Nimonic ® – hợp kim siêu bền chịu nhiệt độ cao

Nimonic® – hợp kim siêu bền chịu nhiệt độ cao

Đặc điểm của hợp kim Nimonic®

Nimonic® là một dòng hợp kim niken chịu nhiệt cao được thiết kế để hoạt động trong điều kiện đồng thời chịu nhiệt độ cao, ứng suất cơ học, biến dạng dẻo, oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao . Các hợp kim này nằm trong số những vật liệu quan trọng nhất được sử dụng trong phát triển động cơ tuabin, sản xuất điện và thiết bị hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt. Thành phần cơ bản của hầu hết các hợp kim Nimonic là niken và crom . Tùy thuộc vào loại, việc bổ sung coban , molypden , titan , nhôm , sắt , cacbon , boron và các nguyên tố khác cũng được sử dụng để kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu. Hàm lượng niken cao đảm bảo tính ổn định của ma trận γ austenit trên phạm vi nhiệt độ rộng, trong khi crom chủ yếu chịu trách nhiệm về khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao. Trong nhiều hợp kim Nimonic, việc bổ sung nhôm và titan cho phép hình thành pha γ′ – Ni₃ ₍ Al,Ti) , chịu trách nhiệm về độ bền rất cao và khả năng chống biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, không phải tất cả các hợp kim Nimonic đều được làm cứng theo cùng một cách. Ví dụ, Nimonic 75 chủ yếu là hợp kim được tăng cường độ bền bằng dung dịch, trong khi Nimonic 80A, 90, 105, 115 và 263 sử dụng cơ chế tăng cường độ bền bằng kết tủa ở các mức độ khác nhau.

Tại sao Nimonic vẫn giữ được độ bền ở nhiệt độ cao?

Trong các vật liệu kết cấu thông thường, nhiệt độ tăng dẫn đến sự giảm nhanh chóng về giới hạn chảy và độ bền, đồng thời làm tăng khả năng dễ bị biến dạng dão. Hợp kim siêu bền Nimonic được thiết kế để làm chậm quá trình này một cách đáng kể. Ma trận niken ổn định duy trì cấu trúc austenit của nó trong phạm vi nhiệt độ rộng. Trong các hợp kim hóa bền bằng kết tủa, các kết tủa pha γ′ mịn cản trở sự chuyển động của lệch mạng và hạn chế biến dạng vật liệu. Coban và molypden có thể làm tăng cường độ bền của ma trận và cải thiện các tính chất ở nhiệt độ cao, trong khi các cacbua được kiểm soát đúng cách ảnh hưởng đến hành vi ranh giới hạt và khả năng chống biến dạng dão. Kết quả là, một loại Nimonic được lựa chọn phù hợp có thể chịu được tải trọng trong thời gian dài ở nhiệt độ mà thép kết cấu thông thường và nhiều loại thép không gỉ bị mất đi một phần đáng kể các tính chất cơ học của chúng.

Khả năng chống biến dạng dẻo

Một trong những đặc tính quan trọng nhất của hợp kim Nimonic là khả năng chống biến dạng dẻo và đứt gãy do biến dạng dẻo . Biến dạng dẻo là sự biến dạng chậm và vĩnh viễn của vật liệu dưới tải trọng không đổi ở nhiệt độ cao. Hiện tượng này vô cùng quan trọng trong các tuabin khí, động cơ máy bay, thiết bị phát điện và các thiết bị công nghiệp hoạt động liên tục trong hàng nghìn giờ. Do đó, sự phù hợp của một hợp kim Nimonic cụ thể không chỉ được xác định bởi độ bền kéo đo được ở nhiệt độ phòng. Trong nhiều ứng dụng, độ bền biến dạng dẻo, thời gian đứt gãy ở ứng suất và nhiệt độ nhất định, và độ ổn định cấu trúc sau hàng nghìn giờ tiếp xúc với nhiệt độ cao quan trọng hơn nhiều.

Khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao

Crom có trong hợp kim Nimonic cho phép hình thành lớp oxit bảo vệ, hạn chế quá trình oxy hóa tiếp tục của vật liệu. Nhôm cũng đóng vai trò quan trọng trong một số loại hợp kim. Điều này cho phép hợp kim Nimonic được sử dụng tiếp xúc với khí nóng và môi trường trong tuabin, động cơ, lò nung và các nhà máy chế biến. Tuy nhiên, nhiệt độ chịu oxy hóa tối đa không nên được đánh đồng với nhiệt độ hoạt động tối đa của một bộ phận chịu tải nặng. Vật liệu có thể duy trì khả năng chịu oxy hóa bề mặt tốt ở nhiệt độ mà ứng suất thiết kế cho phép của nó thấp hơn đáng kể. Do đó, việc lựa chọn hợp kim đòi hỏi phải phân tích đồng thời nhiệt độ, ứng suất, thời gian hoạt động và môi trường.

