Udimet® / Waspaloy® – hợp kim siêu bền chịu tải trọng cực lớn
Đặc điểm của hợp kim Udimet® và Waspaloy®
Udimet® và Waspaloy® Chúng thuộc nhóm hợp kim siêu bền chịu nhiệt cao, được thiết kế để sử dụng trong các điều kiện mà thép chịu nhiệt và chịu biến dạng dẻo thông thường không đáp ứng đủ độ bền. Các vật liệu này chủ yếu được sử dụng trong hàng không, sản xuất điện, tua bin khí, công nghiệp vũ trụ và các thiết bị khác đồng thời chịu nhiệt độ cao, tải trọng cơ học, biến dạng dẻo, oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao.
Họ vật liệu Udimet bao gồm nhiều loại vật liệu với thành phần hóa học và cơ chế tăng cường độ bền khác nhau. Do đó, không nên coi tất cả các hợp kim Udimet và Waspaloy là một nhóm hợp kim niken duy nhất có tính chất giống hệt nhau.
Waspaloy – UNS N07001 Đây là một hợp kim siêu bền niken được tăng cường bằng kết tủa, trong đó pha γ′ đóng vai trò rất quan trọng. Udimet 188 – UNS R30188 oraz Udimet L-605 – UNS R30605 Chúng là các hợp kim gốc coban chịu nhiệt độ cao. Cơ chế đạt được độ bền cao và ổn định nhiệt của chúng khác với cơ chế của các siêu hợp kim niken làm cứng bằng kết tủa truyền thống.
Waspaloy® – một loại hợp kim siêu bền niken được tăng cường bằng kết tủa
Waspaloy – UNS N07001, W.No. 2.4654 Đây là một siêu hợp kim niken-crom-cobalt có bổ sung molypden, titan và nhôm. Nó được phát triển để hoạt động dưới tải trọng cơ học cao ở nhiệt độ cao.
Cấu trúc của nó dựa trên nền ma trận γ gốc niken austenit. Xử lý nhiệt thích hợp dẫn đến sự hình thành các kết tủa pha mịn, đồng nhất. γ′ – Ni3(Al, Ti)Giai đoạn này là một trong những cơ chế tăng cường cơ bản của Waspaloy và cho phép nó duy trì độ bền cao ngay cả ở nhiệt độ mà các đặc tính của hợp kim kết cấu thông thường bị suy giảm đáng kể.
Việc bổ sung nhôm và titan chủ yếu chịu trách nhiệm cho sự hình thành pha γ′, trong khi crom làm tăng khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao. Coban ảnh hưởng đến độ ổn định của ma trận và các tính chất ở nhiệt độ cao, cùng nhiều yếu tố khác, và molypden cung cấp thêm khả năng tăng cường độ bền dung dịch.
Nhờ thành phần hóa học được lựa chọn kỹ lưỡng và quy trình xử lý nhiệt nhiều giai đoạn, Waspaloy có đặc điểm là độ bền kéo cao, khả năng chống biến dạng dẻo và khả năng chịu tải trọng lâu dài ở nhiệt độ cao.
Khả năng chống biến dạng dẻo của Waspaloy
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của Waspaloy là khả năng chống rão và đứt do rão caoHiện tượng rão là quá trình biến dạng chậm và vĩnh viễn của vật liệu dưới tác động của tải trọng kéo dài ở nhiệt độ cao.
Trong các bộ phận tuabin khí, quá trình này đặc biệt quan trọng vì bộ phận đó có thể hoạt động đồng thời hàng nghìn giờ dưới tác động của nhiệt độ cao và ứng suất cơ học cao.
Ma trận niken ổn định và các kết tủa pha γ′ hạn chế sự chuyển động của các lệch mạng và duy trì độ bền cao của vật liệu ở nhiệt độ cao. Đó là lý do tại sao Waspaloy được sử dụng trong các bộ phận quan trọng nhất của động cơ máy bay và tua bin khí.
Khả năng chống oxy hóa của Waspaloy
Hàm lượng crom đáng kể cho phép hình thành một lớp oxit bảo vệ trên bề mặt Waspaloy, giúp hạn chế quá trình oxy hóa tiếp tục của vật liệu.
