Τα υπερκύρεια νικέλια - είναι εξειδικευμένα υλικά υψηλής απόδοσης - που είναι γνωστά για τη διατήρηση της εξαιρετικής αντοχής, της αντίστασης της ερπυσμού και της αντοχής στη διάβρωση /οξείδωση σε αυξημένες θερμοκρασίες (συχνά 600-1200 βαθμούς /1112-2192 βαθμός f). Οι μοναδικές τους ιδιότητες τις καθιστούν απαραίτητες σε βιομηχανίες όπου τα εξαρτήματα λειτουργούν υπό ακραία θερμική και μηχανική τάση. Οι βασικές εφαρμογές περιλαμβάνουν:
Αεροδιαστημική και αεροπορία:
Εξαρτήματα κινητήρα τζετ: Η πιο κρίσιμη χρήση - που χρησιμοποιείται για λεπίδες στροβίλου, δίσκους στροβίλου, θαλάμους καύσης, επενδύσεις μετά από καυστήρα και ακροφύσια εξάτμισης. Αυτά τα μέρη υπομένουν συνεχείς υψηλές θερμοκρασίες (800-1100 βαθμούς) και κυκλικά θερμικά φορτία. Το νικέλιο - με βάση τα υπερκράματα (π.χ., IncONEL® 718, GH4049) αντιστέκεται στην ερπυσμό και την οξείδωση για να εξασφαλίσει την ασφάλεια και τη μακροζωία του κινητήρα.
Προώθηση πυραύλων: Χρησιμοποιείται σε θαλάμους ώθησης, επεκτάσεις ακροφυσίων και εγχυτήρες καυσίμου για υγρούς ή στερεούς πυραυλικούς κινητήρες, όπου αντέχουν ταχείες αιχμές θερμοκρασίας και τα διαβρωτικά υποπροϊόντα.
Παραγωγή ενέργειας:
Αεριοστρόβιλοι: Για βιομηχανικούς αεριοστρόβιλους (που χρησιμοποιούνται σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής), κατασκευάζουν υψηλά - πτερύγια στροβίλου πίεσης, πτερύγια και δίσκους ρότορα. Αυτά τα εξαρτήματα λειτουργούν σε 700-1000 βαθμούς για να μετατρέψουν την ενέργεια καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια, βασιζόμενοι στο υψηλό {- θερμοκρασία για να διατηρηθεί η απόδοση.
Πυρηνική δύναμη: Εφαρμοσμένα σε συστατικά πυρήνα του αντιδραστήρα (π.χ. επένδυση καυσίμου, περιβλήματα ελέγχου) και εναλλάκτες θερμότητας, όπου αντιστέκονται στη διάβρωση από υγρά ψυκτικού (π.χ. νερό, υγρό νάτριο) και ακτινοβολία - επαγόμενη αποικοδόμηση.
Βιομηχανικά και εξειδικευμένα πεδία:
Υψηλή - Φούρνοι θερμοκρασίας: Χρησιμοποιείται για τα στοιχεία θέρμανσης του κλιβάνου, τα θερμικά εξαρτήματα επεξεργασίας και τα χωνευτήρια στη μεταλλουργία ή την επιστήμη των υλικών, καθώς ανέχονται μακρά - έκθεση σε 900-1100 βαθμούς χωρίς παραμόρφωση.
Πετροχημική βιομηχανία: Που χρησιμοποιούνται σε καταλυτικά κροτίδες, μεταρρυθμιστές και υψηλούς αγωγούς πίεσης που επεξεργάζονται υδρογονάνθρακες σε 600-800 βαθμούς, αντιστέκοντας τη διάβρωση από όξινα ή υψηλή {{3} αέρια θείου.
Θαλάσσια μηχανική: Για τα υψηλά - εξαρτήματα θερμοκρασίας στα συστήματα πρόωσης πλοίων (π.χ. πολλαπλές αεριοστρόβιλων) που λειτουργούν σε σκληρά, αλάτι - φορτωμένα περιβάλλοντα.
