Nimonic ® – høytemperatur superlegeringer

Nimonic® – høytemperatur superlegeringer

Kjennetegn ved Nimonic®-legeringer

Nimonic® er en familie av høytemperatur nikkelbaserte legeringer designet for å fungere under forhold med samtidig eksponering for høy temperatur, mekanisk stress, kryp, oksidasjon og høytemperaturkorrosjon . Disse legeringene er blant de viktigste materialene som brukes i utviklingen av turbinmotorer, kraftproduksjon og utstyr som opererer under ekstreme termiske forhold. De grunnleggende komponentene i de fleste Nimonic-legeringer er nikkel og krom . Avhengig av kvaliteten brukes også tilsetninger av kobolt , molybden , titan , aluminium , jern , karbon , bor og andre elementer for å kontrollere materialets struktur og egenskaper. Det høye nikkelinnholdet sikrer stabiliteten til den austenittiske γ-matrisen over et bredt temperaturområde, mens krom primært er ansvarlig for motstand mot oksidasjon og høytemperaturkorrosjon. I mange Nimonic-legeringer muliggjør tilsetning av aluminium og titan dannelsen av γ′-fasen – Ni3 ₍ Al,Ti) , som er ansvarlig for svært høy styrke og krypmotstand ved forhøyede temperaturer. Imidlertid herdes ikke alle Nimonic-legeringer på samme måte. For eksempel er Nimonic 75 primært en løsningsherdet legering, mens Nimonic 80A, 90, 105, 115 og 263 bruker utfellingsherdingsmekanismen i varierende grad.

Hvorfor beholder Nimonic sin styrke ved høye temperaturer?

I konvensjonelle konstruksjonsmaterialer fører økende temperatur til en rask reduksjon i flytegrense og styrke, og økt krypemottakelighet. Nimonic-superlegeringer er utformet for å bremse denne prosessen betydelig. Den stabile nikkelmatrisen beholder sin austenittiske struktur over et bredt temperaturområde. I utfellingsherdende legeringer hindrer fin γ′-faseutfellinger dislokasjonsbevegelse og begrenser materialdeformasjon. Kobolt og molybden kan ytterligere styrke matrisen og forbedre høytemperaturegenskapene, mens riktig kontrollerte karbider påvirker korngrenseoppførselen og krypemotstanden. Som et resultat kan et riktig valgt Nimonic tåle belastninger over lengre perioder ved temperaturer der konvensjonelle konstruksjonsstål og mange rustfrie stål mister en betydelig del av sine mekaniske egenskaper.

Krypemotstand

En av de viktigste egenskapene til Nimonic-legeringer er motstand mot kryp og krypbrudd . Kryp er den langsomme, permanente deformasjonen av et materiale under konstant belastning ved forhøyede temperaturer. Dette fenomenet er av største betydning i gassturbiner, flymotorer, kraftproduksjonsutstyr og industriinstallasjoner som opererer kontinuerlig i tusenvis av timer. Derfor bestemmes ikke egnetheten til en spesifikk Nimonic-legering utelukkende av dens strekkfasthet målt ved romtemperatur. I mange bruksområder er krypfasthet, tid til brudd ved en gitt spenning og temperatur, og strukturell stabilitet etter tusenvis av timer med termisk eksponering mye viktigere.

Motstand mot oksidasjon og høytemperaturkorrosjon

Krommen som finnes i Nimonic-legeringer muliggjør dannelsen av et beskyttende oksidlag som begrenser ytterligere oksidasjon av materialet. Aluminium spiller også en betydelig rolle i noen kvaliteter. Dette gjør at Nimonic-legeringer kan brukes i kontakt med varme gasser og atmosfærer som finnes i turbiner, motorer, ovner og prosessanlegg. Den maksimale oksidasjonsmotstandstemperaturen bør imidlertid ikke likestilles med den maksimale driftstemperaturen til en komponent som bærer tunge belastninger. Materialet kan opprettholde god overflateoksidasjonsmotstand ved temperaturer der den tillatte designspenningen er betydelig lavere. Derfor krever legeringsvalg en samtidig analyse av temperatur, spenning, driftstid og miljø.