Khả năng chống oxy hóa đặc biệt quan trọng trong các bộ phận động cơ tuabin và thiết bị điện, nơi vật liệu tiếp xúc với khí nóng trong thời gian dài.
Tuy nhiên, cần phải phân biệt rõ ràng. Nhiệt độ tối đa mà hợp kim thể hiện khả năng chống oxy hóa, khác với nhiệt độ mà nó có thể chịu được tải trọng cơ học cao một cách an toàn trong hàng nghìn giờ.Nhiệt độ thiết kế cho phép phụ thuộc vào ứng suất, độ bền yêu cầu, xử lý nhiệt và hình dạng cụ thể của sản phẩm.
Xử lý nhiệt Waspaloy
Các đặc tính của Waspaloy phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp xử lý nhiệt được sử dụng. Một quy trình điển hình bao gồm xử lý nhiệt dung dịch và các bước lão hóa tiếp theo để kiểm soát kích thước, sự phân bố và tỷ lệ của các kết tủa pha γ′.
Việc thay đổi các thông số xử lý nhiệt cho phép thay đổi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo, khả năng chống biến dạng dẻo và tuổi thọ mỏi. Do đó, các tính chất cơ học của Waspaloy không nên được báo cáo dưới dạng một giá trị duy nhất, độc lập với trạng thái của vật liệu.
Hàn và gia công cơ khí Waspaloy
Waspaloy là một loại vật liệu đòi hỏi kỹ thuật cao hơn đáng kể so với các loại thép không gỉ thông thường và nhiều hợp kim niken tiêu chuẩn. Hàm lượng cao các nguyên tố tạo pha γ′ đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến tình trạng vật liệu, lượng nhiệt đầu vào và quá trình xử lý nhiệt tiếp theo trong quá trình hàn.
Hợp kim này có thể dễ bị nứt trong quá trình hàn và xử lý nhiệt. Trong các bộ phận chịu tải trọng cao, các mối hàn cần được thiết kế đặc biệt cẩn thận. Tính chất ở nhiệt độ cao của mối hàn có thể kém hơn so với vật liệu nền được xử lý nhiệt đúng cách.
Gia công cơ khí cũng đòi hỏi nhiều công sức do độ bền cao của vật liệu, xu hướng cứng lại trong quá trình gia công và tải trọng lớn tác động lên các dụng cụ.
Udimet® 188 – hợp kim gốc coban chịu nhiệt cao
Udimet 188 – UNS R30188 Đây là hợp kim coban-niken-crom-vonfram được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ rất cao. Không giống như Waspaloy, nó không phải là một siêu hợp kim niken cổ điển được tăng cường bằng các kết tủa γ′.
Hợp kim này chứa khoảng Chứa 20–24% crom, 20–24% niken và một lượng đáng kể vonfram.Trong khi thành phần cơ bản của vật liệu là coban. Một lượng nhỏ lanthanum được thêm vào sẽ hỗ trợ hình thành lớp oxit bền và có khả năng bảo vệ.
Thép Udimet 188 kết hợp độ bền cao ở nhiệt độ cao với khả năng chống oxy hóa, ăn mòn ở nhiệt độ cao rất tốt và độ ổn định luyện kim tốt trong quá trình tiếp xúc nhiệt lâu dài.
Vật liệu này vẫn giữ được độ dẻo tốt sau khi tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao và có đặc tính dễ tạo hình và hàn tốt.
Udimet 188 có khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao.
Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của Udimet 188 là khả năng hoạt động ở nhiệt độ rất cao. Hợp kim này thể hiện khả năng chống oxy hóa rất tốt trong thời gian dài tiếp xúc ở nhiệt độ đạt khoảng... 1095 ° C.
Hàm lượng crom cao kết hợp với việc bổ sung lanthanum thúc đẩy sự hình thành một lớp bảo vệ đặc chắc và bám dính tốt. Udimet 188 cũng thể hiện khả năng chống lưu hóa tốt và khả năng chống chịu cao đối với một số dạng ăn mòn ở nhiệt độ cao liên quan đến cặn sunfat.
