Nimonic ® – hittebestendige superlegeringen

Nimonic® – hittebestendige superlegeringen

Kenmerken van Nimonic®-legeringen

Nimonic® is een familie van hittebestendige nikkellegeringen die ontworpen zijn om te presteren onder omstandigheden van gelijktijdige blootstelling aan hoge temperaturen, mechanische spanning, kruip, oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen . Deze legeringen behoren tot de belangrijkste materialen die worden gebruikt bij de ontwikkeling van turbine-motoren, energieopwekking en apparatuur die onder extreme thermische omstandigheden werkt. De basiscomponenten van de meeste Nimonic-legeringen zijn nikkel en chroom . Afhankelijk van de kwaliteit worden ook toevoegingen van kobalt , molybdeen , titanium , aluminium , ijzer , koolstof , boor en andere elementen gebruikt om de structuur en eigenschappen van het materiaal te beheersen. Het hoge nikkelgehalte zorgt voor de stabiliteit van de austenitische γ-matrix over een breed temperatuurbereik, terwijl chroom voornamelijk verantwoordelijk is voor de weerstand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen. In veel Nimonic-legeringen maakt de toevoeging van aluminium en titanium de vorming van de γ'-fase – Ni₃ ₍ Al,Ti) – mogelijk , die verantwoordelijk is voor een zeer hoge sterkte en kruipweerstand bij hoge temperaturen. Niet alle Nimonic-legeringen worden echter op dezelfde manier gehard. Nimonic 75 is bijvoorbeeld voornamelijk een oplossingsgeharde legering, terwijl Nimonic 80A, 90, 105, 115 en 263 in verschillende mate gebruikmaken van het precipitatiehardingsmechanisme.

Waarom behoudt Nimonic zijn sterkte bij hoge temperaturen?

Bij conventionele constructiematerialen leidt een stijgende temperatuur tot een snelle afname van de vloeigrens en treksterkte, en een verhoogde kruipgevoeligheid. Nimonic-superlegeringen zijn ontworpen om dit proces aanzienlijk te vertragen. De stabiele nikkelmatrix behoudt zijn austenitische structuur over een breed temperatuurbereik. In precipitatiehardende legeringen belemmeren fijne γ'-faseprecipitaten de beweging van dislocaties en beperken ze de vervorming van het materiaal. Kobalt en molybdeen kunnen de matrix verder versterken en de eigenschappen bij hoge temperaturen verbeteren, terwijl gecontroleerde carbiden het korrelgrensgedrag en de kruipweerstand beïnvloeden. Als gevolg hiervan kan een zorgvuldig geselecteerde Nimonic-legering belastingen gedurende langere perioden weerstaan bij temperaturen waarbij conventionele constructiestalen en veel roestvrije staalsoorten een aanzienlijk deel van hun mechanische eigenschappen verliezen.

Kruipweerstand

Een van de belangrijkste eigenschappen van Nimonic-legeringen is de weerstand tegen kruip en kruipbreuk . Kruip is de langzame, permanente vervorming van een materiaal onder constante belasting bij hoge temperaturen. Dit fenomeen is van cruciaal belang in gasturbines, vliegtuigmotoren, energiecentrales en industriële installaties die duizenden uren achter elkaar in bedrijf zijn. De geschiktheid van een specifieke Nimonic-legering wordt daarom niet alleen bepaald door de treksterkte gemeten bij kamertemperatuur. In veel toepassingen zijn de kruipsterkte, de tijd tot breuk bij een gegeven spanning en temperatuur, en de structurele stabiliteit na duizenden uren thermische belasting veel belangrijker.

Bestand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen.

Het chroom in Nimonic-legeringen maakt de vorming van een beschermende oxidelaag mogelijk die verdere oxidatie van het materiaal beperkt. Aluminium speelt in sommige soorten ook een belangrijke rol. Hierdoor kunnen Nimonic-legeringen worden gebruikt in contact met hete gassen en atmosferen zoals die voorkomen in turbines, motoren, ovens en procesinstallaties. De maximale oxidatieweerstandstemperatuur mag echter niet gelijkgesteld worden aan de maximale bedrijfstemperatuur van een component die zware belastingen draagt. Het materiaal kan een goede oppervlakteoxidatieweerstand behouden bij temperaturen waarbij de toelaatbare ontwerpbelasting aanzienlijk lager is. Daarom vereist de legeringsselectie een gelijktijdige analyse van temperatuur, belasting, bedrijfstijd en de omgeving.

