Nickelbasislegierungen sind die am häufigsten verwendeten Superlegierungen mit der höchsten Hochtemperaturfestigkeit.
Die Hauptgründe sind:
- Es können mehr Legierungselemente in der Nickelbasislegierung gelöst werden, und die Strukturstabilität kann beibehalten werden.
- Die kohärent geordnete intermetallische A3B-Verbindung γ'[Ni3(Al, Ti)]-Phase kann als Verstärkungsphase gebildet werden, so dass die Legierung wirksam verstärkt werden kann und die Hochtemperaturfestigkeit höher ist als die von Superlegierungen auf Eisen- und Kobaltbasis.
- 3. Die chromhaltige Nickelbasislegierung hat eine bessere Oxidations- und Gaskorrosionsbeständigkeit als die Superlegierung auf Eisenbasis.
Nickelbasislegierungen enthalten mehr als zehn Elemente, von denen Cr vor allem die Rolle des Oxidations- und Korrosionsschutzes spielt, während die anderen Elemente vor allem eine verstärkende Funktion haben.
Nach ihrer verstärkenden Wirkungsweise lassen sich die Elemente in folgende Gruppen einteilen: Elemente, die eine feste Lösung verstärken, wie Wolfram, Molybdän, Kobalt, Chrom und Vanadium;
Ausscheidungsgehärtete Elemente wie Aluminium, Titan, Niob und Tantal; korngrenzenhärtende Elemente wie Bor, Zirkonium, Magnesium und Seltene Erden.
Bei Superlegierungen auf Nickelbasis gibt es je nach Verfestigungsverfahren mischkristallverfestigte und ausscheidungsgehärtete Legierungen.
" Mischkristallverfestigte Legierung
Es verfügt über eine gewisse Hochtemperaturfestigkeit, gute Oxidationsbeständigkeit, thermische Korrosionsbeständigkeit, Kältebeständigkeit, thermische Ermüdungseigenschaften sowie eine gute Plastizität und Schweißbarkeit und kann zur Herstellung von Teilen mit hohen Arbeitstemperaturen und geringer Belastung verwendet werden, wie z. B. die Brennkammer von Gasturbinen.
" Ausscheidungsgehärtete Legierung
Im Allgemeinen werden drei Verfestigungsmethoden integriert: Mischkristallverfestigung, Ausscheidungsverfestigung und Korngrenzenverfestigung, so dass es eine gute Hochtemperaturkriechfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und thermische Korrosionsbeständigkeit aufweist und für die Herstellung von Bauteilen mit hoher Beanspruchung bei hohen Temperaturen, wie Turbinenschaufeln und Turbinenscheiben von Gasturbinen, verwendet werden kann.
Nickel-Basis-Legierung hat eine hohe Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei 650~1000℃. Je nach den Haupteigenschaften wird sie in eine hitzebeständige Legierung auf Nickelbasis, eine korrosionsbeständige Legierung auf Nickelbasis, eine verschleißfeste Legierung auf Nickelbasis, eine Präzisionslegierung auf Nickelbasis und eine Legierung mit Formgedächtnis auf Nickelbasis unterteilt.
" Korrosionsbeständige Legierung auf Nickelbasis
Die wichtigsten Legierungselemente sind Kupfer, Chrom und Molybdän. Es hat gute umfassende Eigenschaften und kann verschiedene Säurekorrosion und Spannungskorrosion widerstehen. Die früheste Anwendung ist die Nickel-Kupfer-Legierung (Ni-Cu), auch bekannt als Monel-Legierung (Monel-Legierung Ni 70 Cu30); darüber hinaus gibt es Nickel-Chrom-Legierung (Ni-Cr), Nickel-Molybdän-Legierung (Ni-Mo) (bezieht sich hauptsächlich auf die Hastelloy B Serie), Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung (Ni-Cr-Mo) (bezieht sich hauptsächlich auf die Hastelloy C-Serie) und so weiter. Gleichzeitig ist reines Nickel auch ein typischer Vertreter der korrosionsbeständigen Nickelbasislegierungen. Diese korrosionsbeständigen Legierungen auf Nickelbasis werden hauptsächlich für die Herstellung von Bauteilen für verschiedene korrosionsbeständige Umgebungen wie Erdöl, Chemie und Elektrizität verwendet.