Nimonic® 75 – hợp kim niken-crom cổ điển

Hợp kim Nimonic 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630, là một trong những hợp kim cơ bản thuộc họ Nimonic. Đây là hợp kim niken-crom với hàm lượng titan và cacbon được kiểm soát, chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống oxy hóa, ăn mòn ở nhiệt độ cao và các tính chất cơ học phù hợp ở nhiệt độ cao. Không giống như Nimonic 80A hoặc Nimonic 90, hợp kim 75 không phải là siêu hợp kim hóa bền kết tủa γ′ cổ điển. Các đặc tính của nó chủ yếu đến từ thành phần ma trận và cấu trúc vi mô được kiểm soát cẩn thận. Nimonic 75 có đặc điểm là dễ gia công và hàn tốt, đó là lý do tại sao nó được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận làm từ tấm kim loại, dải kim loại và ống. Các ứng dụng điển hình bao gồm các bộ phận tuabin khí, buồng đốt, ống dẫn khí nóng, các bộ phận lò công nghiệp, thiết bị xử lý nhiệt và các bộ phận nhà máy nhiệt độ cao.

Hợp kim Nimonic® 80A – hợp kim làm cứng bằng kết tủa

Nimonic 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 , là một hợp kim siêu bền niken-crom được làm cứng bằng kết tủa nhờ sự bổ sung titan và nhôm. Xử lý nhiệt thích hợp tạo ra pha γ′, giúp tăng đáng kể độ bền và khả năng chống biến dạng dẻo của vật liệu. Nimonic 80A kết hợp độ bền cao ở nhiệt độ cao với khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao tốt. Vật liệu này được sử dụng trong các ứng dụng như tua bin khí, động cơ đốt trong, các bộ phận van, ốc vít chịu tải trọng cao và các bộ phận khác hoạt động dưới tải trọng nhiệt độ cao.

Nimonic® 81 – khả năng chống oxy hóa cao

Nimonic 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 là hợp kim niken-crom chịu nhiệt độ cao dựa trên Nimonic 80A, nhưng với hàm lượng crom cao hơn. Hàm lượng crom cao hơn mang lại khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao vượt trội. Hợp kim này được thiết kế cho các ứng dụng mà khả năng chịu nhiệt của bề mặt đối với khí nóng cũng quan trọng như các tính chất cơ học. Nó được sử dụng trong các bộ phận lò nung, tuabin khí, thiết bị xử lý nhiệt và các thiết bị công nghiệp hoạt động ở nhiệt độ cao, cùng nhiều ứng dụng khác.

Nimonic® 90 – độ bền cao và khả năng chống biến dạng dẻo

Nimonic 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 là hợp kim siêu bền niken-crom-cobalt được làm cứng bằng kết tủa. Nó chứa một lượng đáng kể cobalt, cùng với các chất phụ gia titan và nhôm chịu trách nhiệm hình thành pha γ′. Sự kết hợp giữa tăng cường độ bền bằng kết tủa và thành phần nền phù hợp mang lại độ bền cao, khả năng chống rão và chống oxy hóa ở nhiệt độ cao. Nimonic 90 được sử dụng cho các bộ phận yêu cầu độ bền cao trong quá trình hoạt động nhiệt kéo dài, bao gồm cánh và các bộ phận tuabin, đĩa, vòng, ốc vít và các bộ phận thiết bị chịu nhiệt độ cao.

Nimonic® 105 – một hợp kim siêu bền dành cho các bộ phận tuabin chịu tải trọng cao.

Nimonic 105 – UNS N13021 là hợp kim siêu bền gốc niken có độ bền cao, chứa một lượng đáng kể coban, crom và molypden, cùng với các chất phụ gia là nhôm và titan. Vật liệu này được phát triển để đáp ứng các yêu cầu về tính chất cơ học cao và khả năng chống biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao. Hàm lượng pha γ′ cao giúp tăng cường độ cứng bằng kết tủa rất hiệu quả. Nimonic 105 chủ yếu được sử dụng trong các bộ phận tuabin khí chịu tải trọng cao, đặc biệt là những nơi yêu cầu khả năng chống biến dạng dẻo cao và duy trì các tính chất cơ học lâu dài.