Nimonic® 75 – klassieke nikkel-chroomlegering

Nimonic 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630, is een van de basislegeringen in de Nimonic-familie. Het is een nikkel-chroomlegering met gecontroleerde toevoegingen van titanium en koolstof, primair bedoeld voor toepassingen die een goede weerstand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen vereisen, evenals adequate mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen. In tegenstelling tot Nimonic 80A of Nimonic 90 is legering 75 geen klassieke γ'-precipitatiehardende superlegering. De eigenschappen ervan zijn voornamelijk te danken aan de matrixsamenstelling en de zorgvuldig gecontroleerde microstructuur. Nimonic 75 kenmerkt zich door een goede bewerkbaarheid en lasbaarheid, waardoor het veelvuldig wordt gebruikt voor componenten van plaatmetaal, stripmetaal en buizen. Typische toepassingen zijn onder andere componenten voor gasturbines, verbrandingskamers, hete gasleidingen, componenten voor industriële ovens, warmtebehandelingsapparatuur en componenten voor hogetemperatuurinstallaties.

Nimonic® 80A – precipitatiehardende legering

Nimonic 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 , is een nikkel-chroom superlegering die precipitatiegehard is door de toevoeging van titanium en aluminium. Een geschikte warmtebehandeling produceert een γ'-fase, die de sterkte en kruipweerstand van het materiaal aanzienlijk verhoogt. Nimonic 80A combineert een hoge sterkte bij hoge temperaturen met een goede weerstand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen. Het materiaal wordt gebruikt in toepassingen zoals gasturbines, verbrandingsmotoren, kleponderdelen, zwaarbelaste bevestigingsmiddelen en andere componenten die onder hoge temperaturen werken.

Nimonic® 81 – hoge oxidatiebestendigheid

Nimonic 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 is een nikkel-chroomlegering voor hoge temperaturen, gebaseerd op Nimonic 80A, maar met een verhoogd chroomgehalte. Het hogere chroomgehalte zorgt voor een uitzonderlijk hoge weerstand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen. De legering is ontworpen voor toepassingen waarbij de oppervlaktebestendigheid tegen hete gassen net zo belangrijk is als de mechanische eigenschappen. Het wordt onder andere gebruikt in ovenonderdelen, gasturbines, warmtebehandelingsapparatuur en industriële installaties die bij hoge temperaturen werken.

Nimonic® 90 – hoge sterkte en kruipweerstand

Nimonic 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 is een nikkel-chroom-kobalt-superlegering met precipitatieharding. Het bevat een aanzienlijke hoeveelheid kobalt, samen met toevoegingen van titanium en aluminium die verantwoordelijk zijn voor de vorming van de γ'-fase. De combinatie van precipitatieharding en een geschikte matrixsamenstelling zorgt voor een hoge sterkte, kruipweerstand en oxidatieweerstand bij hoge temperaturen. Nimonic 90 wordt gebruikt voor componenten die een hoge sterkte vereisen tijdens langdurige thermische belasting, waaronder turbinebladen en -onderdelen, schijven, ringen, bevestigingsmiddelen en componenten voor hogetemperatuurapparatuur.

Nimonic® 105 – een superlegering voor zwaarbelaste turbineonderdelen.

Nimonic 105 – UNS N13021 is een zeer sterke nikkelgebaseerde superlegering met aanzienlijke hoeveelheden kobalt, chroom en molybdeen, aangevuld met aluminium en titanium. Het materiaal is ontwikkeld voor hoge mechanische eigenschappen en kruipweerstand bij hoge temperaturen. Het hoge gehalte aan γ'-fase zorgt voor een zeer effectieve precipitatieharding. Nimonic 105 wordt voornamelijk gebruikt in zwaarbelaste gasturbinecomponenten, met name waar hoge kruipweerstand en langdurig behoud van mechanische eigenschappen vereist zijn.