Cần nhấn mạnh rằng nhiệt độ khoảng 1095°C chủ yếu đề cập đến khả năng chống oxy hóa. Điều này không có nghĩa là khả năng chịu được tải trọng cơ học tối đa ở nhiệt độ này. Giới hạn ứng suất cho phép của kết cấu giảm khi nhiệt độ tăng.
Ứng dụng Udimet 188 trong tuabin khí
Sự kết hợp giữa khả năng chống oxy hóa, độ bền ở nhiệt độ cao, độ ổn định luyện kim và khả năng hàn tốt khiến Udimet 188 đặc biệt phù hợp cho các bộ phận chịu nhiệt của tuabin khí.
Typowe zastosowania obejmują:
- buồng đốt tuabin khí,
- lớp lót buồng đốt,
- chất ổn định ngọn lửa,
- Các kênh chuyển tiếp và các thành phần của hệ thống dòng khí nóng,
- Các bộ phận của buồng đốt sau động cơ máy bay,
- Các bộ phận và vỏ bọc tiếp xúc trực tiếp với khí nóng.
Trong các ứng dụng này, không chỉ độ bền cơ học đặc biệt quan trọng, mà khả năng chịu được chu kỳ gia nhiệt và làm nguội cũng như duy trì sự ổn định cấu trúc trong nhiều giờ hoạt động cũng rất cần thiết.
Udimet® L-605 – UNS R30605
Udimet L-605 – UNS R30605 là một hợp kim gốc coban chịu nhiệt độ cao khác. Vật liệu này cũng được biết đến với các tên thương mại khác, bao gồm HAYNES® 25.
Hợp kim này chứa một lượng đáng kể crom, niken và vonfram. Hàm lượng crom cao giúp chống oxy hóa tốt, trong khi vonfram giúp tăng độ cứng dung dịch và duy trì các tính chất cơ học ở nhiệt độ cao.
L-605 có đặc điểm là độ bền cao ở nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa tốt và khả năng chống mài mòn và kẹt tương đối tốt.
Nó được sử dụng, trong số những ứng dụng khác, trong các bộ phận tuabin khí, buồng đốt, các bộ phận động cơ máy bay, các bộ phận hoạt động ở nhiệt độ cao và các ứng dụng chuyên biệt đòi hỏi khả năng chịu nhiệt và cơ học cao.
Waspaloy và Udimet 188 và L-605 – những điểm khác biệt cơ bản
Điểm khác biệt quan trọng nhất giữa các vật liệu này là loại chất nền và cơ chế tăng cường độ bền.
Waspaloy Đây là một hợp kim siêu bền gốc niken có các đặc tính cơ học rất cao, chủ yếu đạt được thông qua quá trình kết tủa có kiểm soát của pha γ′. Nó đặc biệt hữu ích trong các bộ phận chịu ứng suất cơ học cao ở nhiệt độ cao.
Udimet 188 Đây là hợp kim gốc coban có những ưu điểm nổi bật nhất là khả năng chống oxy hóa rất cao, độ ổn định nhiệt và duy trì các đặc tính tốt trong thời gian dài tiếp xúc với nhiệt độ cao.
Udimet L-605 Nó cũng là một hợp kim gốc coban và chủ yếu sử dụng phương pháp tăng cường độ bền bằng dung dịch. Nó kết hợp độ bền cao ở nhiệt độ cao với khả năng chống oxy hóa và mài mòn tốt.
Do đó, không nên coi những vật liệu này là chất thay thế đơn giản. Waspaloy đặc biệt thích hợp cho các bộ phận tuabin chịu ứng suất cơ học cao, trong khi hợp kim 188 và L-605 rất hữu ích trong các bộ phận đầu nóng, nơi khả năng chống oxy hóa, ăn mòn ở nhiệt độ cao và ổn định nhiệt là tối quan trọng.
Tính chất cơ học
Không nên có một phạm vi giá trị chung duy nhất cho Rp0,2, Rm, độ giãn dài và độ cứng của Waspaloy, Udimet 188 và L-605. Đây là những vật liệu có cấu trúc nền, thành phần hóa học, cơ chế tăng cường độ bền và trạng thái xử lý nhiệt khác nhau.
Trong trường hợp Waspaloy Các tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào độ bão hòa và quá trình lão hóa. Vật liệu này có thể đạt được độ bền kéo và độ bền chảy rất cao, và ưu điểm chính của nó là duy trì độ bền cao và khả năng chống biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao.
