaloy® – Superlegierungen für extreme Belastungen

Udimet® / Waspaloy® – Superlegierungen für extreme Belastungen

Eigenschaften der Legierungen Udimet® und Waspaloy®

Udimet® und Waspaloy® Sie gehören zu einer Gruppe von Hochtemperatur-Superlegierungen, die für Anwendungen entwickelt wurden, bei denen herkömmliche hitze- und kriechfeste Stähle nicht ausreichend haltbar sind. Diese Werkstoffe werden vorwiegend in der Luft- und Raumfahrt, der Energieerzeugung, in Gasturbinen, der Raumfahrtindustrie und anderen Geräten eingesetzt, die gleichzeitig hohen Temperaturen, mechanischen Belastungen, Kriechen, Oxidation und Hochtemperaturkorrosion ausgesetzt sind.
Die Udimet-Familie umfasst verschiedene Werkstoffe mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen und Verstärkungsmechanismen. Daher sollten alle Udimet- und Waspaloy-Legierungen nicht als eine einzige Gruppe von Nickellegierungen mit identischen Eigenschaften betrachtet werden.
Waspaloy – UNS N07001 ist eine ausscheidungsgehärtete Nickel-Superlegierung, bei der die γ′-Phase eine sehr wichtige Rolle spielt. Udimet 188 – UNS R30188 sowie Udimet L-605 – UNS R30605 Es handelt sich um Hochtemperaturlegierungen auf Kobaltbasis. Ihr Mechanismus zur Erzielung hoher Festigkeit und thermischer Stabilität unterscheidet sich von dem klassischer Nickel-Ausscheidungshärtungs-Superlegierungen.

Waspaloy® – eine ausscheidungsgehärtete Nickel-Superlegierung

Waspaloy – UNS N07001, W.Nr. 2.4654 Es handelt sich um eine Nickel-Chrom-Kobalt-Superlegierung mit Zusätzen von Molybdän, Titan und Aluminium. Sie wurde für den Einsatz unter hohen mechanischen Belastungen bei erhöhten Temperaturen entwickelt.
Seine Struktur basiert auf einer austenitischen Nickelbasis-γ-Matrix. Durch geeignete Wärmebehandlung bilden sich feine, kohärente Phasenausscheidungen. γ′ – Ni₃(Al,Ti)Diese Phase ist einer der grundlegenden Verstärkungsmechanismen von Waspaloy und ermöglicht es ihm, auch bei Temperaturen, bei denen sich die Eigenschaften herkömmlicher Strukturlegierungen deutlich verschlechtern, eine hohe Festigkeit beizubehalten.
Aluminium- und Titanzusätze sind hauptsächlich für die Bildung der γ′-Phase verantwortlich, während Chrom die Oxidations- und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit erhöht. Kobalt beeinflusst unter anderem die Matrixstabilität und die Hochtemperatureigenschaften, und Molybdän sorgt für zusätzliche Lösungsverfestigung.
Dank seiner sorgfältig ausgewählten chemischen Zusammensetzung und der mehrstufigen Wärmebehandlung zeichnet sich Waspaloy durch hohe Zugfestigkeit, Kriechfestigkeit und Beständigkeit gegenüber Langzeitbelastungen bei erhöhten Temperaturen aus.

Waspaloy Kriechbeständigkeit

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Waspaloy ist hohe Kriech- und KriechbruchfestigkeitKriechen ist der Prozess der langsamen und dauerhaften Verformung eines Materials unter anhaltender Belastung bei hoher Temperatur.
Bei Gasturbinenkomponenten ist dieser Prozess besonders wichtig, da die Komponente gleichzeitig über Tausende von Stunden hohen Temperaturen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein kann.
Die stabile Nickelmatrix und die γ′-Phasenausscheidungen begrenzen die Versetzungsbewegung und erhalten die hohe Festigkeit des Materials bei erhöhten Temperaturen aufrecht. Daher wird Waspaloy in den kritischsten Bauteilen von Flugzeugtriebwerken und Gasturbinen eingesetzt.

