Nimonic ® – superleghe per alte temperature

Nimonic® – superleghe per alte temperature

Caratteristiche delle leghe Nimonic®

Nimonic® è una famiglia di leghe a base di nichel per alte temperature, progettate per resistere simultaneamente ad alte temperature, sollecitazioni meccaniche, scorrimento viscoso, ossidazione e corrosione ad alta temperatura . Queste leghe sono tra i materiali più importanti utilizzati nello sviluppo di motori a turbina, nella generazione di energia e in apparecchiature che operano in condizioni termiche estreme. I componenti base della maggior parte delle leghe Nimonic sono nichel e cromo . A seconda del grado, vengono aggiunte anche cobalto , molibdeno , titanio , alluminio , ferro , carbonio , boro e altri elementi per controllare la struttura e le proprietà del materiale. L'elevato contenuto di nichel garantisce la stabilità della matrice austenitica γ in un ampio intervallo di temperature, mentre il cromo è il principale responsabile della resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura. In molte leghe Nimonic, l'aggiunta di alluminio e titanio consente la formazione della fase γ′ – Ni₃ ₍ Al,Ti) ₂ , responsabile dell'elevatissima resistenza meccanica e allo scorrimento viscoso ad alte temperature. Tuttavia, non tutte le leghe Nimonic vengono indurite allo stesso modo. Ad esempio, la Nimonic 75 è principalmente una lega rinforzata per soluzione solida, mentre le leghe Nimonic 80A, 90, 105, 115 e 263 utilizzano, in misura variabile, il meccanismo di rinforzo per precipitazione.

Perché il Nimonic mantiene la sua resistenza alle alte temperature?

Nei materiali strutturali convenzionali, l'aumento della temperatura porta a una rapida diminuzione del carico di snervamento e della resistenza, nonché a una maggiore suscettibilità allo scorrimento viscoso. Le superleghe Nimonic sono progettate per rallentare significativamente questo processo. La matrice di nichel stabile mantiene la sua struttura austenitica in un ampio intervallo di temperature. Nelle leghe a indurimento per precipitazione, i fini precipitati della fase γ′ ostacolano il movimento delle dislocazioni e limitano la deformazione del materiale. Il cobalto e il molibdeno possono ulteriormente rafforzare la matrice e migliorare le proprietà alle alte temperature, mentre i carburi opportunamente controllati influenzano il comportamento dei bordi di grano e la resistenza allo scorrimento viscoso. Di conseguenza, una lega Nimonic opportunamente selezionata può sopportare carichi per periodi prolungati a temperature alle quali gli acciai strutturali convenzionali e molti acciai inossidabili perdono una parte significativa delle loro proprietà meccaniche.

Resistenza allo scorrimento

Una delle proprietà più importanti delle leghe Nimonic è la resistenza allo scorrimento viscoso e alla rottura per scorrimento viscoso . Lo scorrimento viscoso è la lenta e permanente deformazione di un materiale sotto carico costante ad elevate temperature. Questo fenomeno è di fondamentale importanza nelle turbine a gas, nei motori aeronautici, nelle apparecchiature per la generazione di energia e negli impianti industriali che operano ininterrottamente per migliaia di ore. Pertanto, l'idoneità di una specifica lega Nimonic non è determinata solo dalla sua resistenza alla trazione misurata a temperatura ambiente. In molte applicazioni, la resistenza allo scorrimento viscoso, il tempo di rottura a una data sollecitazione e temperatura e la stabilità strutturale dopo migliaia di ore di esposizione termica sono molto più importanti.

Resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura

Il cromo presente nelle leghe Nimonic consente la formazione di uno strato di ossido protettivo che limita l'ulteriore ossidazione del materiale. Anche l'alluminio svolge un ruolo significativo in alcune leghe. Ciò permette l'utilizzo delle leghe Nimonic a contatto con gas e atmosfere calde, come quelle presenti in turbine, motori, forni e impianti di processo. Tuttavia, la temperatura massima di resistenza all'ossidazione non deve essere equiparata alla temperatura massima di esercizio di un componente sottoposto a carichi elevati. Il materiale può mantenere una buona resistenza all'ossidazione superficiale a temperature in cui la sua sollecitazione di progetto ammissibile è significativamente inferiore. Pertanto, la scelta della lega richiede un'analisi simultanea di temperatura, sollecitazione, tempo di esercizio e ambiente.

