Nimonic® – vysokoteplotné superzliatiny
Charakteristiky zliatin Nimonic®
Nimonic® je skupina vysokoteplotných zliatin na báze niklu, ktoré sú určené na prevádzku v podmienkach súčasného vystavenia vysokej teplote, mechanickému namáhaniu, tečeniu, oxidácii a vysokoteplotnej korózii . Tieto zliatiny patria medzi najdôležitejšie materiály používané pri vývoji turbínových motorov, výroby energie a zariadení pracujúcich v extrémnych tepelných podmienkach. Základnými zložkami väčšiny zliatin Nimonic sú nikel a chróm . V závislosti od stupňa sa na riadenie štruktúry a vlastností materiálu používajú aj prísady kobaltu , molybdénu , titánu , hliníka , železa , uhlíka , bóru a ďalších prvkov. Vysoký obsah niklu zaisťuje stabilitu austenitickej γ matrice v širokom teplotnom rozsahu, zatiaľ čo chróm je primárne zodpovedný za odolnosť voči oxidácii a vysokoteplotnej korózii. V mnohých zliatinách Nimonic umožňuje pridanie hliníka a titánu tvorbu γ′ fázy – Ni3 ( Al,Ti) , ktorá je zodpovedná za veľmi vysokú pevnosť a odolnosť voči tečeniu pri zvýšených teplotách. Nie všetky zliatiny Nimonic sa však kalia rovnakým spôsobom. Napríklad Nimonic 75 je primárne zliatina spevnená roztokom, zatiaľ čo Nimonic 80A, 90, 105, 115 a 263 využívajú mechanizmus spevnenia precipitáciou v rôznej miere.
Prečo si Nimonic zachováva svoju pevnosť aj pri vysokých teplotách?
V konvenčných konštrukčných materiáloch vedie zvyšujúca sa teplota k rýchlemu poklesu medze klzu a pevnosti v tahu a k zvýšenej náchylnosti na tečenie. Nimonické superzliatiny sú navrhnuté tak, aby tento proces výrazne spomaľovali. Stabilná niklová matrica si zachováva svoju austenitickú štruktúru v širokom teplotnom rozsahu. V zliatinách s precipitačným vytvrdzovaním jemné precipitáty fázy γ′ bránia pohybu dislokácií a obmedzujú deformáciu materiálu. Kobalt a molybdén môžu ďalej spevniť matricu a zlepšiť vlastnosti pri vysokých teplotách, zatiaľ čo správne kontrolované karbidy ovplyvňujú správanie hraníc zŕn a odolnosť proti tečeniu. V dôsledku toho môže správne zvolená Nimonic zliatina odolávať zaťaženiu dlhší čas pri teplotách, pri ktorých konvenčné konštrukčné ocele a mnohé nehrdzavejúce ocele strácajú významnú časť svojich mechanických vlastností.
Odolnosť proti tečeniu
Jednou z najdôležitejších vlastností zliatin Nimonic je odolnosť voči tečeniu a pretrhnutiu pri tečení . Tečenie je pomalá, trvalá deformácia materiálu pri konštantnom zaťažení pri zvýšených teplotách. Tento jav má mimoriadny význam v plynových turbínach, leteckých motoroch, zariadeniach na výrobu energie a priemyselných inštaláciách, ktoré pracujú nepretržite tisíce hodín. Preto vhodnosť konkrétnej zliatiny Nimonic nie je určená len jej pevnosťou v ťahu meranou pri izbovej teplote. V mnohých aplikáciách je oveľa dôležitejšia pevnosť v ťahu, čas do pretrhnutia pri danom napätí a teplote a štrukturálna stabilita po tisíckach hodín tepelného vystavenia.
