Ε1: Τι είναι αυτό που κάνει το Incoloy Alloy 903 να διαφέρει θεμελιωδώς από τα περισσότερα άλλα υπερκράματα υψηλής{2} θερμοκρασίας που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές σε φούρνους και στροβίλους;
A: Το Incoloy Alloy 903 (UNS N19903) αντιπροσωπεύει έναν εξειδικευμένο κλάδο σχεδιασμού υπερκράματος γνωστό ως ελεγχόμενο-υπερκράμα διαστολής. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά υπερκράματα όπως το Inconel 718 ή το Waspaloy, που δίνουν προτεραιότητα στην ακατέργαστη αντοχή και την αντίσταση στην οξείδωση, το Alloy 903 σχεδιάστηκε για να λύσει ένα συγκεκριμένο μηχανικό παζλ: διατήρηση της αντοχής ενώ ταιριάζει με τα χαρακτηριστικά θερμικής διαστολής άλλων υλικών.
Το καθοριστικό χαρακτηριστικό - Χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής (CTE):
Το κράμα 903 παρουσιάζει ασυνήθιστα χαμηλό και ελεγχόμενο CTE, συνήθως περίπου 7,0–8,0 μm/m· βαθμό (3,9–4,5 μin/in· βαθμοί F) από τη θερμοκρασία δωματίου έως τους 425 βαθμούς (800 βαθμοί F). Αυτό είναι περίπου το μισό από αυτό των ωστενιτικών ανοξείδωτων χάλυβων όπως 304 ή 316.
Πώς επιτυγχάνεται αυτό;
Αυτή η ιδιότητα προέρχεται από τη μοναδική της χημεία. Είναι ένα κράμα Νικελίου-Σιδήρου-Κοβαλτίου με σημαντικές προσθήκες νιοβίου (Cb) και τιτανίου. Περιέχει ιδιαίτερα χαμηλό χρώμιο (συνήθως<0.5%). In most superalloys, Chromium is added for oxidation resistance. In Alloy 903, it is intentionally minimized because Chromium raises the CTE and disrupts the desired expansion behavior.
Η λογική της εφαρμογής:
Αυτή η χαμηλή διαστολή επιτρέπει στα εξαρτήματα του Alloy 903 (όπως περιβλήματα, καλύμματα και δακτυλίους) να διαστέλλονται και να συστέλλονται με ρυθμό παρόμοιο με τα υπερκράματα με βάση το κατώτερο-νικέλιο διαστολής- ή ακόμα και τα κεραμικά υλικά που σφραγίζουν ή υποστηρίζουν. Αυτό διατηρεί σφιχτά διάκενα στα περιστρεφόμενα μηχανήματα, βελτιώνοντας την απόδοση και αποτρέποντας το τρίψιμο των άκρων της λεπίδας πάνω στο κάλυμμα. Είναι ένα υλικό σχεδιασμένο για σταθερότητα διαστάσεων υπό θερμική ανακύκλωση, όχι μόνο ακατέργαστη αντοχή.
Ε2: Η προδιαγραφή AMS 5803 αναφέρει υλικό "αναλώσιμου ηλεκτροδίου που έχει επαναλιωθεί". Γιατί αυτή η συγκεκριμένη πρακτική τήξης είναι κρίσιμη για το φύλλο και την πλάκα Incoloy 903 που προορίζεται για εξαρτήματα κλιβάνων αεροδιαστημικής;
Α: Η απαίτηση για επανατήξη αναλώσιμων ηλεκτροδίων-συγκεκριμένα Επανατήξη τόξου κενού (VAR) ή Επανατήξηση με ηλεκτρική ροή (EFR) όπως αναφέρεται στο AMS 5803-δεν είναι απλώς ένα πλαίσιο ελέγχου ποιότητας. Είναι μια θεμελιώδης απαίτηση για την απόδοση και την ακεραιότητα του υλικού σε κρίσιμες εφαρμογές περιστροφής και στεγανοποίησης.
Ο λόγος: Χημικός έλεγχος και μικροδομική ομοιομορφία
Σφιχτός έλεγχος χημείας: Οι μοναδικές ιδιότητες χαμηλής-διαστολής του κράματος 903 βασίζονται σε ακριβείς αναλογίες νικελίου, κοβαλτίου και σιδήρου. Η τυπική τήξη του αέρα δεν μπορεί να επιτύχει την απαιτούμενη ομοιογένεια. Η τήξη υπό κενό διασφαλίζει ότι τα αντιδραστικά στοιχεία όπως το τιτάνιο και το νιόβιο (υπάρχει επίσης αλουμίνιο) ελέγχονται με ακρίβεια και είναι απαλλαγμένα από αέρια όπως το οξυγόνο και το άζωτο.
