Caracteristicile superaliajului Inconel 718 pe bază de nichel
Inconel 718 - Care sunt proprietățile superaliajelor pe bază de nichel - Definiție
Inconel 718 este un superaliaj pe bază de nichel cu proprietăți de rezistență ridicată și rezistență la temperaturi ridicate. De asemenea, prezintă o protecție semnificativă împotriva coroziunii și oxidării.
Superaliaje - Inconel - Pale de turbină Superaliajele sau aliajele de înaltă performanță sunt aliaje neferoase care prezintă o rezistență excelentă și stabilitate la suprafață la temperaturi ridicate. Capacitatea lor de a funcționa în siguranță la puncte de topire mai mari (până la 85% din punctul de topire (T m ) în grade Kelvin, 0,85) este proprietatea lor cheie. Superaliajele sunt utilizate de obicei la temperaturi de peste 540 de grade (1000 de grade F), deoarece aliajele obișnuite de oțel și titan își pierd rezistența la aceste temperaturi, iar coroziunea este, de asemenea, comună în oțel la aceste temperaturi. La temperaturi ridicate, superaliajele mențin rezistența mecanică, rezistența la deformarea prin fluaj termic, stabilitatea suprafeței și rezistența la coroziune sau oxidare. Unele superaliaje pe bază de nichel pot rezista la temperaturi mai mari de 1200 de grade, în funcție de compoziția aliajului. Superaliajele sunt în mod obișnuit turnate ca monocristale și, în timp ce granițele granulelor oferă rezistență, ele reduc rezistența la fluaj.
Superaliaj pe bază de nichel
Superaliajele pe bază de nichel reprezintă în prezent mai mult de 50% din greutatea motoarelor de aeronave avansate. Superaliajele pe bază de nichel includ aliaje întărite în soluție solidă și aliaje de întărire prin îmbătrânire. Aliajele de întărire prin îmbătrânire constau dintr-o matrice austenitică (fcc) în care compușii intermetalici ai Ni (Al, Ti) precipitați coerent sunt dispersați și au o structură fcc. Superaliajele pe bază de nichel sunt aliaje cu nichel ca element principal de aliere. În aplicațiile discutate anterior, superaliajele pe bază de nichel sunt preferate ca materiale pentru lame, mai degrabă decât superaliajele pe bază de cobalt sau fier. Importante pentru superaliajele pe bază de nichel sunt rezistența lor ridicată, rezistența la fluaj și rezistența la coroziune la temperaturi ridicate. Paletele turbinei sunt de obicei turnate în formă solidificată direcțional sau sub formă de monocristal. Paletele cu un singur cristal sunt utilizate în principal în primul rând de trepte ale turbinei.
Ele au fost dezvoltate inițial pentru a fi utilizate în turbocompresoarele cu motor cu piston de avioane. Astăzi, cea mai comună aplicație este în componentele turbinei aeronavelor, care trebuie să reziste la medii oxidante severe și la temperaturi ridicate pentru o perioadă rezonabilă de timp. Aplicațiile actuale includ:
turbină cu gaz de avion
centrala electrica cu turbina cu abur
aplicatii medicale
Nave spațiale și motoare rachete
Echipamente de tratament termic
Centrală nucleară
Nichelul este elementul de bază al superaliajelor, un grup de aliaje de nichel, fier-nichel și cobalt utilizate în motoarele cu reacție. Aceste metale au o rezistență excelentă la deformarea prin fluaj termic și își mențin rigiditatea, rezistența, tenacitatea și stabilitatea dimensională la temperaturi mult mai mari decât alte materiale structurale aerospațiale.
Inconel 718
În general, Inconel este o marcă înregistrată a Metalelor speciale pentru familia superaliajelor austenitice pe bază de nichel-crom. Inconel 718 este un superaliaj pe bază de nichel cu proprietăți de rezistență ridicată și rezistență la temperaturi ridicate. De asemenea, prezintă o protecție semnificativă împotriva coroziunii și oxidării. Rezistența la temperatură ridicată a Inconel este crescută prin întărirea soluției solide sau întărirea prin precipitare, în funcție de aliaj. Inconel 718 este compus din 55% nichel, 21% crom, 6% fier și cantități mici de mangan, carbon și cupru.
