Egenskaper til nikkelbasert superlegering Inconel 718
Inconel 718 - Hva er egenskapene til nikkelbaserte superlegeringer – definisjon
Inconel 718 er en nikkelbasert superlegering med høye styrkeegenskaper og høy temperaturbestandighet. Den viser også betydelig beskyttelse mot korrosjon og oksidasjon.
Superlegeringer - Inconel - Turbinblader Superlegeringer eller høyytelseslegeringer er ikke-jernholdige legeringer som viser utmerket styrke og overflatestabilitet ved høye temperaturer. Deres evne til å operere trygt ved høyere smeltepunkter (opptil 85 % av smeltepunktet (T m ) i grader Kelvin, 0.85) er nøkkelegenskapen deres. Superlegeringer brukes vanligvis ved temperaturer over 540 grader (1000 grader F) fordi vanlige stål- og titanlegeringer mister sin styrke ved disse temperaturene, og korrosjon er også vanlig i stål ved disse temperaturene. Ved høye temperaturer opprettholder superlegeringer mekanisk styrke, motstand mot termisk krypdeformasjon, overflatestabilitet og motstand mot korrosjon eller oksidasjon. Noen nikkelbaserte superlegeringer tåler temperaturer over 1200 grader, avhengig av sammensetningen av legeringen. Superlegeringer støpes vanligvis som enkeltkrystaller, og mens korngrenser gir styrke, reduserer de krypemotstanden.
Nikkelbasert superlegering
Nikkelbaserte superlegeringer utgjør i dag mer enn 50 % av vekten til avanserte flymotorer. Nikkelbaserte superlegeringer inkluderer solide løsningsforsterkede legeringer og aldringsherdende legeringer. Aldersherdende legeringer består av en austenittisk (fcc) matrise der koherent utfelte (Al,Ti) intermetalliske forbindelser av Ni er dispergert og har en fcc-struktur. Nikkelbaserte superlegeringer er legeringer med nikkel som hovedlegeringselement. I applikasjonene diskutert tidligere foretrekkes nikkelbaserte superlegeringer som bladmaterialer fremfor kobolt eller jernbaserte superlegeringer. Viktig for nikkelbaserte superlegeringer er deres høye styrke, krypemotstand og korrosjonsmotstand ved høye temperaturer. Turbinblader støpes vanligvis i retningsstivnet form eller i enkeltkrystallform. Enkeltkrystallblader brukes hovedsakelig i den første raden med turbinetrinn.
De ble opprinnelig utviklet for bruk i turboladere med stempelmotorer til fly. I dag er den vanligste bruken i flyturbinkomponenter, som skal tåle alvorlige oksiderende miljøer og høye temperaturer i en rimelig periode. Gjeldende applikasjoner inkluderer:
gassturbin for fly
dampturbinkraftverk
medisinske applikasjoner
Romfartøy og rakettmotorer
Utstyr for varmebehandling
Atomkraftverk
Nikkel er det grunnleggende elementet i superlegeringer, en gruppe nikkel-, jern-nikkel- og koboltlegeringer som brukes i jetmotorer. Disse metallene har utmerket motstand mot termisk krypdeformasjon og opprettholder sin stivhet, styrke, seighet og dimensjonsstabilitet ved temperaturer som er mye høyere enn andre romfartskonstruksjonsmaterialer.
Inconel 718
Generelt er Inconel et registrert varemerke for Special Metals for familien av austenittiske nikkel-krom-baserte superlegeringer. Inconel 718 er en nikkelbasert superlegering med høye styrkeegenskaper og høy temperaturbestandighet. Den viser også betydelig beskyttelse mot korrosjon og oksidasjon. Den høye temperaturstyrken til Inconel økes ved forsterkning av fast oppløsning eller utfellingsherding, avhengig av legeringen. Inconel 718 er sammensatt av 55 % nikkel, 21 % krom, 6 % jern og små mengder mangan, karbon og kobber.