Nimonic® 115 – hợp kim niken cường độ cao

Nimonic 115 là hợp kim siêu bền niken-crom-cobalt có bổ sung molypden, nhôm và titan. Nó được phát triển để cung cấp độ bền rão rất cao ở nhiệt độ cao. Hàm lượng cao các nguyên tố tạo pha γ′ giúp tăng độ cứng kết tủa và độ ổn định cơ học cao dưới tải trọng nhiệt kéo dài. Hợp kim này chủ yếu được sử dụng cho các bộ phận tuabin khí đòi hỏi khắt khe và các bộ phận chịu ứng suất cao ở nhiệt độ cao khác.

Nimonic® 263 – độ bền kết hợp với khả năng hàn tốt

Nimonic 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650, là một hợp kim siêu bền niken-cobalt-crom được tôi cứng bằng kết tủa. Nó được phát triển để cung cấp sự kết hợp tối ưu giữa độ bền ở nhiệt độ cao, khả năng chống oxy hóa, độ dẻo và khả năng hàn tốt. So với một số hợp kim siêu bền γ′ được tăng cường độ bền cao, Nimonic 263 mang lại khả năng hàn được cải thiện và khả năng chế tạo các chi tiết kim loại tấm phức tạp. Do đó, nó được sử dụng trong buồng đốt, các bộ phận tuabin khí, hệ thống ống xả, các bộ phận khí nóng, và các cấu trúc hàng không vũ trụ và năng lượng, cùng nhiều ứng dụng khác.

Nimonic 75, 80A, 90 và 263 – Những điểm khác biệt cơ bản

Hợp kim Nimonic 75 nên được xem xét chủ yếu cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao tốt, cũng như khả năng gia công tốt. Nimonic 80A là hợp kim hóa bền bằng kết tủa, mang lại các đặc tính cơ học và khả năng chống rão được cải thiện đáng kể. Nimonic 90 cũng chứa một lượng lớn coban và được phát triển cho các ứng dụng nhiệt độ cao đòi hỏi khắt khe hơn nữa. Nimonic 263 kết hợp độ bền cao ở nhiệt độ cao với độ dẻo và khả năng hàn tốt, làm cho nó đặc biệt phù hợp cho các cấu trúc hàn phức tạp. Các loại hợp kim này không nên được coi là sản phẩm thay thế trực tiếp cho nhau. Việc lựa chọn phụ thuộc vào nhiệt độ, ứng suất, tuổi thọ, khả năng chống rão cần thiết, phương pháp chế tạo linh kiện và điều kiện môi trường.

Xử lý nhiệt hợp kim Nimonic®

Đối với hợp kim Nimonic hóa bền bằng kết tủa, xử lý nhiệt là điều cần thiết để đạt được các tính chất yêu cầu. Quá trình này có thể bao gồm xử lý nhiệt dung dịch và một hoặc nhiều bước lão hóa. Trong quá trình lão hóa, sự hình thành và phân bố pha γ′ và các thành phần cấu trúc vi mô khác được kiểm soát. Nhiệt độ, thời gian và tốc độ làm nguội ảnh hưởng đến kích thước của các kết tủa, cấu trúc ranh giới hạt, độ bền, độ dẻo và khả năng chống rão. Do đó, không nên báo cáo các tính chất cơ học của hợp kim Nimonic mà không chỉ rõ trạng thái xử lý nhiệt và dạng sản phẩm.

Hàn hợp kim Nimonic®

Khả năng hàn của hợp kim Nimonic phụ thuộc vào mác hợp kim cụ thể và mức độ tôi cứng của nó. Nimonic 75 có đặc điểm là khả năng hàn tương đối tốt. Các hợp kim chứa hàm lượng nhôm và titan cao hơn và hàm lượng pha γ′ cao hơn đòi hỏi kỹ thuật cao hơn và có thể dễ bị nứt hơn trong quá trình hàn hoặc xử lý nhiệt sau đó. Nimonic 263 được phát triển, trong số những mục đích khác, để đạt được khả năng hàn tốt đồng thời duy trì các tính chất cơ học cao ở nhiệt độ cao. Đối với các cấu trúc quan trọng, công nghệ hàn cần phải tính đến tình trạng vật liệu trước khi hàn, các thông số quy trình, vật liệu hàn và quá trình xử lý nhiệt sau hàn cần thiết.

Gia công cơ khí

Giống như các siêu hợp kim gốc niken khác, vật liệu Nimonic là những hợp kim đòi hỏi khắt khe trong quá trình gia công. Độ bền cao, độ dẫn nhiệt thấp và xu hướng hóa bền do biến dạng gây ra áp lực đáng kể lên đầu dụng cụ. Gia công các loại vật liệu sau khi hóa bền kết tủa cuối cùng có thể đặc biệt khó khăn. Do đó, một số thao tác cơ khí được thực hiện trên điều kiện vật liệu được lựa chọn cẩn thận trước khi lão hóa cuối cùng. Gia công đòi hỏi thiết lập công nghệ chính xác, dụng cụ phù hợp, thông số cắt ổn định và khả năng tản nhiệt hiệu quả.