Oxidationsbeständigkeit von Waspaloy

Der hohe Chromgehalt ermöglicht die Bildung einer schützenden Oxidschicht auf der Oberfläche von Waspaloy, wodurch eine weitere Oxidation des Materials eingeschränkt wird.
Die Oxidationsbeständigkeit ist besonders wichtig bei Turbinentriebwerkskomponenten und Energieanlagen, wo das Material über lange Zeiträume mit heißen Gasen in Kontakt bleibt.
Es muss jedoch eine Unterscheidung getroffen werden. die maximale Temperatur, bei der die Legierung Oxidationsbeständigkeit aufweist, ausgehend von der Temperatur, bei der sie über Tausende von Stunden hohen mechanischen Belastungen sicher standhalten kann.Die zulässige Auslegungstemperatur hängt von der Beanspruchung, der erforderlichen Haltbarkeit, der Wärmebehandlung und der spezifischen Produktform ab.

Waspaloy-Wärmebehandlung

Die Eigenschaften von Waspaloy hängen stark von der angewandten Wärmebehandlung ab. Typische Verfahren umfassen Lösungsglühen und anschließende Auslagerungsprozesse, um Größe, Verteilung und Anteil der γ′-Phasenausscheidungen zu steuern.
Durch die Änderung der Wärmebehandlungsparameter lässt sich das Verhältnis zwischen Festigkeit, Duktilität, Kriechfestigkeit und Dauerfestigkeit beeinflussen. Daher sollten die mechanischen Eigenschaften von Waspaloy nicht als einheitlicher Wert unabhängig vom Materialzustand angegeben werden.

Schweißen und Bearbeiten von Waspaloy

Waspaloy ist ein Werkstoff, der technologisch deutlich anspruchsvoller ist als typische Edelstähle und viele Standard-Nickellegierungen. Sein hoher Gehalt an γ′-Phasen-bildenden Elementen erfordert besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich des Materialzustands, der Wärmeeinbringung und der anschließenden Wärmebehandlung beim Schweißen.
Die Legierung kann beim Schweißen und Wärmebehandeln zu Rissbildung neigen. Bei Bauteilen, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, erfordern Schweißverbindungen eine besonders sorgfältige Auslegung. Die Hochtemperatureigenschaften von Schweißnähten können denen des fachgerecht wärmebehandelten Grundwerkstoffs unterlegen sein.
Die Bearbeitung ist aufgrund der hohen Festigkeit des Materials, der Tendenz zur Aushärtung während der Bearbeitung und der hohen Belastungen der Werkzeuge ebenfalls anspruchsvoll.

Udimet® 188 – eine hochtemperaturbeständige Kobaltlegierung

Udimet 188 – UNS R30188 Es handelt sich um eine Kobalt-Nickel-Chrom-Wolfram-Legierung, die für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen entwickelt wurde. Im Gegensatz zu Waspaloy ist sie keine klassische Nickel-Superlegierung, die durch γ′-Ausscheidungen verstärkt wurde.
Die Legierung enthält ungefähr 20–24 % Chrom, 20–24 % Nickel und eine signifikante Menge WolframDie Basis des Materials bildet Kobalt. Ein geringer Zusatz von Lanthan unterstützt die Bildung einer beständigen und schützenden Oxidschicht.
Udimet 188 vereint hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen mit sehr guter Beständigkeit gegen Oxidation, Hochtemperaturkorrosion und guter metallurgischer Stabilität bei langfristiger thermischer Belastung.
Das Material behält auch nach längerer Einwirkung hoher Temperaturen seine gute Duktilität und zeichnet sich durch gute Umformbarkeit und Schweißeigenschaften aus.

Udimet 188 ist beständig gegen Oxidation und Hochtemperaturkorrosion.