Nimonic® 115 – een zeer sterke nikkellegering

Nimonic 115 is een nikkel-chroom-kobalt-superlegering met toevoegingen van molybdeen, aluminium en titanium. Deze legering is ontwikkeld om een zeer hoge kruipsterkte bij hoge temperaturen te bieden. Het hoge gehalte aan γ'-fasevormende elementen zorgt voor sterke precipitatieharding en een hoge mechanische stabiliteit onder langdurige thermische belasting. De legering is voornamelijk bedoeld voor veeleisende gasturbinecomponenten en andere zwaarbelaste componenten die aan hoge temperaturen worden blootgesteld.

Nimonic® 263 – sterkte gecombineerd met goede lasbaarheid

Nimonic 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650, is een nikkel-kobalt-chroom precipitatiehardende superlegering. Deze legering is ontwikkeld om een gunstige combinatie te bieden van hoge temperatuursterkte, oxidatieweerstand, ductiliteit en goede lasbaarheid. In vergelijking met sommige sterk versterkte γ'-superlegeringen biedt Nimonic 263 een verbeterde lasbaarheid en de mogelijkheid om complexe plaatwerkcomponenten te vervaardigen. Hierdoor wordt de legering onder andere gebruikt in verbrandingskamers, gasturbinecomponenten, uitlaatsystemen, hete gascomponenten en constructies voor de lucht- en ruimtevaart en energiesector.

Nimonic 75, 80A, 90 en 263 – Basisverschillen

Nimonic 75 is vooral geschikt voor toepassingen die een goede oxidatie- en corrosiebestendigheid bij hoge temperaturen vereisen, evenals een goede verwerkbaarheid. Nimonic 80A is een precipitatiehardende legering en biedt aanzienlijk verbeterde mechanische eigenschappen en kruipweerstand. Nimonic 90 bevat ook een aanzienlijke hoeveelheid kobalt en is ontwikkeld voor nog veeleisendere toepassingen bij hoge temperaturen. Nimonic 263 combineert een hoge sterkte bij hoge temperaturen met een goede ductiliteit en lasbaarheid, waardoor het bijzonder geschikt is voor complexe lasconstructies. Deze kwaliteiten mogen niet als directe vervangers worden beschouwd. De keuze hangt af van de temperatuur, de spanning, de levensduur, de vereiste kruipweerstand, de fabricagemethode van het onderdeel en de omgevingsomstandigheden.

Warmtebehandeling van Nimonic®-legeringen

Voor precipitatiehardende Nimonic-legeringen is warmtebehandeling essentieel om de gewenste eigenschappen te verkrijgen. Het proces kan een oplossingswarmtebehandeling en een of meer verouderingsstappen omvatten. Tijdens het verouderingsproces worden de vorming en verdeling van de γ'-fase en andere microstructuurcomponenten gecontroleerd. Temperatuur, tijd en afkoelsnelheid beïnvloeden de grootte van de precipitaten, de korrelgrensstructuur, de sterkte, de ductiliteit en de kruipweerstand. Daarom mogen de mechanische eigenschappen van Nimonic-legeringen niet worden gerapporteerd zonder de warmtebehandelingstoestand en de productvorm te specificeren.

Lassen van Nimonic®-legeringen

De lasbaarheid van Nimonic-legeringen hangt af van de specifieke kwaliteit en de mate van harding. Nimonic 75 kenmerkt zich door een relatief goede lasbaarheid. Legeringen met een hoger gehalte aan aluminium en titanium en een hoog γ'-fasegehalte zijn technologisch veeleisender en kunnen gevoeliger zijn voor scheurvorming tijdens het lassen of de daaropvolgende warmtebehandeling. Nimonic 263 is onder andere ontwikkeld om een goede lasbaarheid te bereiken met behoud van hoge mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen. Voor kritische constructies moet bij de lastechnologie rekening worden gehouden met de conditie van het materiaal vóór het lassen, de procesparameters, het vulmateriaal en de vereiste warmtebehandeling na het lassen.

