Udimet en Waspaloy - Nikkel-superlegeringen voor extreme belastingen

Udimet® / Waspaloy® – superlegeringen voor extreme belastingen

Kenmerken van Udimet®- en Waspaloy®-legeringen

Udimet® en Waspaloy® Ze behoren tot een groep hittebestendige superlegeringen die zijn ontworpen voor gebruik in omstandigheden waar klassieke hittebestendige en kruipvaste staalsoorten onvoldoende duurzaamheid bieden. Deze materialen worden voornamelijk gebruikt in de luchtvaart, energieopwekking, gasturbines, de ruimtevaart en andere apparaten die tegelijkertijd worden blootgesteld aan hoge temperaturen, mechanische belastingen, kruip, oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen.
De Udimet-familie omvat diverse materialen met verschillende chemische samenstellingen en versterkingsmechanismen. Daarom moeten alle Udimet- en Waspaloy-legeringen niet als één enkele groep nikkellegeringen met identieke eigenschappen worden beschouwd.
Waspaloy – UNS N07001 Het is een door precipitatie versterkte nikkelsuperlegering waarin de γ′-fase een zeer belangrijke rol speelt. Udimet 188 – UNS R30188 oraz Udimet L-605 – UNS R30605 Het zijn hittebestendige kobaltlegeringen. Het mechanisme waarmee ze hun hoge sterkte en thermische stabiliteit bereiken, verschilt van dat van klassieke nikkel-precipitatie-superlegeringen.

Waspaloy® – een door precipitatie versterkte nikkelsuperlegering

Waspaloy – UNS N07001, W.No. 2.4654 Het is een nikkel-chroom-kobalt-superlegering met toevoegingen van molybdeen, titanium en aluminium. Deze legering is ontwikkeld om te presteren onder hoge mechanische belastingen bij verhoogde temperaturen.
De structuur is gebaseerd op een austenitische nikkelgebaseerde γ-matrix. Een geschikte warmtebehandeling leidt tot de vorming van fijne, samenhangende faseprecipitaten. γ′ – Ni₃(Al,Ti)Deze fase is een van de belangrijkste versterkingsmechanismen van Waspaloy en zorgt ervoor dat het materiaal een hoge sterkte behoudt, zelfs bij temperaturen waarbij de eigenschappen van conventionele constructielegeringen aanzienlijk verslechteren.
De toevoeging van aluminium en titanium is voornamelijk verantwoordelijk voor de vorming van de γ'-fase, terwijl chroom de weerstand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen verhoogt. Kobalt beïnvloedt onder andere de matrixstabiliteit en de eigenschappen bij hoge temperaturen, en molybdeen zorgt voor extra oplossingsversterking.
Dankzij de zorgvuldig geselecteerde chemische samenstelling en de meertraps warmtebehandeling kenmerkt Waspaloy zich door een hoge treksterkte, kruipweerstand en weerstand tegen langdurige belastingen bij hoge temperaturen.

Kruipweerstand van Waspaloy

Een van de belangrijkste eigenschappen van Waspaloy is hoge kruip- en kruipbreukweerstandKruip is het proces van langzame en permanente vervorming van een materiaal onder langdurige belasting bij hoge temperatuur.
Bij componenten van gasturbines is dit proces bijzonder belangrijk, omdat de component duizenden uren achter elkaar kan functioneren onder invloed van hoge temperaturen en hoge mechanische spanningen.
De stabiele nikkelmatrix en de γ'-faseprecipitaten beperken de beweging van dislocaties en zorgen ervoor dat het materiaal zijn hoge sterkte behoudt bij hoge temperaturen. Daarom wordt Waspaloy gebruikt in de meest kritische onderdelen van vliegtuigmotoren en gasturbines.

De oxidatiebestendigheid van Waspaloy

Het aanzienlijke chroomgehalte maakt de vorming van een beschermende oxidelaag op het oppervlak van Waspaloy mogelijk, die verdere oxidatie van het materiaal beperkt.
Oxidatiebestendigheid is met name belangrijk bij onderdelen van turbinemotoren en energieapparatuur, waar het materiaal gedurende lange perioden in contact blijft met hete gassen.
Er moet echter wel een onderscheid worden gemaakt. De maximale temperatuur waarbij de legering oxidatiebestendigheid vertoont, ten opzichte van de temperatuur waarbij deze duizenden uren lang veilig bestand is tegen hoge mechanische belastingen.De toelaatbare ontwerptemperatuur is afhankelijk van de belasting, de vereiste duurzaamheid, de warmtebehandeling en de specifieke productvorm.