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Udimet 188 ist seine Fähigkeit, bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt zu werden. Die Legierung weist eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit bei Langzeitbeanspruchung durch Temperaturen bis zu etwa [Wert fehlt] auf. 1095°C.
Der hohe Chromgehalt in Verbindung mit dem Zusatz von Lanthan fördert die Bildung einer kompakten und gut haftenden Schutzschicht. Udimet 188 weist zudem eine gute Beständigkeit gegenüber Schwefelung und eine hohe Beständigkeit gegenüber bestimmten Formen der Hochtemperaturkorrosion im Zusammenhang mit Sulfatablagerungen auf.
Es ist wichtig zu betonen, dass sich die Temperatur um 1095 °C primär auf die Oxidationsbeständigkeit bezieht. Dies bedeutet nicht, dass die Konstruktion bei dieser Temperatur maximalen mechanischen Belastungen standhält. Zulässige strukturelle Spannungen nehmen mit steigender Temperatur ab.

Anwendung von Udimet 188 in Gasturbinen

Die Kombination aus Oxidationsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit, metallurgischer Stabilität und guter Schweißbarkeit macht Udimet 188 besonders geeignet für Heißteilbauteile von Gasturbinen.
Typische Anwendungen sind:

• Brennkammern von Gasturbinen,
• Brennraumauskleidungen,
• Flammenstabilisatoren
• Übergangskanäle und Elemente von Heißgasströmungssystemen,
• Nachbrennerkomponenten für Flugzeugtriebwerke
• Abdeckungen und Bauteile, die direkt heißen Gasen ausgesetzt sind.

Bei diesen Anwendungen kommt es nicht nur auf die mechanische Festigkeit an, sondern auch auf die Beständigkeit gegenüber Temperaturwechseln und die Aufrechterhaltung der strukturellen Stabilität während langer Betriebszeiten.

Udimet® L-605 – UNS R30605

Udimet L-605 – UNS R30605 ist eine weitere hochtemperaturbeständige Legierung auf Kobaltbasis. Dieses Material ist auch unter anderen Handelsnamen bekannt, darunter HAYNES® 25.
Die Legierung enthält signifikante Mengen an Chrom, Nickel und Wolfram. Der hohe Chromgehalt sorgt für eine gute Oxidationsbeständigkeit, während Wolfram eine starke Lösungshärtung bewirkt und dazu beiträgt, die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen zu erhalten.
L-605 zeichnet sich durch hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, gute Oxidationsbeständigkeit und relativ gute Verschleiß- und Fressbeständigkeit aus.
Es wird unter anderem in Gasturbinenkomponenten, Brennkammern, Flugzeugtriebwerkskomponenten, Komponenten, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, und in Spezialanwendungen eingesetzt, die eine hohe mechanische und thermische Beständigkeit erfordern.

Waspaloy und Udimet 188 und L-605 – grundlegende Unterschiede

Der wichtigste Unterschied zwischen diesen Werkstoffen liegt in der Art der Matrix und dem Verstärkungsmechanismus.
Waspaloy Es handelt sich um eine Nickelbasis-Superlegierung, deren sehr hohe mechanische Eigenschaften primär durch die kontrollierte Ausscheidung der γ′-Phase erzielt werden. Sie eignet sich besonders für Bauteile, die hohen mechanischen Belastungen bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind.
Udimet 188 ist eine Legierung auf Kobaltbasis, deren größte Vorteile eine sehr hohe Oxidationsbeständigkeit, thermische Stabilität und der Erhalt guter Eigenschaften bei langfristiger Einwirkung hoher Temperaturen sind.
Udimet L-605 Es handelt sich ebenfalls um eine Kobaltlegierung, die vorwiegend durch Lösungsverfestigung gehärtet wird. Sie vereint hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen mit guter Oxidations- und Verschleißbeständigkeit.
Daher sollten diese Werkstoffe nicht als einfache Ersatzstoffe betrachtet werden. Waspaloy ist besonders interessant für stark mechanisch beanspruchte Turbinenbauteile, während die Legierungen 188 und L-605 sehr nützlich für Heißbauteile sind, bei denen Oxidationsbeständigkeit, Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit und thermische Stabilität von größter Bedeutung sind.