Η θερμική αγωγιμότητα του νικελίου - βασισμένο σε υπερκαλύφους είναισχετικά χαμηλή σε σύγκριση με καθαρό νικέλιο ή κοινά μέταλλα(π.χ. χαλκός, αλουμίνιο) και ποικίλλει ελαφρώς βασισμένη στη σύνθεση κράματος, στη θερμική επεξεργασία και στη θερμοκρασία. Οι τυπικές τιμές εμπίπτουν στο εύρος του10-25 β /(m · k) σε θερμοκρασία δωματίου (25 μοίρες /77 μοίρες στ).
Οι βασικές τάσεις και τα παραδείγματα περιλαμβάνουν:
Εξάρτηση από τη θερμοκρασία: Η θερμική αγωγιμότητα γενικά αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, το IncoL® 718 έχει θερμική αγωγιμότητα ~ 11 W/(m · k) σε 25 βαθμούς, η οποία ανέρχεται σε ~ 18 W/(m · k) σε 600 βαθμούς και ~ 22 W/(m · k) σε 1000 βαθμούς. Αυτή η αύξηση οφείλεται σε ενισχυμένη μεταφορά φωνών και ηλεκτρονίων σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Επιπτώσεις στη σύνθεση: Στοιχεία κράματος (π.χ. χρωμίου, μολυβδαινίου, niobium) μειώνουν τη θερμική αγωγιμότητα σε σύγκριση με το καθαρό νικέλιο (το οποίο έχει θερμική αγωγιμότητα ~ 91 W/(m · k) σε 25 μοίρες). Για παράδειγμα:
Το GH4133 (ένα κινεζικό νικέλιο - με βάση το SuperAloy) έχει θερμική αγωγιμότητα ~ 12-15 W/(m · k) σε θερμοκρασία δωματίου.
Hastelloy® X (νικέλιο - chromium - κράμα μολυβδενίου) εκθέματα ~ 14 W/(m · k) σε 25 μοίρες και ~ 20 w/(m · k) σε 800 μοίρες.
Αυτή η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα είναι τόσο μια δύναμη όσο και μια σκέψη: βοηθά στην απομόνωση του καυτού - τελικών εξαρτημάτων (π.χ. λεπίδες στροβίλου) από την υπερβολική μεταφορά θερμότητας σε πιο δροσερά μέρη, αλλά απαιτεί επίσης προσεκτική θερμική διαχείριση (π.χ. κανάλια ψύξης) για να αποφευχθεί η τοπική υπερθέρμανση.
Οι SuperAloys (συμπεριλαμβανομένου του νικελίου - βασισμένες, σιδήρου - βασισμένες και κοβάλτιο - βασισμένοι) διατηρούν υψηλή αντοχή σε αυξημένες θερμοκρασίες μέσω ενός συνδυασμούΣχεδιασμός μικροδομής, συνέργεια κράμα στοιχείου και ελεγχόμενη επεξεργασία. Οι μηχανισμοί πυρήνα είναι:
Σκλήρυνση βροχόπτωσης (Μηχανισμός πρωτογενούς ενίσχυσης):
Τα περισσότερα νικέλια - βασίζονται σε υπερκράματα βασίζονται στο σχηματισμό λεπτών, σταθερών κατακρημνισμένων εντός του νικελίου - πλούσιου πίνακα. Το πρωτογενές ίζημα είναι'Φάση (ni₃al, ti)- μια σκληρή, συνεκτική φάση που σχηματίζεται κατά τη διάρκεια της γήρανσης θερμικής επεξεργασίας. Αυτά τα μικροσκοπικά ιζήματα (συνήθως 10-100 nm σε μέγεθος) δρουν ως εμπόδια στην κίνηση εξάρθρωσης (η κύρια αιτία πλαστικής παραμόρφωσης). Ακόμη και σε 800-1000 βαθμούς, «παραμένει σταθερός και διατηρεί την ικανότητά του να εμποδίζει τις εξάρσεις, αποτρέποντας την ερπυσμό και τη διατήρηση της αντοχής. Χρησιμοποιούν επίσης ορισμένα προηγμένα κράματα (π.χ. Incoutel® 718)Φάση '' (NI₃NB)για πρόσθετη ενίσχυση.