Utilizările obișnuite pentru superaliaje sunt în industria aerospațială și în alte industrii de înaltă tehnologie. Acest aliaj de înaltă temperatură combină rezistența la coroziune cu rezistența materialului în fața căldurii extreme și funcționează bine în industria nucleară. Unele centrale nucleare folosesc superaliaje pe bază de nichel pentru miezurile reactoarelor, tijele de control și componente similare. În industria nucleară se folosesc în special superaliaje cu conținut scăzut de cobalt (datorită posibilei activări a cobaltului 59). Unele componente structurale ale ansamblurilor de combustibil nuclear, cum ar fi duzele superioare și inferioare, pot fi fabricate din superaliaje precum Inconel. Grila de distanțiere este de obicei realizată dintr-un material rezistent la coroziune cu o secțiune transversală scăzută de absorbție termică a neutronilor, de obicei aliaj de zirconiu (~0.18 × 10 –24 cm2). Prima și ultima grilă de distanță pot fi realizate și din Inconel cu conținut scăzut de cobalt, un superaliaj ideal pentru utilizare în medii extreme care suportă presiune și căldură.
fluaj termic
Fluaj, cunoscut și sub denumirea de curgere la rece, este o deformare permanentă care crește în timp sub sarcină sau stres constant. Este cauzată de expunerea prelungită la solicitări mecanice externe mari care conduc la limita de randament și este mai gravă în materialele care au fost încălzite pentru perioade lungi de timp. Viteza de deformare este o funcție de proprietățile materialului, timpul de expunere, temperatura de expunere și sarcinile structurale aplicate. Creep-ul este un fenomen foarte important dacă folosim materiale la temperaturi ridicate. Fluajul este foarte important în industria energetică și are cea mai mare importanță în proiectarea motoarelor cu reacție. Pentru multe situații de fluare cu durate de viață relativ scurte (cum ar fi palele de turbină în aeronavele militare), timpul până la rupere este o considerație majoră de proiectare. Desigur, pentru a o determina, trebuie efectuate teste de fluaj până la punctul de eșec; acestea se numesc teste de rupere prin fluaj.
Rezistența la fluaj a unui material este afectată de mulți factori, cum ar fi difuzivitate, precipitate și dimensiunea granulelor. În general, există trei metode generale pentru prevenirea fluajului metalului. O metodă este utilizarea unui metal cu un punct de topire mai mare, a doua metodă este utilizarea unui material cu o dimensiune mai mare a granulelor, iar o a treia metodă este utilizarea aliajului. Metalele cubice centrate pe corp (BCC) au o rezistență slabă la fluaj la temperaturi ridicate. Ca rezultat, superaliajele pe bază de Co, Ni și Fe, de obicei aliaje austenitice cubice centrate pe față, pot fi proiectate cu rezistență ridicată la fluaj și, prin urmare, au devenit materiale ideale în medii cu temperatură înaltă.
fisurare prin coroziune de tensiune
Una dintre cele mai serioase probleme metalurgice și una dintre principalele preocupări în industria nucleară este cracarea prin coroziune sub tensiune (SCC). Fisurarea prin coroziune prin efort este rezultatul unei combinații a tensiunii de tracțiune aplicate și a unui mediu coroziv, ambele fiind necesare. SCC este un fel de coroziune intergranulară care are loc la limitele granulelor sub acțiunea tensiunii de tracțiune. Oțelurile slab aliate sunt mai puțin susceptibile decât oțelurile înalt aliate, dar sunt susceptibile la SCC în apa care conține ioni de clorură. Cu toate acestea, aliajele pe bază de nichel nu sunt afectate de ionii de clorură sau hidroxid. Un exemplu de aliaj pe bază de nichel care este rezistent la fisurarea prin coroziune este Inconel.
Proprietăți ale aliajelor de înaltă temperatură – Inconel 718
Proprietățile materialelor sunt proprietăți intensive, ceea ce înseamnă că sunt independente de masă și pot varia de la un loc la altul în cadrul sistemului în orice moment. Bazele științei materialelor implică studierea structurii materialelor și raportarea acestora cu proprietățile lor (mecanice, electrice etc.). Odată ce oamenii de știință din materiale înțeleg această corelație structură-proprietate, ei pot continua să studieze performanța relativă a materialelor într-o aplicație dată. Principalii determinanți ai structurii unui material și proprietăților sale sunt elementele chimice constitutive ale acestuia și modul în care este procesat în forma sa finală.
