Τα κράματα νικελίου κατηγοριοποιούνται με βάση τη σύνθεση, τις ιδιότητες και τις εφαρμογές τους. Οι κύριοι τύποι περιλαμβάνουν:
Κράματα νικελίου-σιδήρου: Περιέχει 30-70% νικέλιο με σίδηρο ως δευτερεύον στοιχείο, συχνά με προσθήκες όπως χρωμίου, μολυβδαίνιο ή χαλκό. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν το InvAR (64% Ni, 36% Fe), γνωστό για χαμηλή θερμική διαστολή και permalloy (78% Ni, 22% Fe), που χρησιμοποιούνται σε μαγνητικές εφαρμογές.
Κράματα νικελίου-χαλκού: Συνήθως αποτελείται από 60-70% νικέλιο και 20-30% χαλκό, με μικρά στοιχεία όπως σίδηρο ή μαγγάνιο. Το Monel 400 (67% Ni, 30% Cu) είναι ένα πρωταρχικό παράδειγμα, αξίας για την αντίσταση στη διάβρωση σε θαλάσσια και χημικά περιβάλλοντα.
Κράματα νικελίου-χρωμίου: Διαθέτει υψηλό χρωμίου (10-30%) για αντίσταση οξείδωσης, με το νικέλιο ως βάση. Το IncoLEL 600 (76% NI, 16% CR, 8% FE) χρησιμοποιείται ευρέως σε ρυθμίσεις υψηλής θερμοκρασίας όπως οι κλιβάνοι και οι εναλλάκτες θερμότητας.
Κράματα νικελίου-molybdenum: Πλούσιο σε μολυβδαινικό (15-30%) για να αντισταθεί στη διάβρωση από οξέα (π.χ. υδροχλωρικό οξύ). Το Hastelloy B-2 (62% Ni, 28% MO) είναι ένα βασικό παράδειγμα, που χρησιμοποιείται στη χημική επεξεργασία.
Κράματα νικελίου-χρωμίου-molybdenum: Συνδυάστε το χρωμίου και το μολυβδαινικό για ισορροπημένη οξείδωση και αντοχή στη διάβρωση. Το Hastelloy C-276 (57% Ni, 16% CR, 16% MO) υπερέχει σε σκληρά περιβάλλοντα όπως πλούσια σε χλωριούχα διαλύματα.
Κράματα νικελίου-τιτανίου (κράματα μνήμης σχήματος): Όπως η νιτινόλη (55% Ni, 45% TI), η οποία παρουσιάζουν αποτελέσματα μνήμης σχήματος και υπερηραλαστικότητα, που χρησιμοποιούνται σε ιατρικές συσκευές (Stents) και αεροδιαστημικά συστατικά.
Υπερκράματα νικελίου: Κράματα υψηλής απόδοσης με νικέλιο ως βάση (30-70%), ενισχυμένα από στοιχεία όπως χρωμίου, κοβάλτιο, αλουμίνιο και τιτάνιο για ακραία αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τα unconel 718 και τα κράματα ενός κρυστάλλου όπως το CMSX-4.
Οι μαγνητικές ιδιότητες των υπερκράτων νικελίου εξαρτώνται από τη σύνθεσή τους, ιδιαίτερα από το περιεχόμενο του νικελίου και τα στοιχεία κράματος.
Το ίδιο το νικέλιο είναι σιδηρομαγνητικό(προσελκύεται σε μαγνήτες) σε θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο, πολλά υπερκράματα νικελίου είναιΜη μαγνητικό ή ασθενώς μαγνητικόΛόγω προσθηκών κράματος που διαταράσσουν την σιδηρομαγνητική σειρά.
Για παράδειγμα:
Το IncoLEL 718, που περιέχει ~ 52% Ni μαζί με το χρωμίου, το niobium και το μολυβδαίνιο, είναι γενικά μη μαγνητικό στην κατάσταση ανόπτησης ή ηλικίας του.
Alloys with higher nickel content (e.g., >80%) μπορεί να διατηρήσει τον αδύναμο σιδηρομαγνητισμό, αλλά αυτό είναι σπάνιο σε υπερκράματα, όπου το χρωμίου και άλλα στοιχεία συχνά καταστέλλουν τη μαγνητική συμπεριφορά.