Vanlige bruksområder for superlegeringer er i romfart og noen andre høyteknologiske industrier. Denne høytemperaturlegeringen kombinerer korrosjonsbestandighet med materialstyrke i møte med ekstrem varme og yter godt i kjernekraftindustrien. Noen kjernekraftverk bruker nikkelbaserte superlegeringer for reaktorkjerner, kontrollstaver og lignende komponenter. I kjernekraftindustrien brukes spesielt lavkoboltsuperlegeringer (på grunn av mulig aktivering av kobolt 59). Noen strukturelle komponenter i kjernebrenselsammensetninger, for eksempel topp- og bunndyser, kan lages av superlegeringer som Inconel. Avstandsgitteret er vanligvis laget av et korrosjonsbestandig materiale med lavt termisk nøytronabsorpsjonstverrsnitt, vanligvis zirkoniumlegering (~0.18 × 10 –24 cm2). Det første og siste avstandsgitteret kan også lages av lav-kobolt Inconel, en superlegering ideell for bruk i ekstreme miljøer som tåler trykk og varme.
termisk krypning
Kryp, også kjent som kald flyt, er permanent deformasjon som øker over tid under konstant belastning eller stress. Det er forårsaket av langvarig eksponering for store ytre mekaniske påkjenninger som fører til flytegrensen, og er mer alvorlig i materialer som har vært oppvarmet i lange perioder. Deformasjonshastigheten er en funksjon av materialegenskaper, eksponeringstid, eksponeringstemperatur og påførte strukturelle belastninger. Kryp er et svært viktig fenomen hvis vi bruker materialer ved høye temperaturer. Kryp er svært viktig i kraftindustrien og er av høyeste betydning i design av jetmotorer. For mange krypsituasjoner med relativt kort levetid (som turbinblader i militærfly), er tid til brudd en viktig designhensyn. Selvfølgelig, for å bestemme det, må krypetester utføres til punktet feil; disse kalles krypbruddstester.
Krypemotstanden til et materiale påvirkes av mange faktorer som diffusivitet, utfellinger og kornstørrelse. Generelt sett er det tre generelle metoder for å forhindre metallkryp. En metode er å bruke et metall med høyere smeltepunkt, en annen metode er å bruke et materiale med større kornstørrelse, og en tredje metode er å bruke legering. Kroppssentrerte kubiske (BCC) metaller har dårlig krypemotstand ved høye temperaturer. Som et resultat kan superlegeringer basert på Co, Ni og Fe, typisk flatesentrerte kubiske austenittiske legeringer, konstrueres med høy krypemotstand og har derfor blitt ideelle materialer i høytemperaturmiljøer.
spenningskorrosjon sprekker
Et av de mest alvorlige metallurgiske problemene og en av hovedproblemene i atomindustrien er spenningskorrosjonssprekker (SCC). Spenningskorrosjonssprekker er resultatet av en kombinasjon av påført strekkspenning og et korrosivt miljø, som begge er nødvendige. SCC er en slags intergranulær korrosjonskorrosjon som oppstår ved korngrenser under påvirkning av strekkspenning. Lavlegerte stål er mindre følsomme enn høylegerte stål, men de er følsomme for SCC i vann som inneholder kloridioner. Imidlertid påvirkes ikke nikkelbaserte legeringer av klorid- eller hydroksidioner. Et eksempel på en nikkelbasert legering som er motstandsdyktig mot spenningskorrosjon er Inconel.
Egenskaper til høytemperaturlegeringer – Inconel 718
Materialegenskaper er intensive egenskaper, som betyr at de er uavhengige av masse og kan variere fra sted til sted i systemet til enhver tid. Det grunnleggende innen materialvitenskap innebærer å studere strukturen til materialer og relatere dem til deres egenskaper (mekaniske, elektriske, etc.). Når materialforskere forstår denne struktur-egenskapskorrelasjonen, kan de gå videre til å studere den relative ytelsen til materialer i en gitt applikasjon. De viktigste determinantene for et materiales struktur og dets egenskaper er dets kjemiske elementer og måten det behandles på til sin endelige form.