Proprietăți mecanice ale aliajelor de înaltă temperatură – Inconel 718
Materialele sunt adesea selectate pentru diverse aplicații, deoarece posedă o combinație ideală de proprietăți mecanice. Pentru aplicațiile structurale, proprietățile materialelor sunt critice și inginerii trebuie să le ia în considerare.
Rezistența superaliajelor – Inconel 718
În mecanica materialelor, rezistența unui material este capacitatea sa de a rezista la o sarcină aplicată fără defecțiuni sau deformare plastică. Rezistența unui material ia în considerare în principiu relația dintre sarcina externă exercitată asupra materialului și deformarea sau modificarea dimensiunilor materialului. Rezistența unui material este capacitatea sa de a rezista la această sarcină aplicată fără defecțiuni sau deformare plastică.
rezistență maximă la tracțiune
Rezistența maximă la tracțiune a superaliajului - Inconel 718 depinde de procesul de tratament termic, dar este de aproximativ 1200 MPa.
Rezistența maximă la întindere este valoarea maximă pe curba tehnică efort-deformare. Aceasta corespunde tensiunii maxime care poate fi suportată de structura în tensiune. Rezistența finală la tracțiune este adesea denumită pur și simplu „rezistență la tracțiune” sau chiar pur și simplu „finală”. Dacă acest stres este aplicat și menținut, poate provoca fracturi. De obicei, această valoare este semnificativ mai mare decât limita de curgere (50 până la 60 la sută mai mare decât limita de curgere a unor tipuri de metale). Când un material ductil își atinge rezistența maximă, se va coborî acolo unde aria secțiunii transversale scade local. Curba tensiuni-deformare nu include tensiuni peste rezistența finală. Chiar dacă deformațiile pot continua să crească, tensiunile scad de obicei după ce se atinge rezistența finală. Aceasta este o proprietate densă; prin urmare valoarea sa nu depinde de dimensiunea specimenului. Totuși, depinde de alți factori, cum ar fi pregătirea eșantionului, mediul de testare și temperatura materialului. Rezistența maximă la tracțiune variază de la 50 MPa pentru aluminiu până la 3000 MPa pentru oțel de rezistență ultra-înaltă.
Puterea de curgere
Limita de curgere a superaliajului - Inconel 718 depinde de procesul de tratament termic, dar este de aproximativ 1030 MPa.
Limita de curgere este punctul de pe curba efort-deformare care indică limita comportamentului elastic și debutul comportamentului plastic. Limita de curgere sau limita de curgere este o proprietate a materialului definită ca tensiunea la care materialul începe să se deformeze plastic, în timp ce punctul de curgere este punctul în care începe deformarea neliniară (elastică + plastică). Înainte de limita de curgere, materialul se va deforma elastic și va reveni la forma sa inițială atunci când solicitarea aplicată este îndepărtată. Odată ce limita de curgere este depășită, o parte din deformare va fi permanentă și ireversibilă. Unele oțeluri și alte materiale prezintă un comportament numit fenomen de curgere. Limitele de curgere variază de la 35 MPa pentru aluminiu cu rezistență scăzută la mai mult de 1400 MPa pentru oțel cu rezistență ultra-înaltă.
Modulul de elasticitate al lui Young
Modulul de elasticitate Young al superaliajului - Inconel 718 este de 200 GPa.
Modulul de elasticitate al lui Young este modulul de elasticitate sub solicitări de tracțiune și compresiune în starea elastică liniară de deformare uniaxială și este de obicei evaluat prin încercări de tracțiune. Când este atinsă tensiunea maximă, obiectul își va putea recăpăta dimensiunile atunci când sarcina este îndepărtată. Stresul aplicat face ca atomii din cristal să se miște din pozițiile lor de echilibru. Toți atomii sunt deplasați cu aceeași cantitate, dar își păstrează totuși geometria relativă. Când stresul este îndepărtat, toți atomii revin la pozițiile lor inițiale și nu are loc o deformare permanentă. Conform legii lui Hooke, tensiunea este proporțională cu deformarea (în regiunea elastică), iar panta este modulul lui Young. Modulul Young este egal cu solicitarea longitudinală împărțită la deformare.
