Stopy niklu są klasyfikowane na podstawie ich składu, nieruchomości i zastosowań. Główne typy obejmują:
Stopy niklu-żeliwne: Zawierają 30–70% nikiel z żelazem jako elementem wtórnym, często z dodatkami takimi jak chrom, molibden lub miedź. Przykłady obejmują Invar (64% NI, 36% FE), znane z niskiej ekspansji cieplnej i Permalloy (78% Ni, 22% Fe), stosowanych w zastosowaniach magnetycznych.
Stopy niklu-opper: Zwykle składający się z 60–70% niklu i 20–30% miedzi, z drobnymi elementami, takimi jak żelazo lub mangan. Monel 400 (67% NI, 30% Cu) jest doskonałym przykładem, o wartości odporności na korozję w środowiskach morskich i chemicznych.
Stopy niklu-chromowe: Wyposaż się wysoki chrom (10–30%) dla odporności na utlenianie, z niklem jako podstawą. Inconel 600 (76% NI, 16% CR, 8% Fe) jest szeroko stosowany w ustawieniach o wysokiej temperaturze, takich jak piece i wymienniki ciepła.
Stopy niklu-molibdenu: Bogaty w molibden (15–30%) w celu odporności na korozję kwasami (np. Kwas solny). Hastelloy B-2 (62% NI, 28% MO) jest kluczowym przykładem, stosowanym w przetwarzaniu chemicznym.
Stopy nikiel-chrom-molibden: Połącz chrom i molibden do zrównoważonego utleniania i odporności na korozję. Hastelloy C-276 (57% NI, 16% CR, 16% MO) wyróżnia się w trudnych środowiskach, takich jak roztwory bogate w chlorek.
Stopy niklu-titanu (stopy pamięci): Takie jak nitynol (55% Ni, 45% TI), które wykazują efekty pamięci kształtu i superrelastyczność, stosowane w urządzeniach medycznych (stenty) i komponentach lotniczych.
Nikiel Superalloys: Stopy o wysokiej wydajności z niklem jako podstawą (30–70%), wzmocnione przez elementy takie jak chrom, kobalt, aluminium i tytan dla ekstremalnej wytrzymałości w wysokiej temperaturze. Przykłady obejmują stopnie Inconel 718 i stopy jednokrystaliczne, takie jak CMSX-4.
Właściwości magnetyczne niklowców zależą od ich składu, zwłaszcza od zawartości niklu i elementów stopowych.
Sam nikiel jest ferromagnetyczny(przyciągane do magnesów) w temperaturze pokojowej. Jednak wielu nikielniemagnetyczne lub słabo magnetyczneZ powodu stopniowych dodatków, które zakłócają rzędność ferromagnetyczną.
Na przykład:
Inconel 718, zawierający ~ 52% Ni wraz z chromem, niobium i molibdenum, jest na ogół niemagnetyczny w stanie wyżarzonym lub starszym.
Alloys with higher nickel content (e.g., >80%) może zachować słaby ferromagnetyzm, ale jest to rzadkie u superallouszów, w których chrom i inne pierwiastki często tłumią zachowanie magnetyczne.
Kluczowym powodem jest to, że pierwiastki takie jak chrom, molibden i kobalt mogą zmniejszyć temperaturę ferromagnetyczną niklu, co czyni stopy niemagnetyczne w temperaturze pokojowej. Ta właściwość jest korzystna w zastosowaniach lotniczych i elektrycznych, w których interferencja magnetyczna musi zostać zminimalizowana.
Węgła są ważnymi osadami w superalloysie niklu, utworzone przez węgiel reagujący z metali opornych na oporność. Zwiększają wytrzymałość w wysokiej temperaturze, odporność na pełzanie i stabilność granicy ziarna. Typowe węgliki obejmują:
MC Węglanki: Węgliki sześcienne o strukturze typu NaCl, gdzie „M” reprezentuje metale takie jak tytan (TIC), tantalum (TAC), Niobium (NBC) lub hafnium (HFC). Powstają one podczas zestalania i często znajdują się jako dyskretne cząstki, wzmacniając matrycę i hamując wzrost ziarna.
M₂₃c₆ węgliki: Złożone węgliki (np. Cr₂₃c₆, (cr, mo) ₂₃c₆), które wytrącą na granicach ziarna. Poprawiają wytrzymałość granic ziarna, zmniejszając pękanie międzykrystaliczne przy stresie w wysokiej temperaturze. Chrom jest pierwotnym metalem w M₂₃C₆, a w niektórych przypadkach zastępuje molabden lub wolfram.
M₆C węgliki: Węgliki sześciokątne lub sześcienne (np. (MO, W, Ni) ₆c), które tworzą się w temperaturach pośrednich. Często występują w stopach bogatych w molibden lub wolfram (np. Hastelloy X) i przyczyniają się do odporności na pełzanie przez napędzanie zwichnięć.