Korrosionsbeständige Legierungen auf Nickelbasis haben meist ein austenitisches Gefüge. Im Zustand der Mischkristallisation und der Alterungsbehandlung gibt es intermetallische Phasen und Metallkohlenstoffnitride auf der austenitischen Matrix und den Korngrenzen der Legierung, und verschiedene korrosionsbeständige Legierungen werden nach ihrer Zusammensetzung und ihren Eigenschaften wie folgt klassifiziert:
Die Ni-Cu-Legierung hat eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Nickel in reduzierenden Medien und eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Kupfer in oxidierenden Medien, und sie ist das beste Material, um Fluorgas, Fluorwasserstoff und Flusssäure bei hohen Temperaturen in Abwesenheit von Sauerstoff und Oxidationsmitteln zu widerstehen.
Die Ni-Cr-Legierung ist ebenfalls eine hitzebeständige Legierung auf Nickelbasis; sie wird hauptsächlich in oxidierenden Medien verwendet. Sie ist beständig gegen Hochtemperaturoxidation und Korrosion von schwefel- und vanadiumhaltigen Gasen, und ihre Korrosionsbeständigkeit steigt mit der Zunahme des Chromgehalts. Diese Art von Legierung hat auch eine gute Beständigkeit gegen Hydroxidkorrosion (wie NaOH, KOH) und Spannungskorrosionsbeständigkeit.
Die Ni-Mo-Legierung wird hauptsächlich unter den Bedingungen der Korrosion durch reduzierende Medien verwendet. Sie ist eine der besten Legierungen, um Salzsäurekorrosion zu widerstehen, aber in Gegenwart von aeroben und oxidierenden Mitteln wird die Korrosionsbeständigkeit erheblich reduziert.
Die Legierung Ni-Cr-Mo (W) hat die Eigenschaften der oben genannten Legierungen Ni-Cr und Ni-Mo. Sie wird hauptsächlich unter den Bedingungen von oxidierenden und reduzierenden Mischmedien verwendet. Diese Art von Legierung hat eine gute Korrosionsbeständigkeit in Hochtemperatur-Fluorwasserstoffgas, in Salzsäure und Flusssäure-Lösung, die Sauerstoff und Oxidationsmittel enthält, und in nassem Chlorgas bei Raumtemperatur.
Die Ni-Cr-Mo-Cu-Legierung ist sowohl gegen Salpetersäure- als auch gegen Schwefelsäurekorrosion beständig und hat auch eine gute Korrosionsbeständigkeit in einigen oxidationsreduzierenden Mischsäuren.
Anwendungsbereich
Superlegierungen auf Nickelbasis werden in vielen Bereichen eingesetzt, z. B:
1. Ozean: Meeresstrukturen in der Meeresumwelt, Meerwasserentsalzung, Marikultur, Wärmeaustausch mit Meerwasser usw.
2, Umweltschutz: thermische Stromerzeugung von Rauchgasentschwefelung Ausrüstung, Abwasserbehandlung.
3. Energiebereich: Stromerzeugung aus Kernenergie, umfassende Nutzung von Kohle, Stromerzeugung durch Gezeiten usw.
4. Petrochemischer Bereich: Ölraffination, chemische Ausrüstung, etc.
5. Lebensmittelbereich: Salzproduktion, Sojasoßenherstellung usw.
" Verschleißfeste Legierung auf Nickelbasis
Die wichtigsten Legierungselemente sind Chrom, Molybdän, Wolfram, aber auch kleine Mengen von Niob, Tantal und Indium. Neben der Verschleißfestigkeit, seine Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Schweißen Leistung ist gut. Es kann als Beschichtungsmaterial verwendet werden, das durch Auftragsschweißen und Spritzen auf die Oberfläche anderer Grundwerkstoffe aufgebracht werden kann.
Zu den Pulvern auf Nickelbasis gehören selbstfließende Legierungspulver und nicht selbstfließende Legierungspulver.
