Nickellegeringar kategoriseras baserat på deras sammansättning, egenskaper och applikationer. Huvudtyperna inkluderar:
Nickeleglegeringar: Innehåller 30–70% nickel med järn som det sekundära elementet, ofta med tillägg som krom, molybden eller koppar. Exempel inkluderar INVAR (64% Ni, 36% Fe), känd för låg värmeutvidgning, och Permalloy (78% Ni, 22% Fe), används i magnetiska tillämpningar.
Nickelopplegeringar: Vanligtvis består av 60–70% nickel och 20–30% koppar, med mindre element som järn eller mangan. Monel 400 (67% Ni, 30% Cu) är ett utmärkt exempel, värderat för korrosionsbeständighet i marina och kemiska miljöer.
Nickelkromlegeringar: Har högt krom (10–30%) för oxidationsresistens, med nickel som bas. Inconel 600 (76% Ni, 16% Cr, 8% Fe) används allmänt i högtemperaturinställningar som ugnar och värmeväxlare.
Nickelmolybden-legeringar: Rik på molybden (15–30%) för att motstå korrosion av syror (t.ex. saltsyra). Hastelloy B-2 (62% Ni, 28% MO) är ett viktigt exempel, som används vid kemisk bearbetning.
Nickel-krom-molybden-legeringar: Kombinera krom och molybden för balanserad oxidation och korrosionsbeständighet. Hastelloy C-276 (57% Ni, 16% Cr, 16% MO) utmärker sig i hårda miljöer som kloridrika lösningar.
Nickel-titanlegeringar (formminneslegeringar): Såsom nitinol (55% Ni, 45% Ti), som uppvisar formminneseffekter och superelasticitet, som används på medicintekniska produkter (stent) och flyg- och rymdkomponenter.
Nickel superlegeringar: Högpresterande legeringar med nickel som bas (30–70%), förbättrad med element som krom, kobolt, aluminium och titan för extrem hög temperaturstyrka. Exempel inkluderar Inconel 718 och enkristalllegeringar som CMSX-4.
De magnetiska egenskaperna hos nickel -superlegeringar beror på deras sammansättning, särskilt nickelinnehållet och legeringselementen.
Nickel i sig är ferromagnetisk(lockas till magneter) vid rumstemperatur. Många nickel -superlegeringar är dockicke-magnetisk eller svagt magnetiskPå grund av legeringstillägg som stör den ferromagnetiska ordningen.
Till exempel:
Inconel 718, som innehåller ~ 52% Ni tillsammans med krom, niob och molybden, är i allmänhet icke-magnetiskt i sitt glödgade eller åldriga tillstånd.
Alloys with higher nickel content (e.g., >80%) kan behålla svag ferromagnetism, men detta är sällsynt i superlegeringar, där krom och andra element ofta undertrycker magnetiskt beteende.
Det viktigaste skälet är att element som krom, molybden och kobolt kan minska den ferromagnetiska curie-temperaturen för nickel, vilket gör legeringarna icke-magnetiska vid rumstemperatur. Den här egenskapen är fördelaktig inom flyg- och elektriska tillämpningar där magnetiska störningar måste minimeras.
Karbider är viktiga utfällningar i nickel -superlegeringar, bildade genom kol som reagerar med eldfasta metaller. De förbättrar hög temperaturstyrka, krypmotstånd och korngränsstabilitet. Vanliga karbider inkluderar:
MC karbider: Kubiska karbider med en NaCl-typstruktur, där "M" representerar metaller som titan (Tic), tantal (TAC), niob (NBC) eller hafnium (HFC). Dessa formar under stelning och finns ofta som diskreta partiklar, stärker matrisen och hämmar korntillväxt.
M₂₃c₆ karbider: Komplexa karbider (t.ex. cr₂₃c₆, (cr, mo) ₂₃c₆) som fälls ut vid korngränser. De förbättrar korngränsstyrkan och minskar intergranulär sprickor under hög temperaturstress. Krom är den primära metallen i M₂₃C₆, med molybden eller volfram som ersätter i vissa fall.
M₆C karbider: Hexagonala eller kubiska karbider (t.ex. (mo, w, ni) ₆c) som bildas vid mellanliggande temperaturer. De finns ofta i legeringar rika på molybden eller volfram (t.ex. Hastelloy X) och bidrar till krypmotstånd genom att fästa dislokationer.