Στερεό - ενίσχυση λύσης:
Τα στοιχεία κράματος (π.χ. χρωμίου, μολυβδαινίου, βολφραμίου) διαλύονται στη μήτρα νικελίου για να σχηματίσουν ένα στερεό διάλυμα. Αυτά τα στοιχεία έχουν διαφορετικά ατομικά μεγέθη από το νικέλιο, δημιουργώντας στρεβλώσεις πλέγματος που εμποδίζουν την κίνηση εξάρθρωσης. Για παράδειγμα, το μολυβδαινικό και το βολφραμίο (μεγάλα άτομα) εισάγουν σημαντικό στέλεχος πλέγματος, ενισχύοντας την αντίσταση του κράματος στην παραμόρφωση σε υψηλές θερμοκρασίες.
Ενίσχυση των ορίων των κόκκων:
Τα υπερκράματα είναι κατασκευασμένα με λεπτές, ομοιόμορφες δομές σιτηρών (που συχνά επιτυγχάνονται μέσω ελεγχόμενης χύτευσης ή μεταλλουργίας σε σκόνη). Οι λεπτές κόκκοι αυξάνουν τον αριθμό των ορίων των κόκκων, τα οποία δρουν ως εμπόδια στην κίνηση εξάρθρωσης. Επιπλέον, τα ιχνοστοιχεία (π.χ. βόριο, ζιρκόνιο, hafnium) προστίθενται για να "καθαρίσουν" τα όρια των κόκκων - που δεσμεύονται με τις ακαθαρσίες (π.χ. θείο, φωσφόρος) που προκαλούν την εξάρτηση και σχηματίζουν σταθερά καρβίδια ή βοφίδια σε όρια, εμποδίζοντας την ολίσθηση του κόκκινου σκάφους).
Αντίσταση οξείδωσης και διάβρωσης (έμμεση συγκράτηση αντοχής):
Αν και δεν είναι ένας μηχανισμός άμεσης αντοχής, η ικανότητα να αντιστέκεται στην οξείδωση είναι κρίσιμη για τη διατήρηση της αντοχής. Στοιχεία όπως το χρώμιο, το αλουμίνιο και το τιτάνιο σχηματίζουν μια πυκνή, προσκολλημένη μεμβράνη οξειδίου (π.χ. Cr₂o₃, al₂o₃) στην επιφάνεια κράματος σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτή η μεμβράνη λειτουργεί ως εμπόδιο κατά του οξυγόνου και των διαβρωτικών αερίων, αποτρέποντας την υποβάθμιση της επιφάνειας (π.χ. κλιμάκωση, σκασίματα) που θα εξασθενούσε το κράμα και θα οδηγούσε σε πρόωρη αποτυχία.
Σταθερή μικροδομή:
Τα υπερκράματα έχουν σχεδιαστεί για να διατηρούν τα μικροδομικά χαρακτηριστικά τους (π.χ., τα ιζήματα, το μέγεθος των κόκκων) σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε αντίθεση με τα κοινά κράματα (τα οποία μπορεί να παρουσιάσουν την αύξηση των κατακρημνίσεων ή στην ανάπτυξη των κόκκων), τα υπερκράματα υποβάλλονται σε ελάχιστες μικροδομικές αλλαγές ακόμη και μετά από χιλιάδες ώρες σε 800-1100 βαθμούς - εξασφαλίζοντας συνεπή δύναμη κατά τη διάρκεια της ζωής τους.