Trong trường hợp Udimet 188 i L-605 Quan trọng hơn cả độ bền kéo rất cao ở nhiệt độ phòng là độ ổn định nhiệt, khả năng chống oxy hóa, độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng duy trì các đặc tính sau khi tiếp xúc nhiệt lâu dài.
Các giá trị chính xác của các tính chất cơ học luôn phải liên quan đến mác vật liệu cụ thể, hình dạng sản phẩm, nhiệt độ thử nghiệm và điều kiện xử lý nhiệt.
Tiêu chuẩn và ký hiệu
Waspaloy: UNS N07001, W.Nr. 2.4654. Dùng cho thanh, vật liệu rèn và các sản phẩm rèn khác, bao gồm: ASTM B637Ngoài ra còn có một số tiêu chuẩn AMS dành cho các ứng dụng hàng không vũ trụ.
Udimet 188: UNS R30188. Vật liệu này chủ yếu tuân theo các tiêu chuẩn hàng không vũ trụ của AMS, bao gồm: AMS 5608 cho các tấm và dải và AMS 5772 Dùng cho thanh, nguyên liệu thô và sản phẩm rèn.
Udimet L-605: UNS R30605. Vật liệu này được liệt kê trong nhiều tiêu chuẩn công nghiệp và hàng không vũ trụ. Hợp kim R30605 cũng được sử dụng trong các ứng dụng y tế thuộc phạm vi các yêu cầu vật liệu liên quan, bao gồm ASTM F90.
Tiêu chuẩn luôn phải được lựa chọn phù hợp với hình thức và ứng dụng cụ thể của sản phẩm. Ký hiệu UNS xác định thành phần của hợp kim, trong khi các yêu cầu về tính chất, điều kiện giao hàng, kích thước và thử nghiệm được quy định trong tiêu chuẩn sản phẩm liên quan.
Các ứng dụng điển hình của hợp kim Waspaloy và Udimet
Phi cơ – Các bộ phận của động cơ tuabin, đĩa và vòng tuabin, trục, các bộ phận máy nén, buồng đốt, lớp lót, kênh chuyển tiếp và các bộ phận khác của phần động cơ chịu nhiệt.
công hiệu – Tuabin khí công nghiệp, các bộ phận lắp đặt chịu nhiệt độ cao, các bộ phận của thiết bị điện hoạt động dưới tải trọng nhiệt và cơ học lâu dài.
Ngành công nghiệp vũ trụ – Các bộ phận của hệ thống truyền động và các bộ phận hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt.
Ngành công nghiệp lò nung và luyện kim – Các bộ phận, vỏ, tay cầm và linh kiện của thiết bị chịu nhiệt độ cao, tiếp xúc với quá trình oxy hóa và nhiệt độ cao trong thời gian dài.
Thiết bị chuyên dụng – Các bộ phận yêu cầu sự kết hợp giữa độ bền cao, khả năng chống biến dạng dẻo, độ ổn định cấu trúc và khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao.
Lựa chọn hợp kim siêu bền chịu nhiệt độ cao
Việc lựa chọn giữa Waspaloy, Udimet 188 và L-605 không chỉ cần xem xét nhiệt độ hoạt động tối đa. Các yếu tố quan trọng khác bao gồm ứng suất cơ học, tuổi thọ yêu cầu, khả năng chống biến dạng dẻo, điều kiện oxy hóa, thành phần khí nóng, chu kỳ nhiệt độ và khả năng ăn mòn ở nhiệt độ cao.
Đối với các bộ phận tuabin chịu ứng suất cao, các đặc tính của hợp kim sau khi xử lý nhiệt thích hợp và độ ổn định của pha tăng cường là rất quan trọng. Đối với các bộ phận buồng đốt và ống dẫn khí nóng, khả năng chống oxy hóa, độ ổn định luyện kim, khả năng chống mỏi nhiệt và khả năng chế tạo các cấu trúc hàn có thể quan trọng hơn.
Vì lý do này, việc so sánh các siêu hợp kim chỉ dựa trên nhiệt độ hoạt động tối đa có thể dẫn đến việc lựa chọn vật liệu không chính xác.