Nimonic® 75 – klassisk nikkel-krom-legering

Nimonic 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630, er en av basislegeringene i Nimonic-familien. Det er en nikkel-kromlegering med kontrollerte tilsetninger av titan og karbon, primært beregnet for bruksområder som krever god motstand mot oksidasjon, høytemperaturkorrosjon og tilstrekkelige mekaniske egenskaper ved forhøyede temperaturer. I motsetning til Nimonic 80A eller Nimonic 90 er legering 75 ikke en klassisk γ′-utfellingsherdende superlegering. Egenskapene stammer hovedsakelig fra matrikssammensetningen og den nøye kontrollerte mikrostrukturen. Nimonic 75 kjennetegnes av god maskinbearbeidbarhet og sveisbarhet, og det er derfor den er mye brukt til komponenter laget av metallplater, båndmetall og rør. Typiske bruksområder inkluderer gassturbinkomponenter, forbrenningskamre, varmgasskanaler, industrielle ovnskomponenter, varmebehandlingsutstyr og høytemperaturanleggskomponenter.

Nimonic® 80A – utfellingsherdende legering

Nimonic 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 , er en nikkel-krom superlegering som er utfellingsherdet ved tilsetning av titan og aluminium. Passende varmebehandling produserer en γ′-fase, noe som øker materialets styrke og krypemotstand betydelig. Nimonic 80A kombinerer høy styrke ved forhøyede temperaturer med god motstand mot oksidasjon og høytemperaturkorrosjon. Materialet brukes i applikasjoner som gassturbiner, forbrenningsmotorer, ventilkomponenter, høyt belastede festemidler og andre komponenter som opererer under høye temperaturbelastninger.

Nimonic® 81 – høy oksidasjonsmotstand

Nimonic 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 er en høytemperatur nikkel-kromlegering basert på Nimonic 80A, men med økt krominnhold. Det høyere krominnholdet gir usedvanlig høy motstand mot oksidasjon og høytemperaturkorrosjon. Legeringen er utviklet for bruksområder der overflatemotstand mot varme gasser er like viktig som mekaniske egenskaper. Den brukes blant annet i ovnskomponenter, gassturbiner, varmebehandlingsutstyr og industrielle installasjoner som opererer ved høye temperaturer.

Nimonic® 90 – høy styrke og krypemotstand

Nimonic 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 er en nikkel-krom-kobolt utfellingsherdende superlegering. Den inneholder en betydelig mengde kobolt, sammen med titan- og aluminiumtilsetninger som er ansvarlige for dannelsen av γ′-fasen. Kombinasjonen av utfellingsherding og en passende matrikssammensetning gir høy styrke, krypemotstand og oksidasjonsmotstand ved forhøyede temperaturer. Nimonic 90 brukes til komponenter som krever høy styrke under langvarig termisk drift, inkludert turbinblader og komponenter, skiver, ringer, festemidler og høytemperaturutstyrskomponenter.

Nimonic® 105 – en superlegering for høyt belastede turbinkomponenter

Nimonic 105 – UNS N13021 er en høyfast nikkelbasert superlegering som inneholder betydelige mengder kobolt, krom og molybden, med tilsetninger av aluminium og titan. Materialet ble utviklet for høye mekaniske egenskaper og krypemotstand ved forhøyede temperaturer. Det høye γ′-faseinnholdet gir svært effektiv utfellingsherding. Nimonic 105 brukes primært i høyt belastede gassturbinkomponenter, spesielt der det kreves høy krypemotstand og langvarig bevaring av mekaniske egenskaper.