Nimonic® 75 – lega classica di nichel-cromo

La lega Nimonic 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630, è una delle leghe di base della famiglia Nimonic. Si tratta di una lega nichel-cromo con aggiunte controllate di titanio e carbonio, destinata principalmente ad applicazioni che richiedono una buona resistenza all'ossidazione, alla corrosione ad alta temperatura e adeguate proprietà meccaniche ad alte temperature. A differenza di Nimonic 80A o Nimonic 90, la lega 75 non è una classica superlega a indurimento per precipitazione γ′. Le sue proprietà derivano principalmente dalla composizione della matrice e da una microstruttura attentamente controllata. Nimonic 75 è caratterizzata da una buona lavorabilità e saldabilità, motivo per cui è ampiamente utilizzata per componenti in lamiera, nastro e tubi. Le applicazioni tipiche includono componenti per turbine a gas, camere di combustione, condotti per gas caldi, componenti per forni industriali, apparecchiature per il trattamento termico e componenti per impianti ad alta temperatura.

Nimonic® 80A – lega a indurimento per precipitazione

Nimonic 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 , è una superlega di nichel-cromo indurita per precipitazione mediante l'aggiunta di titanio e alluminio. Un opportuno trattamento termico produce una fase γ′, che aumenta significativamente la resistenza meccanica e la resistenza allo scorrimento viscoso del materiale. Nimonic 80A combina un'elevata resistenza alle alte temperature con una buona resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura. Il materiale trova impiego in applicazioni quali turbine a gas, motori a combustione interna, componenti di valvole, elementi di fissaggio sottoposti a carichi elevati e altri componenti operanti ad alte temperature.

Nimonic® 81 – elevata resistenza all'ossidazione

La lega Nimonic 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 è una lega di nichel-cromo per alte temperature basata sulla Nimonic 80A, ma con un contenuto di cromo maggiore. L'elevato contenuto di cromo garantisce un'eccezionale resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura. La lega è progettata per applicazioni in cui la resistenza superficiale ai gas caldi è importante quanto le proprietà meccaniche. Trova impiego, tra le altre applicazioni, in componenti per forni, turbine a gas, apparecchiature per il trattamento termico e impianti industriali operanti ad alte temperature.

Nimonic® 90 – elevata resistenza e resistenza allo scorrimento viscoso

Nimonic 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 è una superlega di nichel-cromo-cobalto a indurimento per precipitazione. Contiene una quantità significativa di cobalto, insieme ad aggiunte di titanio e alluminio responsabili della formazione della fase γ′. La combinazione dell'indurimento per precipitazione e di una composizione della matrice adeguata garantisce elevata resistenza meccanica, resistenza allo scorrimento viscoso e resistenza all'ossidazione ad alte temperature. Nimonic 90 viene utilizzato per componenti che richiedono elevata resistenza meccanica durante un funzionamento termico prolungato, tra cui pale e componenti di turbine, dischi, anelli, elementi di fissaggio e componenti di apparecchiature ad alta temperatura.

Nimonic® 105 – una superlega per componenti di turbine sottoposti a carichi elevati

Nimonic 105 – UNS N13021 è una superlega ad alta resistenza a base di nichel contenente quantità significative di cobalto, cromo e molibdeno, con aggiunte di alluminio e titanio. Il materiale è stato sviluppato per ottenere elevate proprietà meccaniche e resistenza allo scorrimento viscoso ad alte temperature. L'elevato contenuto di fase γ′ garantisce un indurimento per precipitazione molto efficace. Nimonic 105 è utilizzato principalmente nei componenti delle turbine a gas sottoposti a carichi elevati, in particolare dove sono richieste un'elevata resistenza allo scorrimento viscoso e il mantenimento a lungo termine delle proprietà meccaniche.

Nimonic® 115 – una lega di nichel ad alta resistenza

La lega Nimonic 115 è una superlega di nichel-cromo-cobalto con aggiunte di molibdeno, alluminio e titanio. È stata sviluppata per fornire un'elevatissima resistenza allo scorrimento viscoso ad alte temperature. L'alto contenuto di elementi che formano la fase γ′ garantisce un forte indurimento per precipitazione e un'elevata stabilità meccanica sotto carico termico prolungato. La lega è destinata principalmente a componenti esigenti per turbine a gas e altri componenti ad alta temperatura sottoposti a forti sollecitazioni.

Nimonic® 263: resistenza unita a un'ottima saldabilità.