Bewerking

Net als andere nikkelgebaseerde superlegeringen zijn Nimonic-materialen veeleisende legeringen tijdens de bewerking. De hoge sterkte, lage thermische geleidbaarheid en neiging tot vervormingsharding leggen een aanzienlijke druk op de gereedschapspunt. Het bewerken van materialen na de uiteindelijke precipitatieharding kan bijzonder lastig zijn. Daarom worden sommige mechanische bewerkingen uitgevoerd in een zorgvuldig geselecteerde materiaaltoestand vóór de uiteindelijke veroudering. Bewerking vereist een rigide technologische opstelling, geschikte gereedschappen, stabiele snijparameters en effectieve warmteafvoer.

Typische toepassingen van Nimonic®-legeringen

Luchtvaart – turbinebladen en -onderdelen, ringen, schijven, verbrandingskamers, onderdelen van uitlaatsystemen en zwaarbelaste vliegtuigmotoronderdelen. Energie – industriële gasturbines, hete onderdelen van energieapparatuur en componenten die onder langdurige thermische belasting werken. Automobielindustrie – motorventielen, turbocompressoronderdelen en onderdelen die in hete gasstromen werken. Ovenindustrie – ovenonderdelen, warmtebehandelingsapparatuur, houders, afdekkingen en onderdelen die langdurig aan oxidatie worden blootgesteld. Chemische en procesindustrie – installatieonderdelen die tegelijkertijd bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen en agressieve omgevingen. Ruimtevaarttechnologie – onderdelen van voortstuwingssystemen en constructies die worden blootgesteld aan hoge temperaturen en mechanische belastingen.

De juiste Nimonic®-legering kiezen

Bij de keuze van een Nimonic-kwaliteit is het belangrijk om niet alleen de maximale bedrijfstemperatuur te bepalen, maar ook de aard van de belasting en de vereiste levensduur. Een component dat slechts enkele minuten bij zeer hoge temperaturen werkt, vereist andere eigenschappen dan een turbinecomponent die tienduizenden uren onder constante spanning functioneert. Weerstand tegen kruip, thermische en mechanische vermoeidheid, oxidatie, corrosie bij hoge temperaturen, temperatuurschommelingen en de mogelijkheid om verbindingen te lassen, moeten in overweging worden genomen. Ook de warmtebehandeling en de daaropvolgende bewerkingseisen zijn belangrijk. Daarom bestaat er niet één "beste Nimonic". Er zijn verschillende kwaliteiten ontwikkeld voor uiteenlopende combinaties van temperatuur, spanning, omgeving en productietechnologie.

Leveringsmethoden voor Nimonic®-legeringen

Afhankelijk van de kwaliteit en specificatie zijn Nimonic-legeringen onder andere verkrijgbaar als:

vellen en borden,
banden,
ronde staven,
draden,
pijpen,
smeedstukken,
ringen,
materialen bestemd voor verder smeden en verwerken,
Halffabrikaten vervaardigd volgens specifieke industriële en ruimtevaartspecificaties.

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

Nimonic® legeringssoorten

Nimonic 75 / Legering 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Ni-Cr-legering met een zeer goede weerstand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen, onder andere gebruikt in verbrandingskamers en warmtebehandelingsapparaten.
Nimonic 80A / Alloy 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – precipitatiegeharde Ni-Cr-Ti-Al-legering met hoge sterkte en kruipweerstand.
Nimonic 81 / Legering 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – een nikkellegering met een hoog chroomgehalte, ontworpen voor toepassingen die een zeer hoge weerstand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen vereisen.
Nimonic 90 / Legering 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – precipitatiehardende Ni-Cr-Co-Ti-Al-legering met hoge kruip- en oxidatieweerstand.
Nimonic 105 / Legering 105 – UNS N13021 – een zeer sterke Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti superlegering, primair ontworpen voor zwaarbelaste turbineonderdelen.
Nimonic 115 / Legering 115 – een zeer sterke Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti-superlegering met een hoog γ′-fasegehalte, ontworpen voor gebruik onder hoge belastingen bij verhoogde temperaturen.
Nimonic 263 / Legering 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – een precipitatiehardende Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al-legering die een hoge sterkte bij hoge temperaturen combineert met goede lasbaarheid en technologische geschiktheid.

Zie ook

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.