Nimonic® 115 – en høyfast nikkellegering

Nimonic 115 er en nikkel-krom-kobolt superlegering med tilsetninger av molybden, aluminium og titan. Den ble utviklet for å gi svært høy krypestyrke ved høye temperaturer. Det høye innholdet av γ′-fasedannende elementer gir sterk utfellingsherding og høy mekanisk stabilitet under langvarig termisk belastning. Legeringen er primært beregnet for krevende gassturbinkomponenter og andre høyt belastede høytemperaturkomponenter.

Nimonic® 263 – styrke kombinert med god sveiseevne

Nimonic 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650, er en nikkel-kobolt-krom utfellingsherdende superlegering. Den ble utviklet for å gi en gunstig kombinasjon av høytemperaturstyrke, oksidasjonsmotstand, duktilitet og god sveisbarhet. Sammenlignet med noen svært forsterkede γ′-superlegeringer, tilbyr Nimonic 263 forbedret sveisbarhet og evnen til å fremstille komplekse metallplatekomponenter. Som et resultat brukes den blant annet i forbrenningskamre, gassturbinkomponenter, eksosanlegg, varmgasskomponenter og romfarts- og energistrukturer.

Nimonic 75, 80A, 90 og 263 – Grunnleggende forskjeller

Nimonic 75 bør primært vurderes for applikasjoner som krever god oksidasjons- og høytemperaturkorrosjonsbestandighet, samt god prosesserbarhet. Nimonic 80A er en utfellingsherdende legering og tilbyr betydelig forbedrede mekaniske egenskaper og krypemotstand. Nimonic 90 inneholder også en betydelig mengde kobolt og ble utviklet for enda mer krevende høytemperaturapplikasjoner. Nimonic 263 kombinerer høy styrke ved forhøyede temperaturer med god duktilitet og sveisebarhet, noe som gjør den spesielt egnet for komplekse sveisede konstruksjoner. Disse kvalitetene bør ikke betraktes som direkte erstatninger. Valget avhenger av temperatur, spenning, levetid, nødvendig krypemotstand, komponentfabrikasjonsmetode og miljøforhold.

Varmebehandling av Nimonic®-legeringer

For utfellingsherdende Nimonic-legeringer er varmebehandling avgjørende for å oppnå de nødvendige egenskapene. Prosessen kan involvere løsningsvarmebehandling og ett eller flere aldringstrinn. Under aldring kontrolleres dannelsen og fordelingen av γ′-fasen og andre mikrostrukturelle komponenter. Temperatur, tid og avkjølingshastighet påvirker størrelsen på utfellingene, korngrensestrukturen, styrken, duktiliteten og krypemotstanden. Derfor bør ikke de mekaniske egenskapene til Nimonic-legeringer rapporteres uten å spesifisere varmebehandlingstilstanden og produktformen.

Sveising av Nimonic®-legeringer

Sveisbarheten til Nimonic-legeringer avhenger av den spesifikke kvaliteten og herdegraden. Nimonic 75 kjennetegnes av relativt god sveisbarhet. Legeringer som inneholder større mengder aluminium og titan og et høyt γ′-faseinnhold er mer krevende teknologisk og kan ha større risiko for sprekkdannelser under sveising eller påfølgende varmebehandling. Nimonic 263 ble blant annet utviklet for å oppnå god sveisbarhet samtidig som høye mekaniske egenskaper opprettholdes ved forhøyede temperaturer. For kritiske konstruksjoner bør sveiseteknologien ta hensyn til materialets tilstand før sveising, prosessparametere, fyllmateriale og nødvendig varmebehandling etter sveising.

Maskinering

I likhet med andre nikkelbaserte superlegeringer er Nimonic-materialer krevende legeringer under maskinering. Høy styrke, lav varmeledningsevne og en tendens til deformasjonsherding legger betydelig belastning på verktøyspissen. Maskineringskvaliteter etter endelig utfellingsherding kan være spesielt utfordrende. Derfor utføres noen mekaniske operasjoner i en nøye utvalgt materialtilstand før endelig aldring. Maskinering krever et stivt teknologisk oppsett, passende verktøy, stabile skjæreparametere og effektiv varmefjerning.