Waspaloy warmtebehandeling

De eigenschappen van Waspaloy zijn sterk afhankelijk van de toegepaste warmtebehandeling. Typische processen omvatten oplossingswarmtebehandeling en daaropvolgende verouderingsstappen om de grootte, verdeling en verhouding van γ'-faseprecipitaten te beheersen.
Door de parameters van de warmtebehandeling te wijzigen, kan de afweging tussen sterkte, ductiliteit, kruipweerstand en vermoeiingslevensduur veranderen. Daarom mogen de mechanische eigenschappen van Waspaloy niet als één enkele waarde worden gerapporteerd, onafhankelijk van de conditie van het materiaal.

Lassen en bewerken Waspaloy

Waspaloy is een materiaal dat technologisch aanzienlijk veeleisender is dan typisch roestvrij staal en veel standaard nikkellegeringen. Het hoge gehalte aan γ'-fasevormende elementen vereist nauwlettende aandacht voor de conditie van het materiaal, de warmte-inbreng en de daaropvolgende warmtebehandeling tijdens het lassen.
De legering kan tijdens het lassen en de warmtebehandeling gevoelig zijn voor scheuren. Bij onderdelen die aan hoge belastingen worden blootgesteld, vereisen lasverbindingen een bijzonder zorgvuldig ontwerp. De eigenschappen van lassen bij hoge temperaturen kunnen inferieur zijn aan die van het correct warmtebehandelde basismateriaal.
Verspanen is ook veeleisend vanwege de hoge sterkte van het materiaal, de neiging tot verharding tijdens het bewerken en de hoge belasting van het gereedschap.

Udimet® 188 – een hittebestendige kobaltlegering

Udimet 188 – UNS R30188 Het is een kobalt-nikkel-chroom-wolfraamlegering die is ontworpen voor gebruik bij zeer hoge temperaturen. In tegenstelling tot Waspaloy is het geen klassieke nikkelsuperlegering die is versterkt met γ'-precipitaten.
De legering bevat ongeveer 20-24% chroom, 20-24% nikkel en een aanzienlijke hoeveelheid wolfraam.De basis van het materiaal is kobalt. Een kleine toevoeging van lanthaan ondersteunt de vorming van een duurzame en beschermende oxidelaag.
Udimet 188 combineert een hoge sterkte bij verhoogde temperaturen met een zeer goede weerstand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen, en een goede metallurgische stabiliteit tijdens langdurige blootstelling aan hitte.
Het materiaal behoudt een goede vervormbaarheid na langdurige blootstelling aan hoge temperaturen en wordt gekenmerkt door goede vormbaarheid en lasbaarheid.

Udimet 188 is bestand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen.

Een van de belangrijkste eigenschappen van Udimet 188 is het vermogen om te functioneren bij zeer hoge temperaturen. De legering vertoont een zeer goede oxidatieweerstand bij langdurige blootstelling aan temperaturen tot ongeveer 1095 ° C.
Het hoge chroomgehalte in combinatie met de toevoeging van lanthaan bevordert de vorming van een compacte en goed hechtende beschermlaag. Udimet 188 vertoont bovendien een goede weerstand tegen zwavelvorming en een hoge weerstand tegen bepaalde vormen van corrosie bij hoge temperaturen die gepaard gaan met sulfaatafzettingen.
Het moet benadrukt worden dat de temperatuur rond 1095 °C voornamelijk betrekking heeft op de oxidatieweerstand. Dit impliceert niet het vermogen om maximale mechanische belastingen bij deze temperatuur te weerstaan. De toelaatbare constructiespanningen nemen af met toenemende temperatuur.

Toepassing van Udimet 188 in gasturbines

De combinatie van oxidatiebestendigheid, hoge temperatuursterkte, metallurgische stabiliteit en goede lasbaarheid maakt Udimet 188 bijzonder geschikt voor hete onderdelen van gasturbines.
Typische toepassingen zijn onder meer:

verbrandingskamers van gasturbines,
bekleding van de verbrandingskamer,
vlamstabilisatoren,
overgangskanalen en elementen van hete gasstroomsystemen,
onderdelen van de naverbrander van een vliegtuigmotor,
afdekkingen en onderdelen die direct worden blootgesteld aan hete gassen.

Bij deze toepassingen is niet alleen de mechanische sterkte van groot belang, maar ook de weerstand tegen opwarm- en afkoelingscycli en het behoud van structurele stabiliteit gedurende lange bedrijfsuren.

Udimet® L-605 – UNS R30605

Udimet L-605 – UNS R30605 is een andere hittebestendige kobaltlegering. Dit materiaal is ook bekend onder andere handelsnamen, waaronder HAYNES® 25.
De legering bevat aanzienlijke hoeveelheden chroom, nikkel en wolfraam. Het hoge chroomgehalte zorgt voor een goede oxidatieweerstand, terwijl wolfraam zorgt voor sterke oplossingsharding en helpt de mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen te behouden.
L-605 wordt gekenmerkt door een hoge sterkte bij verhoogde temperaturen, een goede oxidatieweerstand en een relatief goede slijtvastheid en weerstand tegen vastlopen.
Het wordt onder andere gebruikt in componenten van gasturbines, verbrandingskamers, vliegtuigmotoronderdelen, componenten die bij hoge temperaturen werken en specialistische toepassingen die een hoge mechanische en thermische weerstand vereisen.