Das nicht selbstfließende Pulver auf Nickelbasis bezieht sich auf das Pulver einer Nickelbasislegierung, die kein B, Si oder einen geringen B- und Si-Gehalt enthält. Diese Art von Pulver ist weit verbreitet in Plasma-Lichtbogenspritzen Beschichtung, Flammspritzen Beschichtung und Plasma-Oberflächenveredelung verwendet. Dazu gehören hauptsächlich: Ni-Cr-Legierungspulver, Ni-Cr-Mo-Legierungspulver, Ni-Cr-Fe-Legierungspulver, Ni-Cu-Legierungspulver, Ni-P- und Ni-Cr-P-Legierungspulver, Ni-Cr-Mo-Fe-Legierungspulver, Ni-Cr-Mo-Si-Legierungspulver mit hoher Verschleißfestigkeit, Ni-Cr-Fe-Al-Legierungspulver, N i-Cr-Fe-Al-B-Si-Legierungspulver, Ni-Cr-Si-Legierungspulver, Ni-Cr-W-Legierungspulver mit hoher Verschleißfestigkeit usw.
Das selbstschmelzende Legierungspulver auf Nickelbasis wurde durch Zugabe einer angemessenen Menge von B und Si zum Nickellegierungspulver hergestellt. Das so genannte selbstschmelzende Legierungspulver ist auch als niedrig eutektische Legierung oder harte Oberflächenlegierung bekannt. Es handelt sich dabei um eine Reihe von Pulvermaterialien, die durch Zugabe von niedrig schmelzenden eutektischen Legierungselementen (hauptsächlich Bor und Silizium) zu Nickel-, Kobalt- und Eisenbasislegierungen hergestellt werden. Häufig verwendete selbstfließende Legierungspulver auf Nickelbasis sind Ni-B-Si-Legierungspulver, Ni-Cr-B-Si-Mo, Ni-Cr-B-Si-Mo-Cu, selbstfließendes Legierungspulver auf Nickelbasis mit hohem Molybdängehalt, selbstfließendes Legierungspulver auf Nickelbasis mit hohem Chromgehalt, selbstfließendes Legierungspulver auf Ni-Cr-W-C-Basis, selbstfließendes Legierungspulver mit hohem Kupfergehalt, Goldpulver, selbstfließendes Legierungspulver auf Nickelbasis mit Wolframkarbiddispersion, usw.
Die Rolle der verschiedenen Elemente in der Legierung:
● Die Rolle von Bor und Silizium-Elemente: deutlich reduzieren den Schmelzpunkt der Legierung, erweitern die Fest-Flüssig-Phase Temperaturzone, und bilden niedrig schmelzenden Eutektikum; Desoxidation Reduktion und Verschlackung Funktion; Härten und Stärkung der Beschichtung; Verbesserung der Betriebsprozess Leistung
● Die Rolle des Kupferelements: Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit gegenüber nicht oxidierenden Säuren
● Die Rolle des Elements Chrom: Mischkristallverfestigung, Passivierung; Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit; Das überschüssige Chrom ist leicht, die harte Phase von Chromkarbid und Chromborid mit Kohlenstoff und Bor zu bilden, wodurch die Härte und Verschleißfestigkeit der Legierung verbessert wird
Die Rolle von Molybdän-Element: der Atomradius ist groß, das Kristallgitter ist nach der Lösung verzerrt, erheblich stärken die Legierung Matrix, und verbessern Sie die Hochtemperatur-Festigkeit und rote Härte der Matrix; Es kann abgeschnitten und reduzieren die netzartige Gewebe in der Beschichtung; Verbesserung der Beständigkeit gegen Kavitation und Erosion.
" Präzisionslegierung auf Nickelbasis
Dazu gehören weichmagnetische Legierungen auf Nickelbasis, Präzisionswiderstandslegierungen auf Nickelbasis und elektrische Heizlegierungen auf Nickelbasis. Die am häufigsten verwendete weichmagnetische Legierung ist etwa 80% Nickel-Permalloy, seine maximale Permeabilität und Anfangspermeabilität ist hoch, Koerzitivfeldstärke ist niedrig, ist ein wichtiges Kernmaterial in der Elektronikindustrie. Die wichtigsten Legierungselemente der Präzisionswiderstandslegierung auf Nickelbasis sind Chrom, Aluminium und Kupfer. Diese Legierung hat einen hohen spezifischen Widerstand, einen niedrigen spezifischen Temperaturkoeffizienten und eine gute Korrosionsbeständigkeit und wird zur Herstellung von Widerständen verwendet. Die elektrothermische Legierung auf Nickelbasis ist eine 20% Chrom-Nickel-Legierung mit guter Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und kann lange Zeit bei 1000~1100℃ verwendet werden.