Odolnosť voči oxidácii a korózii pri vysokých teplotách
Chróm prítomný v zliatinách Nimonic umožňuje tvorbu ochrannej oxidovej vrstvy, ktorá obmedzuje ďalšiu oxidáciu materiálu. V niektorých triedach hrá významnú úlohu aj hliník. To umožňuje použitie zliatin Nimonic v kontakte s horúcimi plynmi a atmosférami nachádzajúcimi sa v turbínach, motoroch, peciach a procesných zariadeniach. Maximálna teplota odolnosti voči oxidácii by sa však nemala stotožňovať s maximálnou prevádzkovou teplotou komponentu nesúceho ťažké zaťaženie. Materiál si dokáže udržať dobrú povrchovú odolnosť voči oxidácii pri teplotách, kde je jeho prípustné konštrukčné napätie výrazne nižšie. Preto si výber zliatiny vyžaduje súčasnú analýzu teploty, napätia, prevádzkového času a prostredia.
Nimonic® 75 – klasická nikel-chrómová zliatina
Nimonic 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630, je jednou zo základných zliatin v rodine Nimonic. Je to nikel-chrómová zliatina s kontrolovaným pridávaním titánu a uhlíka, určená predovšetkým pre aplikácie vyžadujúce dobrú odolnosť voči oxidácii, vysokoteplotnej korózii a primerané mechanické vlastnosti pri zvýšených teplotách. Na rozdiel od Nimonic 80A alebo Nimonic 90, Alloy 75 nie je klasická γ′ precipitačne vytvrdzovaná superzliatina. Jej vlastnosti vyplývajú predovšetkým z jej zloženia matrice a starostlivo kontrolovanej mikroštruktúry. Nimonic 75 sa vyznačuje dobrou obrobiteľnosťou a zvariteľnosťou, a preto sa široko používa na súčiastky vyrobené z plechov, pásových kovov a rúrok. Medzi typické aplikácie patria súčiastky plynových turbín, spaľovacie komory, potrubia horúcich plynov, súčiastky priemyselných pecí, zariadenia na tepelné spracovanie a súčiastky vysokoteplotných zariadení.
Nimonic® 80A – zliatina s precipitačnou tvrdosťou
Nimonic 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 , je nikel-chrómová superzliatina, ktorá je vyzrážane kalená pridaním titánu a hliníka. Vhodné tepelné spracovanie vytvára fázu γ′, ktorá výrazne zvyšuje pevnosť a odolnosť materiálu proti tečeniu. Nimonic 80A kombinuje vysokú pevnosť pri zvýšených teplotách s dobrou odolnosťou voči oxidácii a korózii pri vysokých teplotách. Materiál sa používa v aplikáciách, ako sú plynové turbíny, spaľovacie motory, komponenty ventilov, vysoko zaťažené spojovacie prvky a iné komponenty pracujúce pri vysokoteplotnom zaťažení.
Nimonic® 81 – vysoká odolnosť voči oxidácii
Nimonic 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 je vysokoteplotná nikel-chrómová zliatina na báze Nimonic 80A, ale so zvýšeným obsahom chrómu. Vyšší obsah chrómu poskytuje mimoriadne vysokú odolnosť voči oxidácii a korózii pri vysokých teplotách. Zliatina je určená pre aplikácie, kde je povrchová odolnosť voči horúcim plynom rovnako dôležitá ako mechanické vlastnosti. Používa sa okrem iného v súčiastkach pecí, plynových turbínach, zariadeniach na tepelné spracovanie a priemyselných inštaláciách pracujúcich pri vysokých teplotách.
Nimonic® 90 – vysoká pevnosť a odolnosť voči tečeniu
Nimonic 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 je nikel-chróm-kobaltová precipitačne vytvrdzovaná superzliatina. Obsahuje značné množstvo kobaltu spolu s prísadami titánu a hliníka, ktoré sú zodpovedné za tvorbu fázy γ′. Kombinácia precipitačného spevnenia a vhodného zloženia matrice poskytuje vysokú pevnosť, odolnosť voči tečeniu a oxidačnú odolnosť pri zvýšených teplotách. Nimonic 90 sa používa na súčiastky vyžadujúce vysokú pevnosť počas dlhodobej tepelnej prevádzky, vrátane lopatiek a súčiastok turbín, diskov, krúžkov, spojovacích prvkov a súčiastok zariadení vystavených vysokým teplotám.
