Udimet® / Waspaloy® – superstopy do ekstremalnych obciążeń
Charakterystyka stopów Udimet® i Waspaloy®
Udimet® i Waspaloy® należą do grupy wysokotemperaturowych superstopów przeznaczonych do pracy w warunkach, w których klasyczne stale żaroodporne i żarowytrzymałe nie zapewniają wystarczającej trwałości. Materiały te stosowane są przede wszystkim w lotnictwie, energetyce, turbinach gazowych, przemyśle kosmicznym oraz innych urządzeniach narażonych jednocześnie na wysoką temperaturę, obciążenia mechaniczne, pełzanie, utlenianie i korozję wysokotemperaturową.
Rodzina Udimet obejmuje różne materiały o odmiennym składzie chemicznym i mechanizmie umocnienia. Dlatego nie należy traktować wszystkich stopów Udimet oraz Waspaloy jako jednej grupy stopów niklowych o identycznych właściwościach.
Waspaloy – UNS N07001 jest niklowym superstopem umacnianym wydzieleniowo, w którym bardzo ważną rolę odgrywa faza γ′. Z kolei Udimet 188 – UNS R30188 oraz Udimet L-605 – UNS R30605 są wysokotemperaturowymi stopami na osnowie kobaltu. Ich mechanizm uzyskiwania wysokiej wytrzymałości i stabilności cieplnej jest inny niż w przypadku klasycznych niklowych superstopów utwardzanych wydzieleniowo.
Waspaloy® – niklowy superstop umacniany wydzieleniowo
Waspaloy – UNS N07001, W.Nr. 2.4654 jest niklowym superstopem chromowo-kobaltowym z dodatkami molibdenu, tytanu i aluminium. Został opracowany do pracy przy wysokich obciążeniach mechanicznych w podwyższonych temperaturach.
Podstawą jego struktury jest austenityczna osnowa γ na bazie niklu. Odpowiednia obróbka cieplna prowadzi do powstawania drobnych, koherentnych wydzieleń fazy γ′ – Ni3(Al,Ti). Faza ta stanowi jeden z podstawowych mechanizmów umocnienia Waspaloy i umożliwia zachowanie wysokiej wytrzymałości również w temperaturach, w których właściwości zwykłych stopów konstrukcyjnych ulegają znacznemu pogorszeniu.
Dodatki aluminium i tytanu odpowiadają przede wszystkim za tworzenie fazy γ′, natomiast chrom zwiększa odporność na utlenianie i korozję wysokotemperaturową. Kobalt wpływa między innymi na stabilność osnowy i właściwości wysokotemperaturowe, a molibden zapewnia dodatkowe umocnienie roztworowe.
Dzięki odpowiednio dobranemu składowi chemicznemu oraz wielostopniowej obróbce cieplnej Waspaloy charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na rozciąganie, odpornością na pełzanie i wytrzymałością na długotrwałe obciążenia w podwyższonej temperaturze.
Odporność Waspaloy na pełzanie
Jedną z najważniejszych właściwości Waspaloy jest wysoka odporność na pełzanie i zerwanie pełzaniowe. Pełzanie jest procesem powolnego i trwałego odkształcania materiału znajdującego się pod długotrwałym obciążeniem w wysokiej temperaturze.
W elementach turbin gazowych proces ten ma szczególne znaczenie, ponieważ komponent może przez tysiące godzin pracować jednocześnie pod wpływem wysokiej temperatury i dużych naprężeń mechanicznych.
Stabilna osnowa niklowa oraz wydzielenia fazy γ′ ograniczają ruch dyslokacji i pozwalają zachować wysoką wytrzymałość materiału w podwyższonych temperaturach. Właśnie dlatego Waspaloy znalazł zastosowanie w najbardziej odpowiedzialnych elementach silników lotniczych i turbin gazowych.
Odporność Waspaloy na utlenianie
Znaczna zawartość chromu umożliwia tworzenie na powierzchni Waspaloy ochronnej warstwy tlenków, która ogranicza dalsze utlenianie materiału.
Odporność na utlenianie jest szczególnie istotna w elementach silników turbinowych i urządzeń energetycznych, gdzie materiał pozostaje przez długi czas w kontakcie z gorącymi gazami.
Należy jednak odróżnić maksymalną temperaturę, przy której stop wykazuje odporność na utlenianie, od temperatury, w której może bezpiecznie przenosić wysokie obciążenia mechaniczne przez tysiące godzin. Dopuszczalna temperatura konstrukcyjna zależy od naprężenia, wymaganej trwałości, obróbki cieplnej oraz konkretnej postaci produktu.