Ο βασικός λόγος είναι ότι στοιχεία όπως το χρωμίου, το μολυβδαινικό και το κοβάλτιο μπορούν να μειώσουν τη θερμοκρασία σιδηρομαγνητικής κούρσας του νικελίου, καθιστώντας τα κράματα μη μαγνητικά σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η ιδιότητα είναι επωφελής σε αεροδιαστημικές και ηλεκτρικές εφαρμογές όπου πρέπει να ελαχιστοποιηθεί η μαγνητική παρεμβολή.
Τα καρβίδια είναι σημαντικά ιζήματα σε υπερκράματα νικελίου, που σχηματίζονται από άνθρακα που αντιδρά με ανθεκτικά μέταλλα. Ενισχύουν τη δύναμη υψηλής θερμοκρασίας, την αντίσταση ερπυσμού και τη σταθερότητα των ορίων των κόκκων. Τα κοινά καρβίδια περιλαμβάνουν:
MC καρβίδια: Κυβικά καρβίδια με δομή τύπου NaCl, όπου το "Μ" αντιπροσωπεύει μέταλλα όπως το τιτάνιο (TIC), το ταντάλιο (TAC), το Niobium (NBC) ή το Hafnium (HFC). Αυτές οι μορφές κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης και συχνά βρίσκονται ως διακριτά σωματίδια, ενισχύοντας τη μήτρα και αναστέλλοντας την ανάπτυξη των κόκκων.
Carbides M₂₃c₆: Σύνθετα καρβίδια (π.χ., Cr₂₃c₆, (Cr, Mo) ₂₃c₆) που καταβυθίζονται στα όρια των κόκκων. Βελτιώνουν τη δύναμη των ορίων των κόκκων, μειώνοντας τη διαμεσολαβητική ρωγμή κάτω από το στρες υψηλής θερμοκρασίας. Το χρωμίου είναι το πρωτογενές μέταλλο στο M₂₃c₆, με υποκατάστατο μολυβδαινίου ή βολφραμίου σε ορισμένες περιπτώσεις.
Carbides M₆c: Εξαγωνικά ή κυβικά καρβίδια (π.χ. (MO, W, Ni) ₆C) που σχηματίζονται σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες. Συχνά βρίσκονται σε κράματα πλούσια σε μολυβδαίνιο ή βολφραμικό (π.χ. Hastelloy X) και συμβάλλουν στην αντίσταση της ερπυσμού με την τοποθέτηση εξάρσεων.
Carbides M₇c₃: Λιγότερο κοινό αλλά παρατηρούνται σε ορισμένα κράματα, αυτά τα καρβίδια (π.χ. Cr₇c₃) μπορούν να σχηματιστούν κατά τη διάρκεια της θερμικής επεξεργασίας και μπορεί να μετατραπούν σε M₂₃c₆ σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Η κατανομή και ο τύπος των καρβίδων ελέγχονται μέσω θερμικής επεξεργασίας, εξασφαλίζοντας τις βέλτιστες μηχανικές ιδιότητες για την υπηρεσία υψηλής θερμοκρασίας.
Τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο έχουν σχετικά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα σε σύγκριση με μέταλλα όπως ο χαλκός ή το αλουμίνιο, μια ιδιότητα που εξισορροπεί τη συγκράτηση θερμότητας και τη δομική ακεραιότητα σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας.
Τυπικές τιμές: Η θερμική αγωγιμότητα κυμαίνεται από10 έως 25 β/(M · k)σε θερμοκρασία δωματίου, μειώνοντας ελαφρώς σε αυξημένες θερμοκρασίες. Για παράδειγμα:
Unconel 718: ~ 11 w/(m · k) σε 20 βαθμούς, ~ 16 w/(m · k) σε 800 μοίρες.
CMSX-4 (SuperLoy ενός-κρυστάλλου): ~ 12 W/(m · k) σε 20 βαθμούς, ~ 18 W/(m · k) σε 1.000 βαθμούς.