Nimonic® 105 – superzliatina pre vysoko zaťažené komponenty turbín
Nimonic 105 – UNS N13021 je vysokopevnostná superzliatina na báze niklu obsahujúca značné množstvo kobaltu, chrómu a molybdénu s prídavkom hliníka a titánu. Materiál bol vyvinutý pre vysoké mechanické vlastnosti a odolnosť proti tečeniu pri zvýšených teplotách. Vysoký obsah fázy γ′ zabezpečuje veľmi účinné precipitačné kalenie. Nimonic 105 sa používa predovšetkým vo vysoko zaťažených komponentoch plynových turbín, najmä tam, kde sa vyžaduje vysoká odolnosť proti tečeniu a dlhodobé zachovanie mechanických vlastností.
Nimonic® 115 – vysokopevnostná niklová zliatina
Nimonic 115 je nikel-chróm-kobaltová superzliatina s prídavkom molybdénu, hliníka a titánu. Bola vyvinutá tak, aby poskytovala veľmi vysokú pevnosť pri tečení pri vysokých teplotách. Vysoký obsah prvkov tvoriacich γ′-fázu zabezpečuje silné precipitačné kalenie a vysokú mechanickú stabilitu pri dlhodobom tepelnom zaťažení. Zliatina je primárne určená pre náročné komponenty plynových turbín a iné vysoko namáhané komponenty pri vysokých teplotách.
Nimonic® 263 – pevnosť v kombinácii s dobrou zvárateľnosťou
Nimonic 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650, je nikel-kobalt-chrómová precipitačne vytvrdzovaná superzliatina. Bola vyvinutá s cieľom poskytnúť priaznivú kombináciu pevnosti pri vysokých teplotách, odolnosti voči oxidácii, ťažnosti a dobrej zvariteľnosti. V porovnaní s niektorými vysoko spevnenými γ′ superzliatinami ponúka Nimonic 263 zlepšenú zvariteľnosť a schopnosť vyrábať zložité plechové komponenty. Vďaka tomu sa používa okrem iného v spaľovacích komorách, komponentoch plynových turbín, výfukových systémoch, komponentoch horúcich plynov a v leteckom a energetickom priemysle.
Nimonic 75, 80A, 90 a 263 – základné rozdiely
Nimonic 75 by sa mal zvážiť predovšetkým pre aplikácie vyžadujúce dobrú odolnosť voči oxidácii a korózii pri vysokých teplotách, ako aj dobrú spracovateľnosť. Nimonic 80A je zliatina s precipitačným vytvrdzovaním a ponúka výrazne zlepšené mechanické vlastnosti a odolnosť proti tečeniu. Nimonic 90 tiež obsahuje značné množstvo kobaltu a bol vyvinutý pre ešte náročnejšie aplikácie pri vysokých teplotách. Nimonic 263 kombinuje vysokú pevnosť pri zvýšených teplotách s dobrou ťažnosťou a zvariteľnosťou, vďaka čomu je obzvlášť vhodný pre zložité zvárané konštrukcie. Tieto triedy by sa nemali považovať za priame náhrady. Výber závisí od teploty, namáhania, životnosti, požadovanej odolnosti proti tečeniu, spôsobu výroby súčiastok a podmienok prostredia.
Tepelné spracovanie zliatin Nimonic®
Pre zliatiny Nimonic s precipitačným kalením je tepelné spracovanie nevyhnutné na dosiahnutie požadovaných vlastností. Proces môže zahŕňať rozpúšťacie tepelné spracovanie a jeden alebo viac krokov starnutia. Počas starnutia sa riadi tvorba a rozloženie fázy γ′ a ďalších mikroštrukturálnych zložiek. Teplota, čas a rýchlosť ochladzovania ovplyvňujú veľkosť precipitátov, štruktúru hraníc zŕn, pevnosť, ťažnosť a odolnosť proti tečeniu. Preto by sa mechanické vlastnosti zliatin Nimonic nemali uvádzať bez špecifikácie stavu tepelného spracovania a formy výrobku.