Waspaloy en Udimet 188 en L-605 – fundamentele verschillen

Het belangrijkste verschil tussen deze materialen is het type matrix en het versterkingsmechanisme.
Waspaloy Het is een nikkelgebaseerde superlegering waarvan de zeer hoge mechanische eigenschappen voornamelijk worden bereikt door de gecontroleerde precipitatie van de γ'-fase. Het is bijzonder nuttig in componenten die worden blootgesteld aan hoge mechanische spanningen bij verhoogde temperaturen.
Udimet 188 Het is een kobaltlegering waarvan de grootste voordelen een zeer hoge oxidatieweerstand, thermische stabiliteit en het behoud van goede eigenschappen bij langdurige blootstelling aan hoge temperaturen zijn.
Udimet L-605 Het is tevens een kobaltlegering en maakt voornamelijk gebruik van oplossingsversterking. Het combineert een hoge sterkte bij hoge temperaturen met een goede oxidatie- en slijtvastheid.
Deze materialen mogen daarom niet zomaar als vervanging worden beschouwd. Waspaloy is met name interessant voor turbineonderdelen die mechanisch zwaar belast worden, terwijl de legeringen 188 en L-605 zeer geschikt zijn voor onderdelen in het hete gedeelte van de turbine, waar oxidatieweerstand, corrosie bij hoge temperaturen en thermische stabiliteit van cruciaal belang zijn.

Mechanische eigenschappen

Er bestaat geen algemeen bereik voor Rp0,2, Rm, rek en hardheid voor Waspaloy, Udimet 188 en L-605. Dit zijn materialen met verschillende matrices, chemische samenstellingen, versterkingsmechanismen en warmtebehandelingstoestanden.
Bij Waspaloy De mechanische eigenschappen zijn sterk afhankelijk van verzadiging en veroudering. Het materiaal kan een zeer hoge vloeigrens en treksterkte bereiken, en het voornaamste voordeel is het behoud van een hoge sterkte en kruipweerstand bij hoge temperaturen.
Bij Udimet 188 i L-605 Belangrijker dan de zeer hoge vloeigrens bij kamertemperatuur zijn de thermische stabiliteit, oxidatieweerstand, sterkte bij hoge temperaturen en het behoud van eigenschappen na langdurige blootstelling aan hitte.
Nauwkeurige waarden van mechanische eigenschappen moeten altijd gerelateerd zijn aan de specifieke kwaliteit, productvorm, testtemperatuur en warmtebehandelingsconditie.

Normen en markeringen

Waspaloy: UNS N07001, W.Nr. 2.4654. Het wordt onder andere gebruikt voor staven, smeedmateriaal en andere gesmede producten. ASTM B637Er bestaan ook diverse AMS-specificaties voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart.
Udimet 188: UNS R30188. Het materiaal valt hoofdzakelijk onder de AMS-luchtvaartspecificaties, waaronder: AMS 5608 voor vellen en stroken en AMS 5772 voor staven, grondstoffen en smeedstukken.
Udimet L-605: UNS R30605. Dit materiaal is opgenomen in talrijke industriële en ruimtevaartspecificaties. Legering R30605 wordt ook gebruikt in medische toepassingen die vallen onder relevante materiaaleisen, waaronder ASTM F90.
De norm moet altijd worden gekozen op basis van de specifieke productvorm en toepassing. De UNS-aanduiding geeft de samenstelling van de legering aan, terwijl de eisen voor eigenschappen, leveringsconditie, afmetingen en testen zijn afgeleid van de relevante productnorm.

Typische toepassingen van Waspaloy- en Udimet-legeringen

Lotnictwee – onderdelen van de turbinemotor, turbineschijven en -ringen, assen, compressoronderdelen, verbrandingskamers, bekledingen, overgangskanalen en andere onderdelen van het hete motorgedeelte.
energetica – industriële gasturbines, componenten van installaties voor hoge temperaturen, onderdelen van energieapparatuur die langdurig onder thermische en mechanische belasting werken.
Ruimtevaartindustrie – aandrijfsysteemcomponenten en componenten die onder extreme thermische omstandigheden werken.
Oven- en metallurgische industrie – onderdelen van apparaten die bestand zijn tegen hoge temperaturen, zoals behuizingen, handgrepen en componenten die blootgesteld zijn aan oxidatie en langdurige blootstelling aan hoge temperaturen.
Gespecialiseerde apparatuur – componenten die een combinatie vereisen van hoge sterkte, kruipweerstand, structurele stabiliteit en corrosiebestendigheid bij hoge temperaturen.

