Nimonic ® – högtemperatur superlegeringar

Nimonic® – högtemperatur superlegeringar

Egenskaper hos Nimonic®-legeringar

Nimonic® är en familj av högtemperatur nickelbaserade legeringar konstruerade för att fungera under förhållanden med samtidig exponering för hög temperatur, mekanisk stress, krypning, oxidation och högtemperaturkorrosion . Dessa legeringar är bland de viktigaste materialen som används vid utveckling av turbinmotorer, kraftgenerering och utrustning som arbetar under extrema termiska förhållanden. Grundkomponenterna i de flesta Nimonic-legeringar är nickel och krom . Beroende på kvalitet används även tillsatser av kobolt , molybden , titan , aluminium , järn , kol , bor och andra element för att kontrollera materialets struktur och egenskaper. Den höga nickelhalten säkerställer stabiliteten hos den austenitiska γ-matrisen över ett brett temperaturområde, medan krom huvudsakligen ansvarar för motståndskraften mot oxidation och högtemperaturkorrosion. I många Nimonic-legeringar möjliggör tillsatsen av aluminium och titan bildandet av γ′-fasen – Ni3 ₍ Al,Ti) , som ansvarar för mycket hög hållfasthet och krypmotstånd vid förhöjda temperaturer. Emellertid härdas inte alla Nimonic-legeringar på samma sätt. Till exempel är Nimonic 75 främst en lösningsförstärkt legering, medan Nimonic 80A, 90, 105, 115 och 263 använder utskiljningsförstärkande mekanism i varierande grad.

Varför behåller Nimonic sin styrka vid höga temperaturer?

I konventionella konstruktionsmaterial leder ökande temperatur till en snabb minskning av sträckgräns och hållfasthet, och ökad krypmotståndskraft. Nimonic-superlegeringar är utformade för att bromsa denna process avsevärt. Den stabila nickelmatrisen behåller sin austenitiska struktur över ett brett temperaturområde. I utskiljningshärdande legeringar hindrar fina γ′-fasutskiljningar dislokationsrörelser och begränsar materialdeformation. Kobolt och molybden kan ytterligare förstärka matrisen och förbättra högtemperaturegenskaperna, medan korrekt kontrollerade karbider påverkar korngränsbeteendet och krypmotståndet. Som ett resultat kan ett korrekt valt Nimonic-stål motstå belastningar under längre perioder vid temperaturer där konventionella konstruktionsstål och många rostfria stål förlorar en betydande del av sina mekaniska egenskaper.

Krypmotstånd

En av de viktigaste egenskaperna hos Nimonic-legeringar är motståndskraft mot krypning och krypbrott . Krypning är den långsamma, permanenta deformationen av ett material under konstant belastning vid förhöjda temperaturer. Detta fenomen är av största vikt i gasturbiner, flygmotorer, kraftproduktionsutrustning och industriinstallationer som arbetar kontinuerligt i tusentals timmar. Därför bestäms lämpligheten hos en specifik Nimonic-legering inte bara av dess draghållfasthet mätt vid rumstemperatur. I många tillämpningar är kryphållfasthet, tid till brott vid en given spänning och temperatur, och strukturell stabilitet efter tusentals timmar av termisk exponering mycket viktigare.

Motståndskraft mot oxidation och högtemperaturkorrosion

Kromet som finns i Nimonic-legeringar möjliggör bildandet av ett skyddande oxidskikt som begränsar ytterligare oxidation av materialet. Aluminium spelar också en betydande roll i vissa kvaliteter. Detta gör att Nimonic-legeringar kan användas i kontakt med heta gaser och atmosfärer som finns i turbiner, motorer, ugnar och processanläggningar. Den maximala oxidationsbeständighetstemperaturen bör dock inte likställas med den maximala driftstemperaturen för en komponent som bär tunga laster. Materialet kan bibehålla god ytoxidationsbeständighet vid temperaturer där dess tillåtna konstruktionsspänning är betydligt lägre. Därför kräver legeringsval en samtidig analys av temperatur, spänning, driftstid och miljö.

Nimonic® 75 – klassisk nickel-kromlegering

Nimonic 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630, är en av baslegeringarna i Nimonic-familjen. Det är en nickel-kromlegering med kontrollerade tillsatser av titan och kol, främst avsedd för tillämpningar som kräver god motståndskraft mot oxidation, högtemperaturkorrosion och tillräckliga mekaniska egenskaper vid förhöjda temperaturer. Till skillnad från Nimonic 80A eller Nimonic 90 är legering 75 inte en klassisk γ′-utskiljningshärdande superlegering. Dess egenskaper härrör främst från dess matrissammansättning och noggrant kontrollerade mikrostruktur. Nimonic 75 kännetecknas av god bearbetbarhet och svetsbarhet, vilket är anledningen till att den används i stor utsträckning för komponenter tillverkade av plåt, bandmetall och rör. Typiska tillämpningar inkluderar gasturbinkomponenter, förbränningskamrar, hetgaskanaler, industriella ugnskomponenter, värmebehandlingsutrustning och högtemperaturanläggningar.