Zváranie zliatin Nimonic®
Zvárateľnosť zliatin Nimonic závisí od konkrétnej triedy a stupňa jej kalenia. Nimonic 75 sa vyznačuje relatívne dobrou zvárateľnosťou. Zliatiny obsahujúce vyššie množstvo hliníka a titánu a vysoký obsah fázy γ′ sú technologicky náročnejšie a môžu vykazovať väčšiu náchylnosť na praskanie počas zvárania alebo následného tepelného spracovania. Nimonic 263 bol vyvinutý okrem iného na dosiahnutie dobrej zvárateľnosti pri zachovaní vysokých mechanických vlastností pri zvýšených teplotách. Pri kritických konštrukciách by technológia zvárania mala zohľadňovať stav materiálu pred zváraním, procesné parametre, prídavný materiál a požadované tepelné spracovanie po zváraní.
Obrábanie
Rovnako ako iné superzliatiny na báze niklu, aj materiály Nimonic sú náročné na obrábanie. Vysoká pevnosť, nízka tepelná vodivosť a tendencia k deformačnému spevneniu kladú značné namáhanie na hrot nástroja. Obrábanie stupňov po konečnom precipitačnom kalení môže byť obzvlášť náročné. Preto sa niektoré mechanické operácie vykonávajú v starostlivo vybranom stave materiálu pred konečným starnutím. Obrábanie vyžaduje pevné technologické nastavenie, vhodné nástroje, stabilné rezné parametre a účinný odvod tepla.
Typické aplikácie zliatin Nimonic®
Letectvo – lopatky a komponenty turbín, krúžky, disky, spaľovacie komory, komponenty výfukového systému a vysoko zaťažené časti leteckých motorov. Energetika – priemyselné plynové turbíny, horúce časti energetických zariadení a komponenty pracujúce pri trvalom tepelnom zaťažení. Automobilový priemysel – ventily motorov, komponenty turbodúchadiel a komponenty pracujúce v prúdoch horúcich plynov. Pecársky priemysel – komponenty pecí, zariadenia na tepelné spracovanie, držiaky, kryty a komponenty vystavené dlhodobej oxidácii. Chemický a spracovateľský priemysel – inštalačné komponenty vyžadujúce súčasnú odolnosť voči vysokým teplotám a agresívnemu prostrediu. Vesmírna technológia – komponenty pohonných systémov a konštrukcií vystavené vysokým teplotám a mechanickému zaťaženiu.
Výber správnej zliatiny Nimonic®
Pri výbere triedy Nimonic je dôležité určiť nielen maximálnu prevádzkovú teplotu, ale aj charakter zaťaženia a požadovanú životnosť. Súčasť pracujúca niekoľko minút pri veľmi vysokých teplotách vyžaduje iné vlastnosti ako súčasť turbíny pracujúca desaťtisíce hodín pri konštantnom namáhaní. Je potrebné zvážiť odolnosť voči tečeniu, tepelnej a mechanickej únave, oxidácii, vysokoteplotnej korózii, teplotným cyklom a schopnosť zvárať spoje. Dôležité sú aj požiadavky na tepelné spracovanie a následné obrábanie. Preto neexistuje jediná „najlepšia Nimonic“. Jednotlivé triedy boli vyvinuté pre rôzne kombinácie teploty, namáhania, prostredia a technológie výroby súčiastok.