La Nimonic 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650, è una superlega di nichel-cobalto-cromo a indurimento per precipitazione. È stata sviluppata per offrire una combinazione ottimale di resistenza alle alte temperature, resistenza all'ossidazione, duttilità e buona saldabilità. Rispetto ad alcune superleghe γ′ ad alta resistenza, la Nimonic 263 offre una migliore saldabilità e la possibilità di realizzare componenti complessi in lamiera. Di conseguenza, trova impiego in camere di combustione, componenti per turbine a gas, sistemi di scarico, componenti per gas caldi e strutture aerospaziali ed energetiche, tra le altre applicazioni.

Nimonic 75, 80A, 90 e 263 – Differenze principali

La lega Nimonic 75 è da considerarsi principalmente per applicazioni che richiedono una buona resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura, nonché una buona lavorabilità. La lega Nimonic 80A è una lega a indurimento per precipitazione e offre proprietà meccaniche e resistenza allo scorrimento viscoso significativamente migliorate. Anche la lega Nimonic 90 contiene una quantità significativa di cobalto ed è stata sviluppata per applicazioni ad alta temperatura ancora più impegnative. La lega Nimonic 263 combina un'elevata resistenza alle alte temperature con una buona duttilità e saldabilità, risultando particolarmente adatta per strutture saldate complesse. Queste leghe non devono essere considerate sostituti diretti. La scelta dipende da temperatura, sollecitazioni, durata di esercizio, resistenza allo scorrimento viscoso richiesta, metodo di fabbricazione del componente e condizioni ambientali.

Trattamento termico delle leghe Nimonic®

Per le leghe Nimonic a indurimento per precipitazione, il trattamento termico è essenziale per ottenere le proprietà richieste. Il processo può includere un trattamento termico di solubilizzazione e una o più fasi di invecchiamento. Durante l'invecchiamento, vengono controllati la formazione e la distribuzione della fase γ′ e di altri componenti microstrutturali. Temperatura, tempo e velocità di raffreddamento influenzano le dimensioni dei precipitati, la struttura dei bordi di grano, la resistenza, la duttilità e la resistenza allo scorrimento viscoso. Pertanto, le proprietà meccaniche delle leghe Nimonic non dovrebbero essere riportate senza specificare lo stato del trattamento termico e la forma del prodotto.

Saldatura di leghe Nimonic®

La saldabilità delle leghe Nimonic dipende dalla specifica lega e dal suo grado di indurimento. La lega Nimonic 75 è caratterizzata da una saldabilità relativamente buona. Le leghe con un contenuto maggiore di alluminio e titanio e un elevato contenuto di fase γ′ sono tecnologicamente più complesse e possono presentare una maggiore suscettibilità alla fessurazione durante la saldatura o il successivo trattamento termico. La lega Nimonic 263 è stata sviluppata, tra l'altro, per ottenere una buona saldabilità mantenendo elevate proprietà meccaniche ad alte temperature. Per le strutture critiche, la tecnologia di saldatura deve tenere conto delle condizioni del materiale prima della saldatura, dei parametri di processo, del materiale d'apporto e del trattamento termico post-saldatura richiesto.

Obróbka skrawaniem

Come altre superleghe a base di nichel, i materiali Nimonic sono leghe impegnative durante la lavorazione. L'elevata resistenza, la bassa conducibilità termica e la tendenza all'incrudimento sottopongono la punta dell'utensile a sollecitazioni significative. La lavorazione di gradi dopo l'indurimento finale per precipitazione può essere particolarmente complessa. Pertanto, alcune operazioni meccaniche vengono eseguite in condizioni del materiale accuratamente selezionate prima dell'invecchiamento finale. La lavorazione richiede un'impostazione tecnologica rigorosa, utensili adeguati, parametri di taglio stabili e un'efficace dissipazione del calore.

Applicazioni tipiche delle leghe Nimonic®

Aviazione : pale e componenti di turbine, anelli, dischi, camere di combustione, componenti del sistema di scarico e parti di motori aeronautici sottoposte a carichi elevati. Energia : turbine a gas industriali, parti calde di apparecchiature elettriche e componenti che operano sotto carichi termici prolungati. Settore automobilistico : valvole del motore, componenti del turbocompressore e componenti che operano in flussi di gas caldi. Industria dei forni : componenti di forni, apparecchiature per il trattamento termico, supporti, coperchi e componenti esposti a ossidazione prolungata. Industria chimica e di processo : componenti di impianti che richiedono resistenza simultanea ad alte temperature e ambienti aggressivi. Tecnologia spaziale : componenti di sistemi di propulsione e strutture esposte ad alte temperature e carichi meccanici.