Typiske bruksområder for Nimonic®-legeringer

Luftfart – turbinblader og -komponenter, ringer, skiver, forbrenningskamre, eksosanleggskomponenter og høyt belastede flymotordeler. Energi – industrielle gassturbiner, varme deler av kraftutstyr og komponenter som opererer under vedvarende termisk belastning. Bilindustri – motorventiler, turboladerkomponenter og komponenter som opererer i varme gasstrømmer. Ovnsindustri – ovnskomponenter, varmebehandlingsutstyr, holdere, deksler og komponenter utsatt for langvarig oksidasjon. Kjemisk industri og prosessindustri – installasjonskomponenter som krever samtidig motstand mot høye temperaturer og aggressive miljøer. Romteknologi – komponenter i fremdriftssystemer og konstruksjoner utsatt for høye temperaturer og mekaniske belastninger.

Valg av riktig Nimonic®-legering

Når du velger en Nimonic-kvalitet, er det viktig å bestemme ikke bare den maksimale driftstemperaturen, men også lastens art og den nødvendige levetiden. En komponent som opererer i noen få minutter ved svært høye temperaturer krever andre egenskaper enn en turbinkomponent som opererer i titusenvis av timer under konstant belastning. Motstand mot kryp, termisk og mekanisk utmatting, oksidasjon, høytemperaturkorrosjon, temperatursykling og evnen til å sveise skjøter må tas i betraktning. Varmebehandling og påfølgende maskineringskrav er også viktige. Derfor finnes det ingen enkelt "beste Nimonic". Individuelle kvaliteter er utviklet for ulike kombinasjoner av temperatur, belastning, miljø og komponentproduksjonsteknologi.

Leveringsmetoder for Nimonic®-legeringer

Avhengig av kvalitet og spesifikasjon er Nimonic-legeringer tilgjengelige som blant annet:

laken og plater,
bånd,
runde stenger,
ledninger,
rør,
smivarer,
ringer,
materialer beregnet for videre smiing og bearbeiding,
halvfabrikata produsert i henhold til spesifikke industrielle og luftfartsspesifikasjoner.

Tilgjengeligheten av en spesifikk produktform avhenger av kvalitet, størrelse, varmebehandlingsforhold og nødvendig produksjonsstandard.

Nimonic®-legeringskvaliteter

Nimonic 75 / Legering 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Ni-Cr-legering med svært god motstand mot oksidasjon og høytemperaturkorrosjon, brukt blant annet i forbrenningskamre og varmebehandlingsenheter.
Nimonic 80A / Legering 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – utskillelsesherdet Ni-Cr-Ti-Al-legering med høy styrke og krypemotstand.
Nimonic 81 / Legering 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – en legering med høyt krom-nikkelinnhold utviklet for bruksområder som krever svært høy motstand mot oksidasjon og høytemperaturkorrosjon.
Nimonic 90 / Legering 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – utskillelsesherdende Ni-Cr-Co-Ti-Al-legering med høy krype- og oksidasjonsmotstand.
Nimonic 105 / Legering 105 – UNS N13021 – en høyfast Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti superlegering utviklet primært for høyt belastede turbinkomponenter.
Nimonic 115 / Legering 115 – høyfast Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti superlegering med høyt γ′-faseinnhold, konstruert for drift under høye belastninger ved forhøyede temperaturer.
Nimonic 263 / Legering 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – en utskillingsherdende Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al-legering som kombinerer høy høytemperaturstyrke med god sveiseevne og teknologisk egnethet.

Se også

Nimonic ® – høytemperatur superlegeringer 75, 80A, 81, 90, 105, 115 og 263