Metódy dodávania zliatin Nimonic®
V závislosti od triedy a špecifikácie sú zliatiny Nimonic dostupné okrem iného ako:
- plechy a dosky,
- pásky,
- okrúhle tyče,
- drôty,
- potrubia,
- výkovky,
- prstene,
- materiály určené na ďalšie kovanie a spracovanie,
- polotovary vyrobené podľa špecifických priemyselných a leteckých špecifikácií.
Dostupnosť konkrétneho tvaru výrobku závisí od triedy, veľkosti, podmienok tepelného spracovania a požadovaného výrobného štandardu.
Zliatiny Nimonic®
- Nimonic 75 / Alloy 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Zliatina Ni-Cr s veľmi dobrou odolnosťou voči oxidácii a korózii pri vysokých teplotách, používaná okrem iného v spaľovacích komorách a zariadeniach na tepelné spracovanie.
- Nimonic 80A / Alloy 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – precipitačne kalená zliatina Ni-Cr-Ti-Al s vysokou pevnosťou a odolnosťou proti tečeniu.
- Nimonic 81 / Alloy 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – zliatina niklu s vysokým obsahom chrómu určená pre aplikácie vyžadujúce veľmi vysokú odolnosť voči oxidácii a korózii pri vysokých teplotách.
- Nimonic 90 / Alloy 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – zliatina Ni-Cr-Co-Ti-Al s precipitačnou kaliteľnosťou s vysokou odolnosťou voči tečeniu a oxidácii.
- Nimonic 105 / Alloy 105 – UNS N13021 – vysokopevnostná superzliatina Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti určená predovšetkým pre vysoko zaťažené komponenty turbín.
- Nimonic 115 / Alloy 115 – vysokopevnostná superzliatina Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti s vysokým obsahom fázy γ′, určená na prevádzku pri vysokom zaťažení a zvýšených teplotách.
- Nimonic 263 / Alloy 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – zliatina Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al s precipitačnou kalením, ktorá kombinuje vysokú pevnosť pri vysokých teplotách s dobrou zvariteľnosťou a technologickou vhodnosťou.
Zobacz też
Niklové zliatiny
Inconel® – superzliatiny niklu a chrómu
Zliatiny s veľmi vysokou odolnosťou voči oxidácii a tečeniu pri vysokých teplotách. Používajú sa v energetickom, leteckom a chemickom priemysle.
Druhy: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.
Incoloy® – zliatiny niklu, železa a chrómu
Kombinujú odolnosť proti korózii s dobrou štrukturálnou stabilitou. Sú obzvlášť cenené v chemickom a petrochemickom priemysle.
Druh: Incoloy 800 H/HT, Incoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.
Nimonic® – vysokoteplotné superzliatiny
Materiály spevnené precipitáciou používané v letectve a plynových turbínach sa vyznačujú vysokou odolnosťou voči tečeniu a tepelnej únave.
Typy: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.
Udimet® / Waspaloy® – superzliatiny pre extrémne zaťaženie
Používa sa v leteckých motoroch a energetickom priemysle, kde sa vyžaduje najvyššia odolnosť voči tečeniu a tepelnej únave.
Druh: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.
Monel® a čistý nikel – chemická a morská odolnosť
Monel (zliatiny niklu a medi) a čistý nikel sú materiály odolné voči morskej vode, kyselinám a zásadám. Často sa používajú v námornom, chemickom a špecializovanom priemysle.
Triedy: Monel 400, Monel K-500, Nikel 200, Nikel 201.
Špeciálne zliatiny – Invar®, Kovar®, Permalloy
Materiály s jedinečnými fyzikálnymi vlastnosťami – nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti, rozmerovou stálosťou alebo kontrolovanou magnetickou permeabilitou. Používajú sa v elektronike, optike a presných prístrojoch.
Druh: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.
Hastelloy® / Haynes® – zliatiny odolné voči korózii a vysokým teplotám
Zliatiny s vysokou odolnosťou voči agresívnemu chemickému prostrediu, oxidácii a tečeniu. Používajú sa v chemickom, energetickom a leteckom priemysle.
Triedy: 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.