Mekaniske egenskaper til høytemperaturlegeringer – Inconel 718
Materialer velges ofte for ulike bruksområder fordi de har en ideell kombinasjon av mekaniske egenskaper. For strukturelle applikasjoner er materialegenskaper kritiske og ingeniører må ta hensyn til dem.
Styrken til superlegeringer – Inconel 718
I materialmekanikk er styrken til et materiale dets evne til å motstå en påført belastning uten svikt eller plastisk deformasjon. Styrken til et materiale tar i utgangspunktet hensyn til forholdet mellom den ytre belastningen som utøves på materialet og deformasjonen eller endringen i materialets dimensjoner. Styrken til et materiale er dets evne til å motstå denne påførte belastningen uten svikt eller plastisk deformasjon.
maksimal strekkfasthet
Den ultimate strekkfastheten til superlegeringen - Inconel 718 avhenger av varmebehandlingsprosessen, men er omtrent 1200 MPa.
Ultimativ strekkfasthet er den maksimale verdien på den tekniske spennings-tøyningskurven. Dette tilsvarer den maksimale spenningen som kan støttes av strukturen i strekk. Ultimativ strekkstyrke blir ofte referert til som "strekkstyrke" eller til og med ganske enkelt "ultimat". Hvis denne spenningen påføres og opprettholdes, kan det forårsake brudd. Vanligvis er denne verdien betydelig høyere enn flytespenningen (50 til 60 prosent høyere enn flytegrensen for noen typer metaller). Når et duktilt materiale når sin ultimate styrke, vil det halse seg ned der tverrsnittsarealet minker lokalt. Spennings-tøyningskurven inkluderer ikke spenninger over sluttstyrken. Selv om deformasjoner kan fortsette å øke, avtar vanligvis spenninger etter at maksimal styrke er nådd. Dette er en tett eiendom; verdien avhenger derfor ikke av størrelsen på prøven. Det avhenger imidlertid av andre faktorer som forberedelsen av prøven, testmiljøet og materialets temperatur. Den ultimate strekkfastheten varierer fra 50 MPa for aluminium til opptil 3000 MPa for ultra-høyfast stål.
Strekkgrense
Flytegrensen til superlegeringen - Inconel 718 avhenger av varmebehandlingsprosessen, men er omtrent 1030 MPa.
Flytegrensen er punktet på spennings-tøyningskurven som indikerer grensen for elastisk oppførsel og begynnelsen av plastisk oppførsel. Flytegrense eller flytespenning er en materialegenskap definert som spenningen der materialet begynner å deformeres plastisk, mens flytegrensen er punktet der ikke-lineær (elastisk + plastisk) deformasjon begynner. Før flytegrensen vil materialet deformeres elastisk og gå tilbake til sin opprinnelige form når den påførte spenningen fjernes. Når flytegrensen er overskredet, vil noe av deformasjonen være permanent og irreversibel. Noen stål og andre materialer viser en oppførsel som kalles flytegrensefenomen. Flytegrenser varierer fra 35 MPa for lavfast aluminium til mer enn 1400 MPa for ultrahøyfast stål.
Youngs elastisitetsmodul
Youngs elastisitetsmodul for superlegeringen - Inconel 718 er 200 GPa.
Youngs elastisitetsmodul er elastisitetsmodulen under strekk- og trykkspenninger i den lineære elastiske tilstanden av enakset deformasjon og blir vanligvis evaluert ved strekktester. Når sluttspenningen er nådd, vil objektet kunne gjenvinne sine dimensjoner når lasten fjernes. Den påførte spenningen får atomene i krystallen til å bevege seg fra sine likevektsposisjoner. Alle atomer er fortrengt med samme mengde, men opprettholder fortsatt sin relative geometri. Når spenningen fjernes, går alle atomer tilbake til sine opprinnelige posisjoner og det oppstår ingen permanent deformasjon. I følge Hookes lov er spenning proporsjonal med tøyning (i det elastiske området) og helningen er Youngs modul. Youngs modul er lik lengdespenning delt på tøyning.