Nimonic® 80A – utskiljningshärdande legering

Nimonic 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 , är en nickel-krom superlegering som är utskiljningshärdad genom tillsats av titan och aluminium. Lämplig värmebehandling producerar en γ′-fas, vilket avsevärt ökar materialets hållfasthet och krypmotstånd. Nimonic 80A kombinerar hög hållfasthet vid förhöjda temperaturer med god motståndskraft mot oxidation och högtemperaturkorrosion. Materialet används i applikationer som gasturbiner, förbränningsmotorer, ventilkomponenter, högbelastade fästelement och andra komponenter som arbetar under högtemperaturbelastningar.

Nimonic® 81 – hög oxidationsbeständighet

Nimonic 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 är en högtemperatur nickel-kromlegering baserad på Nimonic 80A, men med ökat krominnehåll. Det högre krominnehållet ger exceptionellt hög motståndskraft mot oxidation och högtemperaturkorrosion. Legeringen är utformad för tillämpningar där ytbeständighet mot heta gaser är lika viktig som mekaniska egenskaper. Den används bland annat i ugnskomponenter, gasturbiner, värmebehandlingsutrustning och industriella installationer som arbetar vid höga temperaturer.

Nimonic® 90 – hög hållfasthet och krypmotstånd

Nimonic 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 är en nickel-krom-kobolt utskiljningshärdande superlegering. Den innehåller en betydande mängd kobolt, tillsammans med titan- och aluminiumtillsatser som ansvarar för bildandet av γ′-fasen. Kombinationen av utskiljningsförstärkning och en lämplig matriskomposition ger hög hållfasthet, krypmotstånd och oxidationsbeständighet vid förhöjda temperaturer. Nimonic 90 används för komponenter som kräver hög hållfasthet under långvarig termisk drift, inklusive turbinblad och komponenter, skivor, ringar, fästelement och högtemperaturutrustningskomponenter.

Nimonic® 105 – en superlegering för högbelastade turbinkomponenter

Nimonic 105 – UNS N13021 är en höghållfast nickelbaserad superlegering som innehåller betydande mängder kobolt, krom och molybden, med tillsatser av aluminium och titan. Materialet utvecklades för höga mekaniska egenskaper och kryphållfasthet vid förhöjda temperaturer. Det höga γ′-fasinnehållet ger mycket effektiv utskiljningshärdning. Nimonic 105 används främst i högbelastade gasturbinkomponenter, särskilt där hög kryphållfasthet och långsiktigt bibehållande av mekaniska egenskaper krävs.

Nimonic® 115 – en höghållfast nickellegering

Nimonic 115 är en nickel-krom-kobolt superlegering med tillsatser av molybden, aluminium och titan. Den utvecklades för att ge mycket hög kryphållfasthet vid höga temperaturer. Det höga innehållet av γ′-fasbildande element ger stark utskiljningshärdning och hög mekanisk stabilitet under långvarig termisk belastning. Legeringen är främst avsedd för krävande gasturbinkomponenter och andra högbelastade högtemperaturkomponenter.

Nimonic® 263 – styrka kombinerad med god svetsbarhet

Nimonic 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650, är en utskiljningshärdande superlegering av nickel-kobolt-krom. Den utvecklades för att ge en gynnsam kombination av högtemperaturhållfasthet, oxidationsbeständighet, duktilitet och god svetsbarhet. Jämfört med vissa högförstärkta γ′-superlegeringar erbjuder Nimonic 263 förbättrad svetsbarhet och förmågan att tillverka komplexa plåtkomponenter. Som ett resultat används den bland annat i förbränningskamrar, gasturbinkomponenter, avgassystem, hetgaskomponenter samt rymd- och energistrukturer.

Nimonic 75, 80A, 90 och 263 – Grundläggande skillnader

Nimonic 75 bör främst övervägas för tillämpningar som kräver god oxidations- och högtemperaturkorrosionsbeständighet, samt god bearbetbarhet. Nimonic 80A är en utskiljningshärdande legering och erbjuder avsevärt förbättrade mekaniska egenskaper och krypmotstånd. Nimonic 90 innehåller också en betydande mängd kobolt och utvecklades för ännu mer krävande högtemperaturapplikationer. Nimonic 263 kombinerar hög hållfasthet vid förhöjda temperaturer med god duktilitet och svetsbarhet, vilket gör den särskilt lämplig för komplexa svetsade strukturer. Dessa kvaliteter bör inte betraktas som direkta ersättningar. Valet beror på temperatur, spänning, livslängd, erforderlig krypmotstånd, komponenttillverkningsmetod och miljöförhållanden.

Värmebehandling av Nimonic®-legeringar

För utskiljningshärdande Nimonic-legeringar är värmebehandling avgörande för att uppnå de erforderliga egenskaperna. Processen kan innefatta lösningsvärmebehandling och ett eller flera åldringssteg. Under åldringen kontrolleras bildandet och fördelningen av γ′-fasen och andra mikrostrukturella komponenter. Temperatur, tid och kylningshastighet påverkar utskiljningarnas storlek, korngränsstruktur, hållfasthet, duktilitet och krypmotstånd. Därför bör de mekaniska egenskaperna hos Nimonic-legeringar inte rapporteras utan att specificera värmebehandlingstillstånd och produktform.