M₇c₃ karbider: Mindre vanligt men observerat i vissa legeringar kan dessa karbider (t.ex. cr₇c₃) bildas under värmebehandling och kan förvandlas till M₂₃C₆ vid högre temperaturer.
Distributionen och typen av karbider styrs via värmebehandling, vilket säkerställer optimala mekaniska egenskaper för högtemperaturtjänst.
Nickelbaserade superlegeringar har relativt låg värmeledningsförmåga jämfört med metaller som koppar eller aluminium, en egenskap som balanserar värmehållning och strukturell integritet i högtemperaturapplikationer.
Typiska värden: Värmeledningsförmåga sträcker sig från10 till 25 w/(m · k)vid rumstemperatur minskar något vid förhöjda temperaturer. Till exempel:
Inconel 718: ~ 11 W/(M · K) vid 20 grader, ~ 16 W/(M · K) vid 800 grader.
CMSX-4 (Superalloy med enkristall): ~ 12 W/(M · K) vid 20 grader, ~ 18 W/(M · K) vid 1 000 grader.
Hastelloy x: ~ 14 w/(m · k) vid 20 grader, ~ 20 w/(m · k) vid 800 grader.
Faktorer som påverkar konduktivitet: Legeringselement (t.ex. molybden och volfram minskar konduktiviteten), mikrostrukturella egenskaper (t.ex. utfäller spridningsfononer, sänker termisk transport) och temperatur (konduktivitet ökar något med temperaturen på grund av förbättrad fononrörelse).
Teknisk betydelse: Låg värmeledningsförmåga hjälper till att behålla värmen i heta delar av gasturbiner, minska termiska gradienter och förbättra effektiviteten. Det minimerar också värmeöverföring till svalare komponenter och skyddar dem från överhettning.
Nickelbaserade superlegeringar är kritiska i flyg- och rymd på grund av deras förmåga att motstå extrema temperaturer, mekanisk stress och korrosion. Viktiga legeringar och deras applikationer inkluderar:
Inconel 718:
Sammansättning: ~ 52% Ni, 19% Cr, 18,5% Fe, 5% Nb, 3% MO, 1% Ti, 0,6% AL.
Ansökningar: Turbinskivor, blad och höljen i jetmotorer (t.ex. lågtrycksturbiner) och raketmotorer. Dess utmärkta svetsbarhet och hög styrka på 650–700 grader gör det mångsidigt för strukturella komponenter.
Inconel 625:
Sammansättning: ~ 61% Ni, 21,5% Cr, 9% MO, 3,6% NB, 2,5% Fe.
Ansökningar: Förbränningskamrar, avgassystem och kanal. Dess överlägsna oxidationsmotstånd (upp till 1 093 grader) och korrosionsbeständighet passar hårda motormiljöer.
Waspaloy Waspaloy:
Sammansättning: ~ 58% Ni, 19% Cr, 13% CO, 4,3% MO, 3% Ti, 1,4% AL.
Ansökningar: Högtrycksturbinskivor och blad i militära och kommersiella jetmotorer. Det erbjuder utmärkt krypmotstånd på 760–815 grader.
Enkristall superlegeringar (t.ex. CMSX-4, PWA 1484):
Sammansättning: ~ 60–65% Ni, 10–20% Cr, 5–10% CO, 5–8% AL, 5–10% W, med TA, Ti eller R -tillsatser.
Ansökningar: Högtrycksturbinblad i avancerade jetmotorer (t.ex. Boeing 787, Airbus A350). Deras enkelkristallstruktur eliminerar korngränser, minskar drastiskt krypning och förbättrar styrka vid 1 000–1 100 grader.
Haynes 282:
Sammansättning: ~ 57% Ni, 20% Cr, 10% CO, 8,5% MO, 2,1% Ti, 1,5% AL.
Ansökningar: Turbinskivor och höljen i nästa generations motorer. Den kombinerar hög temperaturstyrka med förbättrad tillverkbarhet jämfört med äldre legeringar.
Dessa legeringar gör det möjligt för flygmotorer att arbeta vid högre temperaturer, vilket ökar bränsleeffektiviteten och drivkraften samtidigt som den säkerställer långsiktig tillförlitlighet.