Mechanische Eigenschaften

Es sollte keinen einheitlichen gemeinsamen Bereich für Rp0,2, Rm, Dehnung und Härte für Waspaloy, Udimet 188 und L-605 geben. Es handelt sich um Werkstoffe mit unterschiedlichen Matrixmaterialien, chemischen Zusammensetzungen, Verstärkungsmechanismen und Wärmebehandlungszuständen.
Im Fall von Waspaloy Die mechanischen Eigenschaften hängen stark von Sättigung und Alterung ab. Das Material kann eine sehr hohe Streckgrenze und Zugfestigkeit erreichen, sein Hauptvorteil liegt jedoch in der Beibehaltung hoher Festigkeit und Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen.
Im Fall von Udimet 188 i L-605 Wichtiger als die sehr hohe Streckgrenze bei Raumtemperatur sind die thermische Stabilität, die Oxidationsbeständigkeit, die Hochtemperaturfestigkeit und der Erhalt der Eigenschaften nach langfristiger thermischer Belastung.
Genaue Werte der mechanischen Eigenschaften sollten immer auf die jeweilige Güteklasse, die Produktform, die Prüftemperatur und die Wärmebehandlungsbedingungen bezogen werden.

Normen und Kennzeichnungen

Waspaloy: UNS N07001, W.Nr. 2.4654. Es wird unter anderem für Stäbe, Schmiedematerial und andere Schmiedeprodukte verwendet. ASTM B637Es gibt außerdem eine Reihe von AMS-Spezifikationen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.
Udimet 188: UNS R30188. Der Werkstoff wird hauptsächlich durch die AMS-Luft- und Raumfahrtspezifikationen abgedeckt, darunter: AMS 5608 für Blätter und Streifen und AMS 5772 für Stangen, Rohmaterialien und Schmiedestücke.
Udimet L-605: UNS R30605. Der Werkstoff ist in zahlreichen Industrie- und Luftfahrtnormen aufgeführt. Die Legierung R30605 wird auch in medizinischen Anwendungen eingesetzt, die den entsprechenden Werkstoffanforderungen, einschließlich ASTM F90, unterliegen.
Die Norm sollte stets auf die jeweilige Produktform und Anwendung abgestimmt sein. Die UNS-Bezeichnung kennzeichnet die Legierungszusammensetzung, während die Anforderungen an Eigenschaften, Lieferzustand, Abmessungen und Prüfung aus der entsprechenden Produktnorm abgeleitet werden.

Typische Anwendungsgebiete von Waspaloy- und Udimet-Legierungen

Flugzeug – Turbinentriebwerkskomponenten, Turbinenscheiben und -ringe, Wellen, Verdichterkomponenten, Brennkammern, Auskleidungen, Übergangskanäle und andere Komponenten des Heißtriebwerksteils.
Energetik – Industriegasturbinen, Hochtemperatur-Anlagenkomponenten, Teile von Kraftwerksanlagen, die unter langfristigen thermischen und mechanischen Belastungen betrieben werden.
Raumfahrtindustrie – Antriebssystemkomponenten und Komponenten, die unter extremen thermischen Bedingungen arbeiten.
Ofen- und Metallindustrie – Hochtemperatur-Geräteelemente, Abdeckungen, Griffe und Komponenten, die Oxidation und langfristig hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
Spezialausrüstung – Bauteile, die eine Kombination aus hoher Festigkeit, Kriechfestigkeit, struktureller Stabilität und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit erfordern.

Auswahl einer Hochtemperatur-Superlegierung

Bei der Auswahl zwischen Waspaloy, Udimet 188 und L-605 sollte nicht nur die maximale Betriebstemperatur berücksichtigt werden. Auch mechanische Beanspruchungen, die erforderliche Lebensdauer, Kriechfestigkeit, oxidierende Bedingungen, die Zusammensetzung des Heißgases, Temperaturwechsel und das Potenzial für Hochtemperaturkorrosion sind wichtige Faktoren.
Bei hochbeanspruchten Turbinenbauteilen sind die Legierungseigenschaften nach geeigneter Wärmebehandlung und die Stabilität der Aushärtungsphase entscheidend. Bei Brennkammer- und Heißgaskanalbauteilen können Oxidationsbeständigkeit, metallurgische Stabilität, Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und die Möglichkeit zur Herstellung von Schweißkonstruktionen von größerer Bedeutung sein.
Aus diesem Grund kann ein Vergleich von Superlegierungen allein auf Basis der maximalen Betriebstemperatur zu einer falschen Materialauswahl führen.