Các ứng dụng điển hình của hợp kim Nimonic®

Hàng không – cánh và các bộ phận tuabin, vòng, đĩa, buồng đốt, các bộ phận hệ thống xả và các bộ phận động cơ máy bay chịu tải trọng cao. Năng lượng – tuabin khí công nghiệp, các bộ phận nóng của thiết bị điện và các bộ phận hoạt động dưới tải nhiệt liên tục. Ô tô – van động cơ, các bộ phận bộ tăng áp và các bộ phận hoạt động trong dòng khí nóng. Công nghiệp lò nung – các bộ phận lò nung, thiết bị xử lý nhiệt, giá đỡ, nắp đậy và các bộ phận tiếp xúc với quá trình oxy hóa kéo dài. Công nghiệp hóa chất và chế biến – các bộ phận lắp đặt yêu cầu khả năng chịu đựng đồng thời nhiệt độ cao và môi trường khắc nghiệt. Công nghệ vũ trụ – các bộ phận của hệ thống đẩy và cấu trúc tiếp xúc với nhiệt độ cao và tải trọng cơ học.

Lựa chọn hợp kim Nimonic® phù hợp

Khi lựa chọn loại Nimonic, điều quan trọng là phải xác định không chỉ nhiệt độ hoạt động tối đa mà còn cả tính chất của tải trọng và tuổi thọ yêu cầu. Một bộ phận hoạt động trong vài phút ở nhiệt độ rất cao đòi hỏi các đặc tính khác so với một bộ phận tuabin hoạt động trong hàng chục nghìn giờ dưới ứng suất liên tục. Khả năng chống biến dạng dẻo, mỏi nhiệt và cơ học, oxy hóa, ăn mòn ở nhiệt độ cao, chu kỳ nhiệt độ và khả năng hàn các mối nối cần được xem xét. Các yêu cầu về xử lý nhiệt và gia công tiếp theo cũng rất quan trọng. Do đó, không có một loại Nimonic nào là "tốt nhất". Các loại riêng lẻ đã được phát triển cho các sự kết hợp khác nhau giữa nhiệt độ, ứng suất, môi trường và công nghệ sản xuất linh kiện.

Phương thức giao hàng cho hợp kim Nimonic®

Tùy thuộc vào cấp độ và thông số kỹ thuật, hợp kim Nimonic có nhiều loại khác nhau, bao gồm:

tấm và phiến,
băng cassette,
thanh tròn,
dây điện,
ống,
vật rèn,
nhẫn,
vật liệu dùng cho quá trình rèn và gia công tiếp theo,
Sản phẩm bán thành phẩm được sản xuất theo các tiêu chuẩn cụ thể của ngành công nghiệp và hàng không vũ trụ.

Sự có sẵn của một dạng sản phẩm cụ thể phụ thuộc vào cấp độ, kích thước, điều kiện xử lý nhiệt và tiêu chuẩn sản xuất yêu cầu.

Các loại hợp kim Nimonic®

Nimonic 75 / Hợp kim 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Hợp kim Ni-Cr có khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao rất tốt, được sử dụng trong các buồng đốt và thiết bị xử lý nhiệt.
Nimonic 80A / Hợp kim 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – hợp kim Ni-Cr-Ti-Al được làm cứng bằng kết tủa, có độ bền cao và khả năng chống rão tốt.
Nimonic 81 / Hợp kim 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – hợp kim niken chứa hàm lượng crom cao, được thiết kế cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao rất tốt.
Nimonic 90 / Hợp kim 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – hợp kim Ni-Cr-Co-Ti-Al hóa bền bằng kết tủa, có khả năng chống rão và oxy hóa cao.
Nimonic 105 / Hợp kim 105 – UNS N13021 – một hợp kim siêu bền Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti có độ bền cao, được thiết kế chủ yếu cho các bộ phận tuabin chịu tải trọng cao.
Nimonic 115 / Hợp kim 115 – Hợp kim siêu bền Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti với hàm lượng pha γ′ cao, được thiết kế để hoạt động dưới tải trọng cao ở nhiệt độ cao.
Nimonic 263 / Hợp kim 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – hợp kim Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al hóa bền bằng kết tủa, kết hợp độ bền cao ở nhiệt độ cao với khả năng hàn tốt và tính phù hợp về mặt công nghệ.

Zobacz też

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.