Hardhet av superlegering – Inconel 718
Brinell-hardheten til superlegeringen – Inconel 718 avhenger av varmebehandlingsprosessen, men er omtrent 330 MPa.
I materialvitenskap er hardhet evnen til å motstå overflateinnrykk (lokalisert plastisk deformasjon) og riper. Hardhet er kanskje den minst veldefinerte materialegenskapen, da den kan representere motstand mot riper, slitasje, innrykk eller til og med motstand mot forming eller lokal plastisk deformasjon. Fra et ingeniørperspektiv er hardhet viktig fordi slitestyrken mot friksjon eller angrep av damp, olje og vann generelt øker med økende hardhet.
Brinell hardhetstest er en av innrykk hardhetstestene som er utviklet for hardhetstesting. I Brinell-testen presses en hard sfærisk indenter inn i metalloverflaten som skal testes under en bestemt belastning. Typisk testing bruker en herdet stålkule med en diameter på 10 mm (0,39 in) som innrykk med en kraft på 3,000 kgf (29,42 kN; 6614 lb). Belastningen forblir konstant i en spesifisert tid (mellom 10 og 30 sekunder). For mykere materialer, bruk mindre kraft; for hardere materialer, bruk wolframkarbidkuler i stedet for stålkuler.
Denne testen gir numeriske resultater for å kvantifisere hardheten til et materiale, uttrykt som Brinell Hardness Number - HB. Brinell-hardhetsverdier er betegnet HBW av de mest brukte teststandardene (ASTM E10-14[2] og ISO 6506–1:2005) (H fra hardhet, B fra Brinell-hardhet og W fra indenteringsmaterialet wolfram ( wolfram) karbid ting). I tidligere standarder ble HB eller HBS brukt for å referere til målinger gjort med stålinnrykk.
Brinell hardhetstall (HB) er belastningen delt på overflatearealet til fordypningen. Diameteren på avtrykket måles ved hjelp av et mikroskop med en overliggende skala. Brinell-hardhetsverdien beregnes ved hjelp av følgende formel:
Det er flere ofte brukte testmetoder (som Brinell, Knoop, Vickers og Rockwell). Det er tilgjengelige tabeller som korrelerer hardhetsverdier fra forskjellige testmetoder der korrelasjon er aktuelt. I alle skalaer representerer høye hardhetsverdier harde metaller.
Termiske egenskaper til høytemperaturlegeringer – Inconel 718
Termiske egenskaper til et materiale refererer til dets respons på endringer i temperatur og påføring av varme. Når et fast stoff absorberer energi i form av varme, øker temperaturen og størrelsen øker. Men forskjellige materialer reagerer ulikt på oppvarming.
Varmekapasitet, termisk ekspansjon og termisk ledningsevne er egenskaper som ofte er kritiske ved praktisk bruk av faste stoffer.
Smeltepunkt for høytemperaturlegering – Inconel 718
Smeltepunkt for superlegeringer – Inconel 718 stål har et smeltepunkt på omtrent 1400 grader.
Generelt er smelting faseendringen av et stoff fra fast til flytende fase. Smeltepunktet til et stoff er temperaturen som denne faseendringen skjer ved. Smeltepunkt definerer også forholdene under hvilke faste stoffer og væsker kan eksistere i likevekt.
Termisk ledningsevne av høytemperaturlegeringer - Inconel 718
Høytemperaturlegering - Inconel 718 har en termisk ledningsevne på 6,5 W/(mK).
Varmeoverføringsegenskapene til faste materialer måles ved en egenskap kalt termisk ledningsevne k (eller λ), i enheter av W/mK. Det er et mål på et stoffs evne til å overføre varme gjennom et materiale gjennom ledning. Merk at Fouriers lov gjelder for all materie uavhengig av dens tilstand (fast, flytende eller gass), så den gjelder også for væsker og gasser.