Liefermethoden

Je nach Güteklasse und Spezifikation sind die Superlegierungen von Waspaloy und Udimet unter anderem in folgenden Ausführungen erhältlich:

• Stangen und Rohmaterialien zum Schmieden,
• Schmiedestücke,
• Ringe
• Bögen und Streifen,
• Drähte,
• Schweißmaterialien,
• Halbfertigprodukte zur Weiterverarbeitung.

Die Verfügbarkeit einer bestimmten Produktform hängt von der Güteklasse, dem Herstellungsstandard, den Abmessungen und dem erforderlichen Wärmebehandlungszustand ab.

Im Angebot von Alfa-Tech erhältliche Arten:

• Udimet 188 – Nickel-Kobalt-Legierung, hitze- und korrosionsbeständig,
• Udimet L-605 – sehr gute Beständigkeit gegen Oxidation und Kriechen, auch in chemischen Umgebungen,
• Waspaloy – eine klassische Flugzeug-Superlegierung mit ausgezeichneter Kriechfestigkeit bis 800°C.

Aufteilung der Nickellegierungen

Nickellegierungen lassen sich in mehrere Hauptgruppen unterteilen, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung, ihren Eigenschaften und typischen Anwendungsgebieten unterscheiden. Nachfolgend sind die wichtigsten Gruppen sowie Beispiele für bei Alfa-Tech erhältliche Legierungen aufgeführt:

Nickellegierungen

Inconel® – Nickel-Chrom-Superlegierungen

Legierungen mit sehr hoher Beständigkeit gegen Oxidation und Kriechen bei hohen Temperaturen. Einsatzgebiete sind die Energie-, Luftfahrt- und Chemieindustrie.
Sorten: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.

Incoloy® – Nickel-, Eisen- und Chromlegierungen

Sie vereinen Korrosionsbeständigkeit mit guter struktureller Stabilität. Sie werden insbesondere in der chemischen und petrochemischen Industrie geschätzt.
Spezies: Incoloy 800 H/HT, Incoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.

Nimonic® – Hochtemperatur-Superlegierungen

In der Luftfahrt und bei Gasturbinen eingesetzte ausscheidungsgehärtete Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Beständigkeit gegen Kriechen und thermische Ermüdung aus.
Typen: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.

Udimet® / Waspaloy® – Superlegierungen für extreme Belastungen

Wird in Flugzeugtriebwerken und der Energieindustrie eingesetzt, wo höchste Beständigkeit gegen Kriechen und thermische Ermüdung erforderlich ist.
Arten: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.

Monel® und Reinnickel – Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Meeresverschmutzung

Monel (Nickel-Kupfer-Legierungen) und Reinnickel sind Werkstoffe, die beständig gegen Meerwasser, Säuren und Laugen sind. Sie werden häufig in der Schifffahrt, der chemischen Industrie und im Bereich Spezialausrüstung eingesetzt.
Sorten: Monel 400, Monel K-500, Nickel 200, Nickel 201.

Speziallegierungen – Invar®, Kovar®, Permalloy

Werkstoffe mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften – niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, Dimensionsstabilität oder kontrollierte magnetische Permeabilität. Verwendung in Elektronik, Optik und Präzisionsinstrumenten.
Arten: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.

Hastelloy® / Haynes® – korrosions- und hochtemperaturbeständige Legierungen

Legierungen mit hoher Beständigkeit gegenüber aggressiven chemischen Umgebungen, Oxidation und Kriechen. Einsatzgebiete sind die Chemie-, Energie- und Luftfahrtindustrie.
Güteklassen: 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.

Inconel®, Incoloy®, Nimonic®, Monel® und Udimet® sind eingetragene Marken der Special Metals Corporation. Waspaloy® ist eine Marke von ATI Allvac / Precision Castparts, Hastelloy® ist eine Marke von Haynes International, Invar® und Kovar® sind Eigentum von Imphy / ArcelorMittal.