Εξάλειψη του διαχωρισμού: Σε ένα σύστημα υψηλού-κράματος όπως το N19903, ο στοιχειακός διαχωρισμός κατά τη στερεοποίηση μπορεί να οδηγήσει σε "λωρίδες" στην τελική πλάκα ή φύλλο. Εάν μια λωρίδα υλικού έχει ελαφρώς διαφορετικό συντελεστή διαστολής από την γειτονική ζώνη, το εξάρτημα μπορεί να παραμορφωθεί ή να παραμορφωθεί απρόβλεπτα κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλου σε φούρνο ή κινητήρα. Το VAR παράγει μια πιο ομοιογενή δομή πλινθώματος.
Ελαχιστοποίηση μη-μεταλλικών εγκλεισμάτων: Για λεπτά φύλλα (το AMS 5803 καλύπτει φύλλα πάχους έως 0,001 ίντσες για ειδικές εφαρμογές), ένα μεμονωμένο μικροσκοπικό περίβλημα μπορεί να λειτουργήσει ως ανυψωτικό στρες και σημείο έναρξης για αποτυχία κόπωσης. Η διαδικασία εκ νέου τήξης βελτιώνει τη δομή των κόκκων και επιπλέει έξω τα εγκλείσματα, παράγοντας ένα "καθαρότερο" υλικό απαραίτητο για την αξιοπιστία των λεπτών διαφραγμάτων, των φυσερών και των στεγανοποιήσεων.
Εν ολίγοις, ο καθορισμός του AMS 5803 με την απαίτηση επανατήξης του αναλώσιμου ηλεκτροδίου εγγυάται ότι η πλάκα ή το φύλλο έχει την εσωτερική καθαριότητα και τη χημική ομοιομορφία που απαιτούνται για την αξιόπιστη εκτέλεση της λειτουργίας σταθερότητας διαστάσεων.
Ε3: Ένας σχεδιαστής σκέφτεται το φύλλο Incoloy 903 για ένα διάφραγμα φούρνου που λειτουργεί στους 700 βαθμούς (1300 βαθμούς F). Με βάση τις μεταλλουργικές του ιδιότητες, είναι αυτή μια ασφαλής εφαρμογή; Ποιοι είναι οι εγγενείς περιορισμοί αυτού του κράματος;
Α: Η επιλογή του Incoloy 903 για ένα διάφραγμα κλιβάνου στους 700 βαθμούς (1300 μοίρες F) θα ήταν πιθανότατα μια σημαντική μεταλλουργική εσφαλμένη εφαρμογή που θα μπορούσε να οδηγήσει σε ταχεία και καταστροφική αστοχία.
Ο βασικός περιορισμός: Έλλειψη αντίστασης στην οξείδωση
Όπως αναφέρθηκε στο Q1, το Alloy 903 περιέχει πολύ λίγο χρώμιο (Cr). Το χρώμιο είναι το κύριο στοιχείο που παρέχει αντίσταση στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες σχηματίζοντας μια προστατευτική κλίμακα Cr2O3.
Στους 700 βαθμούς σε ατμόσφαιρα αέρα (οξειδωτική), η επιφάνεια του κράματος 903 θα οξειδωθεί γρήγορα. Χωρίς προστατευτικό στρώμα οξειδίου του χρωμίου, σχηματίζει μια μη-ζυγαριά που δεν προστατεύει, που ξεφλουδίζει-οξείδιο του νικελίου. Το υλικό θα «σκουριάσει» με επιταχυνόμενο ρυθμό, οδηγώντας σε γρήγορη απώλεια τομής.
Άλλοι κρίσιμοι περιορισμοί:
Υψηλή-Πτώση αντοχής θερμοκρασίας: Ενώ το κράμα 903 έχει εξαιρετική αντοχή σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες (έως ~650 μοίρες) λόγω της σκλήρυνσης λόγω βροχοπτώσεων (γάμμα prime, Ni₃(Al, Ti, Cb)), η δύναμή του πέφτει απότομα καθώς οι θερμοκρασίες πλησιάζουν τους 700 βαθμούς και άνω. Δεν έχει σχεδιαστεί για εφαρμογές που φέρουν φορτίο σε αυτήν τη θερμοκρασία.