Duritatea superaliajului – Inconel 718
Duritatea Brinell a superaliajului – Inconel 718 depinde de procesul de tratament termic, dar este de aproximativ 330 MPa.
În știința materialelor, duritatea este capacitatea de a rezista la indentarea suprafeței (deformarea plastică localizată) și la zgâriere. Duritatea este poate cea mai puțin bine definită proprietate a materialului, deoarece poate reprezenta rezistența la zgârieturi, abraziune, indentare sau chiar rezistență la formare sau deformare plastică localizată. Din punct de vedere ingineresc, duritatea este importantă deoarece rezistența la uzură la frecare sau atacul cu abur, ulei și apă crește în general odată cu creșterea durității.
Testul de duritate Brinell este unul dintre testele de duritate a indentării care a fost dezvoltat pentru testarea durității. În testul Brinell, un indentor sferic dur este presat în suprafața metalică pentru a fi testat sub o sarcină specifică. Testarea tipică utilizează o bilă de oțel întărită cu diametrul de 10 mm (0,39 inchi) ca indentor cu o forță de 3,000 kgf (29,42 kN; 6.614 lb). Sarcina rămâne constantă pentru un timp specificat (între 10 și 30 de secunde). Pentru materiale mai moi, folosiți mai puțină forță; pentru materiale mai dure, utilizați bile de carbură de tungsten în loc de bile de oțel.
Acest test oferă rezultate numerice pentru a cuantifica duritatea unui material, exprimată ca Brinell Hardness Number - HB. Valorile durității Brinell sunt desemnate HBW de cele mai frecvent utilizate standarde de testare (ASTM E10-14[2] și ISO 6506–1:2005) (H din duritate, B din duritatea Brinell și W din materialul de indentor wolfram ( wolfram) lucruri de carbură). În standardele anterioare, HB sau HBS erau folosite pentru a se referi la măsurători efectuate cu indentor din oțel.
Numărul de duritate Brinell (HB) este sarcina împărțită la aria suprafeței indentării. Diametrul amprentei se măsoară cu ajutorul unui microscop cu o scară suprapusă. Valoarea durității Brinell este calculată prin următoarea formulă:
Există mai multe metode de testare utilizate în mod obișnuit (cum ar fi Brinell, Knoop, Vickers și Rockwell). Există tabele disponibile care corelează valorile durității din diferite metode de testare în care se aplică corelația. La toate scalele, valorile mari de duritate reprezintă metale dure.
Proprietăți termice ale aliajelor de înaltă temperatură – Inconel 718
Proprietățile termice ale unui material se referă la răspunsul său la schimbările de temperatură și aplicarea căldurii. Când un solid absoarbe energie sub formă de căldură, temperatura acestuia crește, iar dimensiunea acestuia crește. Dar diferitele materiale reacţionează diferit la încălzire.
Capacitatea termică, dilatarea termică și conductibilitatea termică sunt proprietăți care sunt adesea critice în utilizarea practică a solidelor.
Punctul de topire al aliajului la temperatură înaltă – Inconel 718
Punctul de topire al superaliajelor – oțelul Inconel 718 are un punct de topire de aproximativ 1400 de grade.
În general, topirea este schimbarea de fază a unei substanțe din fază solidă în fază lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care are loc această schimbare de fază. Punctul de topire definește, de asemenea, condițiile în care solidele și lichidele pot exista în echilibru.
Conductibilitatea termică a aliajelor de înaltă temperatură - Inconel 718
Aliaj de temperatură ridicată - Inconel 718 are o conductivitate termică de 6,5 W/(mK).
Proprietățile de transfer de căldură ale materialelor solide sunt măsurate printr-o proprietate numită conductivitate termică k (sau λ), în unități de W/mK. Este o măsură a capacității unei substanțe de a transfera căldură printr-un material prin conducție. Rețineți că legea lui Fourier se aplică tuturor materiei, indiferent de starea acesteia (solid, lichid sau gaz), deci se aplică și lichidelor și gazelor.