Phương thức giao hàng
Tùy thuộc vào mác thép và thông số kỹ thuật, hợp kim siêu bền Waspaloy và Udimet có nhiều loại khác nhau, bao gồm:
- thanh và nguyên liệu thô để rèn,
- vật rèn,
- nhẫn,
- tấm và dải,
- dây điện,
- vật liệu hàn,
- Sản phẩm bán thành phẩm dùng cho quá trình gia công tiếp theo.
Sự có sẵn của một dạng sản phẩm cụ thể phụ thuộc vào cấp độ, tiêu chuẩn sản xuất, kích thước và điều kiện xử lý nhiệt yêu cầu.
Các loài có sẵn trong danh mục sản phẩm của Alfa-Tech:
- Udimet 188 – hợp kim niken và coban, chịu nhiệt và chống ăn mòn.
- Udimet L-605 – có khả năng chống oxy hóa và biến dạng dẻo rất tốt, ngay cả trong môi trường hóa chất.
- Waspaloy – một loại siêu hợp kim kinh điển trong ngành hàng không, có khả năng chống biến dạng dẻo tuyệt vời lên đến 800°C.
Phân chia hợp kim niken
Hợp kim niken có thể được chia thành nhiều nhóm chính, khác nhau về thành phần hóa học, tính chất và ứng dụng điển hình. Dưới đây là các nhóm quan trọng nhất, cùng với ví dụ về các loại hợp kim hiện có từ Alfa-Tech:
Hợp kim niken
Inconel® – hợp kim siêu bền niken và crom
Các hợp kim có khả năng chống oxy hóa và biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao rất tốt. Được sử dụng trong các ngành năng lượng, hàng không và hóa chất.
Các loại hợp kim: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.
Incoloy® – hợp kim niken, sắt và crom
Chúng kết hợp khả năng chống ăn mòn với độ ổn định cấu trúc tốt. Chúng đặc biệt được đánh giá cao trong ngành công nghiệp hóa chất và hóa dầu.
Giống loài: Incoloy 800 H/HTIncoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.
Nimonic® – hợp kim siêu bền chịu nhiệt độ cao
Các vật liệu được gia cường bằng kết tủa dùng trong ngành hàng không và tua bin khí có đặc điểm là khả năng chống biến dạng dẻo và mỏi nhiệt cao.
Các loại: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.
Udimet® / Waspaloy® – hợp kim siêu bền chịu tải trọng cực lớn
Được sử dụng trong động cơ máy bay và ngành công nghiệp năng lượng, nơi đòi hỏi khả năng chống biến dạng dẻo và mỏi nhiệt cao nhất.
Loài: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.
Monel® và niken nguyên chất – khả năng chống hóa chất và môi trường biển
Hợp kim Monel (hợp kim niken-đồng) và niken nguyên chất là những vật liệu có khả năng chống lại nước biển, axit và kiềm. Chúng thường được sử dụng trong ngành hàng hải, hóa chất và sản xuất thiết bị chuyên dụng.
Các loại hợp kim: Monel 400, Monel K-500, Niken 200, Niken 201.
Hợp kim đặc biệt – Invar®, Kovar®, Permalloy
Vật liệu có các đặc tính vật lý độc đáo—hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ ổn định kích thước hoặc độ thẩm thấu từ tính được kiểm soát. Được sử dụng trong điện tử, quang học và các dụng cụ chính xác.
Các loài: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.
Hastelloy® / Haynes® – hợp kim chống ăn mòn và chịu nhiệt độ cao
Các hợp kim có khả năng chống chịu cao với môi trường hóa chất khắc nghiệt, quá trình oxy hóa và hiện tượng biến dạng dẻo. Được sử dụng trong các ngành công nghiệp hóa chất, năng lượng và hàng không.
Mác thép: 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.
Inconel®, Incoloy®, Nimonic®, Monel® và Udimet® là các nhãn hiệu đã được đăng ký của Special Metals Corporation. Waspaloy® là nhãn hiệu của ATI Allvac / Precision Castparts, Hastelloy® là nhãn hiệu của Haynes International, Invar® và Kovar® thuộc sở hữu của Imphy / ArcelorMittal.