Οξείδωση οριακών κόκκων με επιτάχυνση της πίεσης (SAGBO): Στην προβλεπόμενη αεροδιαστημική χρήση (συνήθως κάτω από 650 μοίρες), το κράμα 903 μπορεί να είναι ευαίσθητο στο SAGBO, όπου το οξυγόνο διεισδύει στα όρια των κόκκων υπό τάση εφελκυσμού, οδηγώντας σε ευθραυστότητα. Στις 700 μοίρες, αυτός ο μηχανισμός θα επιταχυνόταν.
Η σωστή εφαρμογή:
Το κράμα 903 προορίζεται για εφαρμογές ενδιάμεσης θερμοκρασίας (έως ~650 μοίρες), υψηλής- αντοχής όπου η χαμηλή διαστολή είναι κρίσιμη και το περιβάλλον είναι σχετικά αδρανές ή προστατευμένο (π.χ. μέσα σε ένα σφραγισμένο περίβλημα κινητήρα με ελεγχόμενη ατμόσφαιρα). Για ένα διάφραγμα κλιβάνου εκτεθειμένο σε ανοιχτό αέρα στους 700 βαθμούς , ένα τυπικό κράμα υψηλής{{7} θερμοκρασίας όπως το Inconel 600 ή το 601, ή ένα κράμα FeCrAl, θα ήταν πολύ πιο κατάλληλο.
Ε4: Κατασκευάζουμε ένα περίπλοκο κάλυμμα από φύλλο AMS 5803 χρησιμοποιώντας συγκόλληση τόξου αερίου βολφραμίου (GTAW). Ποια είναι η μοναδική πρόκληση συγκολλησιμότητας που παρουσιάζει αυτό το κράμα και ποια ειδική θερμική επεξεργασία μετά την{3}}συγκόλληση (PWHT) απαιτείται;
Α: Το Welding Incoloy 903 παρουσιάζει μια μοναδική πρόκληση που σχετίζεται άμεσα με την ελεγχόμενη{1}}χημεία διαστολής του. Ο πρωταρχικός κίνδυνος είναι το ράγισμα κατά τη διάρκεια της θερμικής επεξεργασίας μετά την-συγκόλληση (PWHT).
Η Πρόκληση: Στέλεχος-Ράγισμα ηλικίας
Ο Μηχανισμός: Το κράμα 903 ενισχύεται με την καθίζηση γάμμα πρώτου [Ni3(Al, Ti, Cb)] κατά τη γήρανση. Η διαδικασία συγκόλλησης δημιουργεί μια επηρεαζόμενη από τη θερμότητα ζώνη (HAZ) που τίθεται σε κατάσταση υπολειπόμενης εφελκυστικής τάσης καθώς ψύχεται.
Το πρόβλημα: Όταν το συγκολλημένο συγκρότημα υποβάλλεται σε PWHT (κύκλος γήρανσης) για να αναπτύξει πλήρη αντοχή στο βασικό μέταλλο, το HAZ αρχίζει επίσης να καθιζάνει γάμμα αστάρι. Αυτή η κατακρήμνιση αναγκάζει το HAZ να ενισχυθεί και να χάσει την ολκιμότηταενώοι υπολειπόμενες τάσεις από τη συγκόλληση εξακολουθούν να υπάρχουν. Εάν οι τάσεις είναι αρκετά υψηλές, το τώρα-εύθραυστο HAZ θα ραγίσει-αυτό είναι ρωγμές καταπόνησης-ηλικίας.
Η λύση: Μια στρατηγική PWHT σε δύο{0}}βήματα
Για να μετριαστεί αυτό, η τυπική προσέγγιση του κλάδου-για τα στοιχεία AMS 5803 είναι:
Βήμα 1 - Διάλυμα ανόπτησης (ανακούφιση από το στρες) ΠΡΙΝ τη γήρανση:
Μετά τη συγκόλληση, το συγκρότημα πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία ανόπτησης διαλύματος (συνήθως περίπου 980 μοίρες ± 15 μοίρες / 1800 μοίρες F ± 25 βαθμοί F) ακολουθούμενη από ταχεία ψύξη (σβήσιμο).
Σκοπός: Αυτό ανακουφίζει το μεγαλύτερο μέρος των υπολειμματικών τάσεων συγκόλλησης και διαλύει τυχόν αρχόμενη καθίζηση που μπορεί να έχει συμβεί κατά τη συγκόλληση.
Βήμα 2 - Κύκλος σκλήρυνσης (γήρανσης) καθίζησης:
Μόνο μετά την ανακούφιση από το στρες το τμήμα υπόκειται στον κύκλο γήρανσης (συνήθως μια διαδικασία διπλού-βήματος περίπου 720 μοίρες και 620 μοίρες / 1325 μοίρες F και 1150 μοίρες F).