Obróbka cieplna Waspaloy
Właściwości Waspaloy są silnie uzależnione od zastosowanej obróbki cieplnej. Typowy proces obejmuje przesycanie oraz kolejne etapy starzenia, podczas których kontrolowana jest wielkość, rozmieszczenie i udział wydzieleń fazy γ′.
Zmiana parametrów obróbki cieplnej pozwala modyfikować kompromis pomiędzy wytrzymałością, plastycznością, odpornością na pełzanie i trwałością zmęczeniową. Dlatego właściwości mechanicznych Waspaloy nie powinno się podawać jako jednej wartości niezależnej od stanu materiału.
Spawanie i obróbka Waspaloy
Waspaloy jest materiałem znacznie bardziej wymagającym technologicznie niż typowe stale nierdzewne i wiele standardowych stopów niklu. Wysoka zawartość pierwiastków tworzących fazę γ′ powoduje, że podczas spawania należy szczególnie kontrolować stan materiału, doprowadzone ciepło i późniejszą obróbkę cieplną.
Stop może wykazywać podatność na pękanie podczas procesów spawalniczych i obróbki cieplnej. W elementach przenoszących wysokie obciążenia złącza spawane wymagają szczególnie starannego projektowania. Właściwości wysokotemperaturowe spoin mogą być niższe od właściwości prawidłowo obrobionego cieplnie materiału rodzimego.
Obróbka skrawaniem również jest wymagająca ze względu na wysoką wytrzymałość materiału, tendencję do umacniania podczas obróbki oraz wysokie obciążenia narzędzi.
Udimet® 188 – wysokotemperaturowy stop na osnowie kobaltu
Udimet 188 – UNS R30188 jest stopem kobaltowo-niklowo-chromowo-wolframowym przeznaczonym do pracy w bardzo wysokich temperaturach. W przeciwieństwie do Waspaloy nie jest klasycznym niklowym superstopem umacnianym wydzieleniami γ′.
Stop zawiera około 20–24% chromu, 20–24% niklu oraz znaczną ilość wolframu, natomiast podstawę materiału stanowi kobalt. Niewielki dodatek lantanu wspomaga tworzenie trwałej i ochronnej warstwy tlenkowej.
Udimet 188 łączy wysoką wytrzymałość w podwyższonych temperaturach z bardzo dobrą odpornością na utlenianie, korozję wysokotemperaturową oraz dobrą stabilnością metalurgiczną podczas długotrwałej ekspozycji cieplnej.
Materiał zachowuje dobrą ciągliwość po długotrwałym działaniu wysokiej temperatury oraz charakteryzuje się dobrą podatnością na formowanie i spawanie.
Odporność Udimet 188 na utlenianie i korozję wysokotemperaturową
Jedną z najważniejszych cech Udimet 188 jest możliwość pracy w bardzo wysokich temperaturach. Stop wykazuje bardzo dobrą odporność na utlenianie podczas długotrwałej ekspozycji w temperaturach sięgających około 1095°C.
Wysoka zawartość chromu w połączeniu z dodatkiem lantanu sprzyja powstawaniu zwartej i dobrze przylegającej warstwy ochronnej. Udimet 188 wykazuje również dobrą odporność na siarkowanie oraz wysoką odporność na niektóre formy korozji wysokotemperaturowej związanej z osadami siarczanowymi.
Należy podkreślić, że temperatura około 1095°C odnosi się przede wszystkim do odporności na utlenianie. Nie oznacza to możliwości przenoszenia maksymalnych obciążeń mechanicznych w tej temperaturze. Dopuszczalne naprężenia konstrukcyjne maleją wraz ze wzrostem temperatury.
Zastosowanie Udimet 188 w turbinach gazowych
Połączenie odporności na utlenianie, wytrzymałości wysokotemperaturowej, stabilności metalurgicznej oraz dobrej spawalności sprawia, że Udimet 188 jest szczególnie przydatny na elementy gorącej części turbin gazowych.
Typowe zastosowania obejmują:
- komory spalania turbin gazowych,
- wykładziny komór spalania,
- stabilizatory płomienia,
- kanały przejściowe i elementy układów przepływu gorących gazów,
- elementy dopalaczy silników lotniczych,
- osłony i komponenty narażone na bezpośrednie działanie gorących gazów.
W tych zastosowaniach szczególnie istotna jest nie tylko wytrzymałość mechaniczna, ale również odporność na cykliczne nagrzewanie i chłodzenie oraz zachowanie stabilności strukturalnej podczas wielogodzinnej pracy.