Selectie van een hittebestendige superlegering

Bij de keuze tussen Waspaloy, Udimet 188 en L-605 moet niet alleen rekening worden gehouden met de maximale bedrijfstemperatuur. Mechanische spanningen, de vereiste levensduur, kruipweerstand, oxiderende omstandigheden, de samenstelling van hete gassen, temperatuurschommelingen en de kans op corrosie bij hoge temperaturen zijn eveneens belangrijke factoren.
Voor turbineonderdelen die zwaar belast worden, zijn de eigenschappen van de legering na een geschikte warmtebehandeling en de stabiliteit van de versterkende fase cruciaal. Voor onderdelen van de verbrandingskamer en heteluchtkanalen zijn oxidatieweerstand, metallurgische stabiliteit, thermische vermoeidheidsweerstand en de mogelijkheid om gelaste constructies te vervaardigen mogelijk van groter belang.
Om deze reden kan het vergelijken van superlegeringen uitsluitend op basis van de maximale bedrijfstemperatuur leiden tot een onjuiste materiaalkeuze.

Leveringsmethoden

Afhankelijk van de kwaliteit en specificatie zijn Waspaloy- en Udimet-superlegeringen onder andere verkrijgbaar als:

staven en grondstoffen voor het smeden,
smeedstukken,
ringen,
vellen en stroken,
draden,
lasmaterialen,
Halffabrikaten bestemd voor verdere verwerking.

De beschikbaarheid van een specifieke productvorm hangt af van de kwaliteit, de productienorm, de afmetingen en de vereiste warmtebehandeling.

Soorten beschikbaar in het aanbod van Alfa-Tech:

Udimet 188 – nikkel-kobaltlegering, hitte- en corrosiebestendig.
Udimet L-605 – zeer goede weerstand tegen oxidatie en kruip, ook in chemische omgevingen.
Waspaloy – een klassieke superlegering voor de vliegtuigbouw, met een uitstekende kruipweerstand tot 800 °C.

Indeling van nikkellegeringen

Nikkellegeringen kunnen worden onderverdeeld in verschillende hoofdgroepen, die verschillen in chemische samenstelling, eigenschappen en typische toepassingen. Hieronder staan de belangrijkste groepen, samen met voorbeelden van kwaliteiten die verkrijgbaar zijn bij Alfa-Tech:

Nikkel legeringen

Inconel® – nikkel- en chroomsuperlegeringen

Legeringen met een zeer hoge weerstand tegen oxidatie en kruip bij hoge temperaturen. Gebruikt in de energie-, luchtvaart- en chemische industrie.
Kwaliteiten: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.

Incoloy® – nikkel-, ijzer- en chroomlegeringen

Ze combineren corrosiebestendigheid met een goede structurele stabiliteit. Ze worden met name gewaardeerd in de chemische en petrochemische industrie.
Soort: Incoloy 800 H/HTIncoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.

Nimonic® – hittebestendige superlegeringen

Neerslaggeharde materialen die worden gebruikt in de luchtvaart en gasturbines, kenmerken zich door een hoge weerstand tegen kruip en thermische vermoeidheid.
Typen: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.

Udimet® / Waspaloy® – superlegeringen voor extreme belastingen

Gebruikt in vliegtuigmotoren en de energie-industrie, waar de hoogste weerstand tegen kruip en thermische vermoeidheid vereist is.
Soorten: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.

Monel® en zuiver nikkel – bestand tegen chemicaliën en zeewater.

Monel (nikkel-koperlegeringen) en zuiver nikkel zijn materialen die bestand zijn tegen zeewater, zuren en basen. Ze worden veelvuldig gebruikt in de scheepvaart-, chemische en gespecialiseerde machine-industrie.
Kwaliteiten: Monel 400, Monel K-500, Nikkel 200, Nikkel 201.

Speciale legeringen – Invar®, Kovar®, Permalloy

Materialen met unieke fysische eigenschappen, zoals een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, dimensionale stabiliteit of gecontroleerde magnetische permeabiliteit. Gebruikt in elektronica, optica en precisie-instrumenten.
Soorten: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.

Hastelloy® / Haynes® – corrosie- en hittebestendige legeringen

Legeringen met een hoge weerstand tegen agressieve chemische omgevingen, oxidatie en kruip. Gebruikt in de chemische, energie- en luchtvaartindustrie.
Kwaliteiten: 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® en Udimet® zijn geregistreerde handelsmerken van Special Metals Corporation. Waspaloy® is een handelsmerk van ATI Allvac / Precision Castparts, Hastelloy® is een handelsmerk van Haynes International, Invar® en Kovar® zijn eigendom van Imphy / ArcelorMittal.