Hastelloy X: ~ 14 W/(M · k) σε 20 βαθμούς, ~ 20 W/(m · k) σε 800 μοίρες.
Παράγοντες που επηρεάζουν την αγωγιμότητα: Στοιχεία κράματος (π.χ., μολυβδαίνιο και βολφραμίου μειώνουν την αγωγιμότητα), τα μικροδομικά χαρακτηριστικά (π.χ., τα κατακρημνήματα των φωνημάτων διασκορπισμού, η μείωση της θερμικής μεταφοράς) και η θερμοκρασία (η αγωγιμότητα αυξάνεται ελαφρώς με τη θερμοκρασία λόγω της ενισχυμένης κίνησης των φωνών).
Μηχανική σημασία: Η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα βοηθά στη διατήρηση της θερμότητας σε καυτά τμήματα αεριοστροβίλων, στη μείωση των θερμικών κλίσεων και στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας. Επίσης, ελαχιστοποιεί τη μεταφορά θερμότητας σε πιο δροσερά εξαρτήματα, προστατεύοντάς τα από την υπερθέρμανση.
Τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο είναι κρίσιμα στην αεροδιαστημική λόγω της ικανότητάς τους να αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες, μηχανικό στρες και διάβρωση. Τα βασικά κράματα και οι εφαρμογές τους περιλαμβάνουν:
Inconel 718:
Σύνθεση: ~ 52% Ni, 19% CR, 18,5% Fe, 5% NB, 3% MO, 1% Ti, 0,6% AL.
Αιτήσεις: Δίσκοι στροβίλων, λεπίδες και περιβλήματα σε κινητήρες αεριωθουμένων (π.χ. στρόβιλοι χαμηλής πίεσης) και πυραύλους. Η εξαιρετική συγκόλληση και η υψηλή αντοχή του σε 650-700 βαθμούς καθιστούν ευπροσάρμοστο για δομικά εξαρτήματα.
Inconel 625:
Σύνθεση: ~ 61% Ni, 21,5% CR, 9% MO, 3,6% NB, 2,5% Fe.
Αιτήσεις: Επιμελητήρια καύσης, συστήματα εξάτμισης και αγωγοί. Η ανώτερη αντίσταση οξείδωσης (έως και 1.093 βαθμούς) και η διάβρωση της αντοχής σε σκληρά περιβάλλοντα κινητήρα.
Waspaloy:
Σύνθεση: ~ 58% Ni, 19% CR, 13% CO, 4,3% MO, 3% Ti, 1,4% AL.
Αιτήσεις: Δίσκοι στροβίλου υψηλής πίεσης και λεπίδες σε στρατιωτικούς και εμπορικούς κινητήρες. Προσφέρει εξαιρετική αντίσταση ερπυσμού σε 760-815 βαθμούς.
Υπόλεγχοι μονής κρυστάλλων (π.χ. CMSX-4, PWA 1484):
Σύνθεση: ~ 60-65% Ni, 10-20% CR, 5-10% CO, 5-8% AL, 5-10% W, με προσθήκες TA, TI ή Re.
Αιτήσεις: Πτερύγια στροβίλου υψηλής πίεσης σε προχωρημένους κινητήρες αεριωθουμένων (π.χ. Boeing 787, Airbus A350). Η δομή τους με ένα κρυστάλλιο εξαλείφει τα όρια των κόκκων, μειώνοντας δραστικά τον ερπυσμό και βελτιώνοντας τη δύναμη σε 1.000-1.100 βαθμούς.
Haynes 282:
Σύνθεση: ~ 57% Ni, 20% CR, 10% CO, 8,5% MO, 2,1% Ti, 1,5% AL.
Αιτήσεις: Δίσκοι στροβίλων και περιβλήματα σε κινητήρες επόμενης γενιάς. Συνδυάζει τη δύναμη υψηλής θερμοκρασίας με βελτιωμένη παραπλανητικότητα σε σύγκριση με τα παλαιότερα κράματα.
Αυτά τα κράματα επιτρέπουν στους αεροδιαστημικούς κινητήρες να λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, αυξάνοντας την απόδοση και την ώθηση καυσίμου εξασφαλίζοντας παράλληλα τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία.