Udimet® L-605 – UNS R30605
Udimet L-605 – UNS R30605 jest kolejnym wysokotemperaturowym stopem na osnowie kobaltu. Materiał ten jest znany również pod innymi nazwami handlowymi, w tym jako HAYNES® 25.
Stop zawiera znaczne ilości chromu, niklu i wolframu. Wysoka zawartość chromu zapewnia dobrą odporność na utlenianie, natomiast wolfram odpowiada za silne umocnienie roztworowe i pomaga utrzymać właściwości mechaniczne w wysokiej temperaturze.
L-605 charakteryzuje się wysoką wytrzymałością w podwyższonych temperaturach, dobrą odpornością na utlenianie oraz stosunkowo dobrą odpornością na zużycie i zacieranie.
Znajduje zastosowanie między innymi w elementach turbin gazowych, komorach spalania, komponentach silników lotniczych, elementach pracujących w wysokiej temperaturze oraz specjalistycznych zastosowaniach wymagających wysokiej odporności mechanicznej i cieplnej.
Waspaloy a Udimet 188 i L-605 – podstawowe różnice
Najważniejszą różnicą pomiędzy tymi materiałami jest rodzaj osnowy i mechanizm umocnienia.
Waspaloy jest superstopem na osnowie niklu, którego bardzo wysokie właściwości mechaniczne uzyskuje się przede wszystkim poprzez kontrolowane wydzielanie fazy γ′. Jest szczególnie przydatny w elementach poddawanych wysokim naprężeniom mechanicznym w podwyższonej temperaturze.
Udimet 188 jest stopem na osnowie kobaltu, którego największymi zaletami są bardzo wysoka odporność na utlenianie, stabilność cieplna oraz zachowanie dobrych właściwości podczas długotrwałej ekspozycji na wysoką temperaturę.
Udimet L-605 również jest stopem na osnowie kobaltu i wykorzystuje przede wszystkim umocnienie roztworowe. Łączy wysoką wytrzymałość w podwyższonej temperaturze z dobrą odpornością na utlenianie oraz zużycie.
Dlatego materiałów tych nie należy traktować jako prostych zamienników. Waspaloy jest szczególnie interesujący dla wysoko obciążonych mechanicznie elementów turbin, natomiast stopy 188 i L-605 są bardzo użyteczne w elementach gorącej części urządzeń, gdzie ogromne znaczenie mają odporność na utlenianie, korozję wysokotemperaturową i stabilność cieplna.
Właściwości mechaniczne
Nie należy podawać jednego wspólnego zakresu Rp0,2, Rm, wydłużenia i twardości dla Waspaloy, Udimet 188 i L-605. Są to materiały o różnych osnowach, składach chemicznych, mechanizmach umocnienia oraz stanach obróbki cieplnej.
W przypadku Waspaloy właściwości mechaniczne bardzo silnie zależą od przesycania i starzenia. Materiał może osiągać bardzo wysoką granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie, a jego podstawową zaletą jest zachowanie wysokiej wytrzymałości i odporności na pełzanie w podwyższonej temperaturze.
W przypadku Udimet 188 i L-605 istotniejsze od bardzo wysokiej granicy plastyczności w temperaturze pokojowej są stabilność cieplna, odporność na utlenianie, wytrzymałość wysokotemperaturowa i zachowanie właściwości po długotrwałej ekspozycji cieplnej.
Dokładne wartości właściwości mechanicznych należy zawsze odnosić do konkretnego gatunku, postaci produktu, temperatury badania oraz stanu obróbki cieplnej.
Normy i oznaczenia
Waspaloy: UNS N07001, W.Nr. 2.4654. Dla prętów, materiału na odkuwki i innych wyrobów kutych stosowana jest między innymi ASTM B637. W zastosowaniach lotniczych występuje również szereg specyfikacji AMS.
Udimet 188: UNS R30188. Dla materiału występują przede wszystkim specyfikacje lotnicze AMS, między innymi AMS 5608 dla blach i taśm oraz AMS 5772 dla prętów, materiału wsadowego i odkuwek.
Udimet L-605: UNS R30605. Materiał występuje w licznych specyfikacjach przemysłowych i lotniczych. Stop R30605 jest również stosowany w zastosowaniach medycznych objętych odpowiednimi wymaganiami materiałowymi, w tym ASTM F90.
Normę należy zawsze dobierać do konkretnej postaci produktu i zastosowania. Oznaczenie UNS identyfikuje skład stopu, natomiast wymagania dotyczące własności, stanu dostawy, wymiarów i badań wynikają z odpowiedniej normy produktowej.