M₇c₃ węgliki: Rzadziej, ale obserwowane w niektórych stopach, węgliki te (np., Cr₇c₃) mogą tworzyć się podczas obróbki cieplnej i mogą przekształcić się w M₂₃C₆ w wyższych temperaturach.
Rozkład i rodzaj węglików są kontrolowane poprzez obróbkę cieplną, zapewniając optymalne właściwości mechaniczne dla usług w wysokiej temperaturze.
Superalloys na bazie niklu mają stosunkowo niską przewodność cieplną w porównaniu z metaliami takimi jak miedź lub aluminium, właściwość równoważenia retencji ciepła i integralności strukturalnej w zastosowaniach o wysokiej temperaturze.
Typowe wartości: Przewodnictwo cieplne waha się od10 do 25 W/(M · K)W temperaturze pokojowej nieznacznie zmniejszając się w podwyższonych temperaturach. Na przykład:
Inconel 718: ~ 11 W/(M · K) przy 20 stopnia, ~ 16 W/(M · K) przy 800 stopniach.
CMSX-4 (Superalloy z pojedynczych kryształów): ~ 12 W/(M · K) przy 20 stopniach, ~ 18 W/(M · K) na 1000 stopni.
Hastelloy X: ~ 14 W/(M · K) przy 20 stopnia, ~ 20 W/(M · K) przy 800 stopniach.
Czynniki wpływające na przewodność: Elementy stopowe (np. Molybden i wolfram zmniejszają przewodność), cechy mikrostrukturalne (np. Wytrącwa fonony rozproszenia, obniżenie transportu termicznego) i temperatura (przewodność wzrasta nieznacznie wraz z temperaturą spowodowaną zwiększonym ruchem fononu).
Znaczenie inżynierii: Niska przewodność cieplna pomaga zachować ciepło w gorących odcinkach turbin gazowych, zmniejszając gradienty cieplne i poprawę wydajności. Minimalizuje również transfer ciepła do chłodniejszych komponentów, chroniąc je przed przegrzaniem.
Superalloły na bazie niklu mają kluczowe znaczenie w lotnisku ze względu na ich zdolność do wytrzymania ekstremalnych temperatur, naprężeń mechanicznych i korozji. Kluczowe stopy i ich aplikacje obejmują:
Inconel 718:
Kompozycja: ~ 52% Ni, 19% CR, 18,5% Fe, 5% NB, 3% MO, 1% TI, 0,6% AL.
Zastosowania: Dyski turbinowe, ostrza i osłonki w silnikach odrzutowych (np. Turbiny o niskim ciśnieniu) i silnikach rakietowych. Jego doskonała spawalność i wysoka wytrzymałość w 650–700 stopnia sprawiają, że jest wszechstronna dla składników strukturalnych.
Inconel 625:
Kompozycja: ~ 61% Ni, 21,5% CR, 9% MO, 3,6% NB, 2,5% Fe.
Zastosowania: Komory spalania, układy wydechowe i kanały. Jego doskonała odporność na utlenianie (do 1093 stopni) i odporność na korozję odporne na trudne środowiska silnika.
Waspaloy:
Kompozycja: ~ 58% NI, 19% CR, 13% CO, 4,3% MO, 3% TI, 1,4% AL.
Zastosowania: Dyski i ostrza turbiny pod wysokim ciśnieniem w wojskowych i komercyjnych silnikach odrzutowych. Oferuje doskonałą odporność na pełzanie na poziomie 760–815.
Superalloys z pojedynczym kryształowym (np. CMSX-4, PWA 1484):
Kompozycja: ~ 60–65% NI, 10–20% CR, 5–10% CO, 5–8% AL, 5–10% W, z dodatkami TA, TI lub RE.
Zastosowania: Wysokieciowce turbiny w zaawansowanych silnikach odrzutowych (np. Boeing 787, Airbus A350). Ich struktura pojedynczych krystaliczna eliminuje granice ziaren, drastycznie zmniejszając pełzanie i poprawiając wytrzymałość o 1000–1 100 stopni.
Haynes 282:
Kompozycja: ~ 57% NI, 20% CR, 10% CO, 8,5% MO, 2,1% TI, 1,5% AL.
Zastosowania: Dyski i osłonki turbinowe w silnikach nowej generacji. Łączy wytrzymałość o wysokiej temperaturze z lepszą możliwością materiału w porównaniu ze starszymi stopami.
Stopy te umożliwiają silnikom lotniczym działanie w wyższych temperaturach, zwiększając oszczędność paliwa i ciąg, jednocześnie zapewniając długoterminową niezawodność.