Scegliere la lega Nimonic® più adatta

Nella scelta di una lega Nimonic, è fondamentale determinare non solo la temperatura massima di esercizio, ma anche la natura del carico e la durata di servizio richiesta. Un componente che opera per pochi minuti a temperature molto elevate necessita di proprietà diverse rispetto a un componente di turbina che opera per decine di migliaia di ore sotto costante stress. Occorre considerare la resistenza allo scorrimento viscoso, alla fatica termica e meccanica, all'ossidazione, alla corrosione ad alta temperatura, ai cicli termici e la saldabilità dei giunti. Anche il trattamento termico e i successivi requisiti di lavorazione sono importanti. Pertanto, non esiste un'unica lega Nimonic "migliore". Sono state sviluppate singole leghe per diverse combinazioni di temperatura, stress, ambiente e tecnologia di produzione dei componenti.

Metodi di consegna per le leghe Nimonic®

A seconda del grado e delle specifiche, le leghe Nimonic sono disponibili, tra le altre, come:

fogli e piatti,
nastri,
barre tonde,
fili,
tubi,
forgiati,
anelli,
materiali destinati a ulteriori operazioni di forgiatura e lavorazione,
semilavorati fabbricati secondo specifiche industriali e aerospaziali.

La disponibilità di una specifica forma di prodotto dipende dal grado, dalle dimensioni, dalle condizioni di trattamento termico e dallo standard di produzione richiesto.

Leghe Nimonic®

Nimonic 75 / Lega 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Lega Ni-Cr con ottima resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura, utilizzata, tra l'altro, nelle camere di combustione e nei dispositivi per il trattamento termico.
Nimonic 80A / Lega 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – lega Ni-Cr-Ti-Al indurita per precipitazione ad alta resistenza e resistenza allo scorrimento viscoso.
Nimonic 81 / Lega 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – una lega di nichel ad alto contenuto di cromo progettata per applicazioni che richiedono un'elevatissima resistenza all'ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura.
Nimonic 90 / Lega 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – lega Ni-Cr-Co-Ti-Al a indurimento per precipitazione con elevata resistenza allo scorrimento viscoso e all'ossidazione.
Nimonic 105 / Lega 105 – UNS N13021 – una superlega ad alta resistenza Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti progettata principalmente per componenti di turbine sottoposti a carichi elevati.
Nimonic 115 / Lega 115 – Superlega ad alta resistenza Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti con un elevato contenuto di fase γ′, progettata per funzionare sotto carichi elevati ad alte temperature.
Nimonic 263 / Lega 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – una lega Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al a indurimento per precipitazione che combina un'elevata resistenza alle alte temperature con una buona saldabilità e idoneità tecnologica.

Guarda anche

leghe di nichel

Inconel® – superleghe di nichel e cromo

Leghe con altissima resistenza all'ossidazione e allo scorrimento viscoso ad alte temperature. Utilizzate nei settori energetico, aeronautico e chimico.
Gradi: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.

Incoloy® – leghe di nichel, ferro e cromo

Questi materiali combinano resistenza alla corrosione e buona stabilità strutturale. Sono particolarmente apprezzati nell'industria chimica e petrolchimica.
Specie: Incoloy 800 H/HT, Incoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.

Nimonic® – superleghe per alte temperature

I materiali rinforzati per precipitazione utilizzati nell'aviazione e nelle turbine a gas sono caratterizzati da un'elevata resistenza allo scorrimento viscoso e alla fatica termica.
Tipi: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.

Udimet® / Waspaloy® – superleghe per carichi estremi

Utilizzato nei motori aeronautici e nell'industria energetica, dove è richiesta la massima resistenza allo scorrimento viscoso e alla fatica termica.
Specie: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.

Monel® e nichel puro: resistenza agli agenti chimici e all'ambiente marino.

Il Monel (leghe di nichel-rame) e il nichel puro sono materiali resistenti all'acqua di mare, agli acidi e agli alcali. Sono frequentemente utilizzati nei settori navale, chimico e delle apparecchiature specializzate.
Gradi: Monel 400, Monel K-500, Nichel 200, Nichel 201.

Leghe speciali – Invar®, Kovar®, Permalloy

Materiali con proprietà fisiche uniche: basso coefficiente di dilatazione termica, stabilità dimensionale o permeabilità magnetica controllata. Utilizzati in elettronica, ottica e strumenti di precisione.
Specie: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.

Hastelloy® / Haynes® – leghe resistenti alla corrosione e alle alte temperature

Leghe ad alta resistenza ad ambienti chimici aggressivi, all'ossidazione e allo scorrimento viscoso. Utilizzate nell'industria chimica, energetica e aeronautica.
Gradi: 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.