Typowe zastosowania Waspaloy i stopów Udimet
Lotnictwo – elementy silników turbinowych, dyski i pierścienie turbin, wały, elementy sprężarek, komory spalania, wykładziny, kanały przejściowe i inne komponenty gorącej części silnika.
Energetyka – przemysłowe turbiny gazowe, elementy instalacji wysokotemperaturowych, części urządzeń energetycznych pracujące pod długotrwałym obciążeniem cieplnym i mechanicznym.
Przemysł kosmiczny – elementy układów napędowych i komponenty pracujące w ekstremalnych warunkach cieplnych.
Przemysł piecowy i hutniczy – elementy urządzeń wysokotemperaturowych, osłony, uchwyty i komponenty narażone na utlenianie oraz długotrwałe działanie wysokiej temperatury.
Aparatura specjalistyczna – elementy wymagające połączenia wysokiej wytrzymałości, odporności na pełzanie, stabilności strukturalnej oraz odporności na korozję wysokotemperaturową.
Dobór superstopu wysokotemperaturowego
Dobór pomiędzy Waspaloy, Udimet 188 i L-605 powinien uwzględniać nie tylko maksymalną temperaturę pracy. Równie istotne są naprężenia mechaniczne, wymagany czas eksploatacji, odporność na pełzanie, warunki utleniające, skład gorących gazów, cykliczne zmiany temperatury oraz możliwość występowania korozji wysokotemperaturowej.
W przypadku wysoko obciążonych mechanicznie elementów turbin bardzo ważne są właściwości stopu po odpowiedniej obróbce cieplnej i stabilność fazy umacniającej. W przypadku elementów komór spalania i kanałów gorących gazów większe znaczenie może mieć odporność na utlenianie, stabilność metalurgiczna, odporność na zmęczenie cieplne i możliwość wykonywania konstrukcji spawanych.
Z tego powodu porównywanie superstopów wyłącznie na podstawie maksymalnej temperatury pracy może prowadzić do błędnego doboru materiału.
Formy dostawy
W zależności od gatunku i specyfikacji superstopy Waspaloy i Udimet dostępne są między innymi jako:
- pręty i materiał wsadowy do kucia,
- odkuwki,
- pierścienie,
- blachy i taśmy,
- druty,
- materiały spawalnicze,
- półfabrykaty przeznaczone do dalszej obróbki.
Dostępność konkretnej postaci produktu zależy od gatunku, normy wykonania, wymiaru oraz wymaganego stanu obróbki cieplnej.
Gatunki dostępne w ofercie Alfa-Tech:
- Udimet 188 – stop niklu i kobaltu, odporność cieplna i korozyjna,
- Udimet L-605 – bardzo dobra odporność na utlenianie i pełzanie, także w środowiskach chemicznych,
- Waspaloy – klasyczny superstop lotniczy, doskonała odporność na pełzanie do 800°C.
Zobacz też
Stopy niklu
Inconel® – superstopy niklu i chromu
Stopy o bardzo wysokiej odporności na utlenianie i pełzanie w wysokich temperaturach. Stosowane w energetyce, lotnictwie i przemyśle chemicznym.
Gatunki: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.
Incoloy® – stopy niklu, żelaza i chromu
Łączą odporność korozyjną z dobrą stabilnością strukturalną. Szczególnie cenione w chemii i petrochemii.
Gatunki: Incoloy 800 H/HT, Incoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.
Nimonic® – superstopy wysokotemperaturowe
Materiały wzmacniane wydzieleniowo, stosowane w lotnictwie i turbinach gazowych. Wyróżniają się wysoką odpornością na pełzanie i zmęczenie cieplne.
Gatunki: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.
Udimet® / Waspaloy® – superstopy do ekstremalnych obciążeń
Stosowane w silnikach lotniczych i energetyce, tam gdzie wymagana jest najwyższa odporność na pełzanie i zmęczenie cieplne.
Gatunki: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.
Monel® i czysty nikiel – odporność chemiczna i morska
Monel (stopy niklu z miedzią) i czysty nikiel to materiały odporne na wodę morską, kwasy i zasady. Często stosowane w przemyśle morskim, chemicznym i aparaturze specjalistycznej.
Gatunki: Monel 400, Monel K-500, Nickel 200, Nickel 201.
Stopy specjalne – Invar®, Kovar®, Permalloy
Materiały o unikalnych własnościach fizycznych – niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, stabilność wymiarowa lub kontrolowana przenikalność magnetyczna. Stosowane w elektronice, optyce i aparaturze precyzyjnej.
Gatunki: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.