Σκοπός: Αυτό αναπτύσσει τις απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες (αντοχή εφελκυσμού και διαρροής) σε περιβάλλον-ελεύθερο ή χαμηλής{1}} καταπόνησης.
Η παράλειψη της ανόπτησης του ενδιάμεσου διαλύματος και η μετάβαση κατευθείαν στον κύκλο γήρανσης είναι μια συνταγή για απορρίμματα εξαρτημάτων λόγω ρωγμών.
Ε5: Ένας μηχανικός εξετάζει ένα παλαιού τύπου σχέδιο που καθορίζει την πινακίδα AMS 5803. Η εφοδιαστική αλυσίδα δυσκολεύεται να την προμηθεύσει. Ποια είναι τα σύγχρονα εναλλακτικά κράματα και ποια είναι τα-ανταλλάγματα στην αντικατάστασή τους;
Α: Η εύρεση άμεσων υποκατάστατων για το AMS 5803/Alloy 903 είναι δύσκολη επειδή ο συνδυασμός χαμηλής-διαστολής και υψηλής- αντοχής του είναι αρκετά εξειδικευμένος. Ωστόσο, ανάλογα με τις ακριβείς απαιτήσεις της εφαρμογής, υπάρχουν μερικές διαδρομές, καθεμία με σημαντικές-ανταλλαγές.
Εναλλακτική 1: Κράμα 909 (UNS N19909 / AMS 5892)
Ο σύγχρονος διάδοχος: Το κράμα 909 είναι μια άμεση εξέλιξη της χημείας 903. Αναπτύχθηκε ειδικά για να βελτιώσει την αντίσταση SAGBO και την αντοχή στην εγκοπή του κράματος 903, διατηρώντας παράλληλα τα χαμηλά-χαρακτηριστικά διαστολής.
Το Trade-off: Παρόλο που προσφέρει καλύτερη δυνατότητα κατασκευής και αντοχή στους μηχανισμούς ρωγμών που συζητήθηκαν στο τέταρτο τρίμηνο, δεν αποτελεί πτώση-στην αντικατάσταση χωρίς να επαναπροσδιοριστεί ο κύκλος θερμικής επεξεργασίας. Είναι συχνά η προτιμώμενη επιλογή για νέα σχέδια που απαιτούν χαμηλή διαστολή, αλλά εάν το εξάρτημα είναι σφυρηλατημένο, οι θερμοκρασίες σφυρηλάτησης είναι πιο κρίσιμες.
Εναλλακτική 2: Κράμα 718 (UNS N07718 / AMS 5596)
Το κοινό υποκατάστατο "Υψηλής-αντοχής":
Το Trade-off (Expansion): Το κράμα 718 έχει σημαντικά υψηλότερο συντελεστή θερμικής διαστολής. Η αντικατάστασή του θα κατέστρεφε τον έλεγχο εκκαθάρισης που είχε σχεδιαστεί για να παρέχει το αρχικό εξάρτημα 903. Η απόδοση του στροβίλου ή του κλιβάνου θα έπεφτε ή θα υπήρχαν μηχανικές παρεμβολές (τρίψιμο).
The Trade-off (Oxidation): Από τη θετική πλευρά, το 718 περιέχει σημαντικό χρώμιο, προσφέροντας εξαιρετικά ανώτερη αντίσταση στην οξείδωση σε σύγκριση με το 903.
Εναλλακτική 3: Invar-Κράματα τύπου (π.χ. Ni36 / UNS K93600)
Το υποκατάστατο χαμηλής-επέκτασης:
Το Trade-off (Strength): Το Invar έχει ακόμη χαμηλότερο CTE από το 903 κοντά σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά δεν είναι ένα σκληρυνόμενο υπερκράμα από βροχόπτωση-. Είναι σχετικά μαλακό και δεν έχει την αντοχή σε υψηλές-θερμοκρασίες του 903. Θα σέρνεται ή θα παραμορφώνεται αμέσως υπό το φορτίο σε υψηλές θερμοκρασίες.
Συμπέρασμα: Εάν το 903 δεν είναι διαθέσιμο, το κράμα 909 είναι το πιο λογικό μεταλλουργικό υποκατάστατο. Εάν το 909 δεν είναι επίσης διαθέσιμο, η σχεδίαση πιθανότατα πρέπει να-επαναξιολογηθεί. Η αντικατάσταση με ένα τυπικό υπερκράμα όπως το 718 θα έλυνε το πρόβλημα τροφοδοσίας αλλά θα έσπασε τη λειτουργία θερμικής διαστολής του εξαρτήματος.