" Gedächtnislegierung auf Nickelbasis
Nickellegierung mit 50(at)% Titan. Die Rückgewinnungstemperatur beträgt 70℃, und der Formgedächtniseffekt ist gut. Eine kleine Änderung des Anteils der Nickel-Titan-Komponenten kann die Rückgewinnung Temperaturänderung im Bereich von 30~100℃ machen. Es ist weit verbreitet in der Herstellung von automatisch öffnenden Strukturteilen in Raumfahrzeugen, selbststimulierende Verbindungselemente in der Luft- und Raumfahrtindustrie, künstliche Herzmotoren in der Biomedizin, etc.
Gewebe
Neben der Austenitmatrix gibt es in der Matrix verteilte γ'-Phasen, sekundäre Karbide an der Korngrenze sowie primäre Karbide und Boride, die während der Erstarrung ausgeschieden werden. Mit zunehmendem Legierungsgrad ändert sich das Mikrogefüge wie folgt: Die Anzahl der γ'-Phasen nimmt allmählich zu, die Größe nimmt allmählich zu, und die Größe der γ'-Phase wird zu einem Würfel, und die Größe und Form derselben Legierung weist unterschiedliche γ'-Phasen auf. In der Gusslegierung bildet sich während des Erstarrungsprozesses auch ein γ+γ'-Eutektikum, und an der Korngrenze scheidet sich diskontinuierliches körniges Karbid aus, das von dünnen γ'-Phasenfilmen umgeben ist. Diese Veränderungen im Mikrogefüge verbessern die Eigenschaften der Legierung.
Die chemische Zusammensetzung moderner Nickelbasislegierungen ist sehr komplex, und die Sättigung der Legierung ist sehr hoch, so dass eine strenge Kontrolle des Gehalts jedes Legierungselements (insbesondere des wichtigsten Verstärkungselements) erforderlich ist, da es sonst leicht zur Ausscheidung schädlicher Phasen während des Gebrauchs kommt, wie z. B. σ- und µ-Phasen, die die Festigkeit und Zähigkeit der Legierung beeinträchtigen. Richtungsgebundene Kristallturbinenschaufeln und einkristalline Turbinenschaufeln wurden aus Superlegierungen auf Nickelbasis entwickelt.
Die gerichtete Kristallschaufel eliminiert die quer verlaufenden Korngrenzen, die anfällig für Löcher und Risse sind, und macht alle Korngrenzen parallel zur Richtung der Spannungsachse, wodurch die Gebrauchseigenschaften der Legierung verbessert werden. Die einkristalline Schaufel eliminiert alle Korngrenzen und muss keine korngrenzenverstärkenden Elemente hinzufügen, so dass die anfängliche Schmelztemperatur der Legierung relativ erhöht wird, wodurch die Hochtemperaturfestigkeit der Legierung verbessert und die umfassenden Eigenschaften der Legierung weiter verbessert werden.
Produktionstechnik
Nickelbasislegierungen, insbesondere ausscheidungsgehärtete Legierungen, enthalten hochlegierte Elemente wie Aluminium und Titan. Sie werden in der Regel in einem Vakuuminduktionsofen geschmolzen und in einem Vakuumverschleißofen oder einem Elektroschlackeofen umgeschmolzen. Die Warmverarbeitung erfolgt durch Schmieden, Walzen, bei hochlegierten Legierungen aufgrund der schlechten Thermoplastizität durch Strangpressen nach dem Walzen oder durch direktes Strangpressen mit einem Mantel aus Baustahl (oder Edelstahl). Die Gusslegierung wird in der Regel in einem Vakuuminduktionsofen geschmolzen, und die Teile werden durch Vakuumumschmelzen und Präzisionsguss hergestellt.
Verformte Legierung und ein Teil der Gusslegierung müssen wärmebehandelt werden, einschließlich Lösungsbehandlung, Zwischenbehandlung und Alterungsbehandlung, wobei die Legierung Udmet 500 als Beispiel genommen wird, deren Wärmebehandlungssystem in vier Stufen unterteilt ist: Lösungsbehandlung, 1175℃, 2 Stunden, Luftkühlung; Zwischenbehandlung, 1080℃, 4 Stunden, Luftkühlung; Einmalige Alterungsbehandlung, 843℃, 24 Stunden, Luftkühlung; Sekundäre Alterungsbehandlung, 760℃, 16 Stunden, Luftkühlung. Um die erforderlichen organisatorischen Zustand und gute umfassende Leistung zu erhalten.
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