Svetsning av Nimonic®-legeringar

Svetsbarheten hos Nimonic-legeringar beror på den specifika kvaliteten och dess härdningsgrad. Nimonic 75 kännetecknas av relativt god svetsbarhet. Legeringar som innehåller högre halter aluminium och titan och ett högt γ′-fasinnehåll är mer krävande tekniskt och kan uppvisa större känslighet för sprickbildning under svetsning eller efterföljande värmebehandling. Nimonic 263 utvecklades bland annat för att uppnå god svetsbarhet samtidigt som höga mekaniska egenskaper bibehålls vid förhöjda temperaturer. För kritiska konstruktioner bör svetstekniken ta hänsyn till materialets tillstånd före svetsning, processparametrar, tillsatsmaterial och den erforderliga värmebehandlingen efter svetsning.

Maskinbearbetning

Liksom andra nickelbaserade superlegeringar är Nimonic-material krävande legeringar under bearbetning. Hög hållfasthet, låg värmeledningsförmåga och en tendens till deformationshärdning innebär betydande belastning på verktygsspetsen. Bearbetning av sorter efter slutlig utskiljningshärdning kan vara särskilt utmanande. Därför utförs vissa mekaniska operationer i ett noggrant utvalt materialtillstånd före slutlig åldring. Bearbetning kräver en strikt teknisk uppställning, lämpliga verktyg, stabila skärparametrar och effektiv värmeavledning.

Typiska tillämpningar av Nimonic®-legeringar

Flygindustri – turbinblad och komponenter, ringar, skivor, förbränningskammare, avgassystemkomponenter och högt belastade flygmotordelar. Energi – industriella gasturbiner, heta delar av kraftutrustning och komponenter som arbetar under ihållande termisk belastning. Fordon – motorventiler, turboaggregatkomponenter och komponenter som arbetar i heta gasflöden. Ugnsindustri – ugnskomponenter, värmebehandlingsutrustning, hållare, lock och komponenter som utsätts för långvarig oxidation. Kemisk industri och processindustri – installationskomponenter som kräver samtidig motståndskraft mot höga temperaturer och aggressiva miljöer. Rymdteknik – komponenter i framdrivningssystem och konstruktioner som utsätts för höga temperaturer och mekaniska belastningar.

Att välja rätt Nimonic®-legering

När man väljer en Nimonic-kvalitet är det viktigt att inte bara bestämma den maximala driftstemperaturen utan även belastningens art och den erforderliga livslängden. En komponent som arbetar i några minuter vid mycket höga temperaturer kräver andra egenskaper än en turbinkomponent som arbetar i tiotusentals timmar under konstant belastning. Motståndskraft mot krypning, termisk och mekanisk utmattning, oxidation, högtemperaturkorrosion, temperaturcykling och förmågan att svetsa fogar måste beaktas. Värmebehandling och efterföljande bearbetningskrav är också viktiga. Därför finns det ingen enda "bästa Nimonic". Individuella kvaliteter har utvecklats för olika kombinationer av temperatur, belastning, miljö och komponenttillverkningsteknik.

Leveransmetoder för Nimonic®-legeringar

Beroende på kvalitet och specifikation finns Nimonic-legeringar tillgängliga som bland annat:

lakan och tallrikar,
band,
runda stänger,
ledningar,
rör,
smidesgods,
ringar,
material avsedda för vidare smide och bearbetning,
halvfabrikat tillverkade enligt specifika industriella och flyg- och rymdspecifikationer.

Tillgängligheten av en specifik produktform beror på kvalitet, storlek, värmebehandlingsförhållanden och den erforderliga tillverkningsstandarden.

Nimonic®-legeringskvaliteter

Nimonic 75 / Legering 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Ni-Cr-legering med mycket god motståndskraft mot oxidation och högtemperaturkorrosion, används bland annat i förbränningskamrar och värmebehandlingsanordningar.
Nimonic 80A / Legering 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – utskiljningshärdad Ni-Cr-Ti-Al-legering med hög hållfasthet och krypmotstånd.
Nimonic 81 / Legering 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – en legering med hög krom-nickelhalt avsedd för tillämpningar som kräver mycket hög motståndskraft mot oxidation och högtemperaturkorrosion.
Nimonic 90 / Legering 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – utskiljningshärdande Ni-Cr-Co-Ti-Al-legering med hög kryp- och oxidationsbeständighet.
Nimonic 105 / Legering 105 – UNS N13021 – en höghållfast Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti superlegering avsedd främst för högt belastade turbinkomponenter.
Nimonic 115 / Legering 115 – höghållfast Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti superlegering med hög γ′-fashalt, konstruerad för drift under höga belastningar vid förhöjda temperaturer.
Nimonic 263 / Legering 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – en utskiljningshärdande Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al-legering som kombinerar hög högtemperaturhållfasthet med god svetsbarhet och teknisk lämplighet.

Se även

Nimonic ® – högtemperatursuperlegeringar 75, 80A, 81, 90, 105, 115 och 263