Nickellegierungen werden anhand ihrer Zusammensetzung, Eigenschaften und Anwendungen kategorisiert. Die Haupttypen umfassen:
Nickel-Eisen-Legierungen: Enthalten 30–70% Nickel mit Eisen als sekundäres Element, häufig mit Ergänzungen wie Chrom, Molybdän oder Kupfer. Beispiele sind invar (64% Ni, 36% Fe), bekannt für niedrige thermische Expansion, und Perminalloy (78% Ni, 22% Fe), die in magnetischen Anwendungen verwendet werden.
Nickel-Kupper-Legierungen: In der Regel aus 60–70% Nickel und 20–30% Kupfer mit kleineren Elementen wie Eisen oder Mangan. Monel 400 (67% Ni, 30% Cu) ist ein erstklassiges Beispiel für die Korrosionsresistenz in marinen und chemischen Umgebungen.
Nickel-Chrom-Legierungen: Verfügen über ein hohes Chrom (10–30%) zur Oxidationsresistenz mit Nickel als Basis. Inconel 600 (76% Ni, 16% CR, 8% Fe) wird in hohem Temperatureinstellungen wie Öfen und Wärmetauschern häufig verwendet.
Nickel-Molybdän-Legierungen: Reich an Molybdän (15–30%), um Korrosion durch Säuren (z. B. Salzsäure) zu widerstehen. Hastelloy B-2 (62% Ni, 28% MO) ist ein zentrales Beispiel bei der chemischen Verarbeitung.
Nickel-Chrom-Molybdän-Legierungen: Kombinieren Sie Chrom und Molybdän für ausgewogene Oxidation und Korrosionsresistenz. Hastelloy C-276 (57% Ni, 16% CR, 16% MO) zeichnet harte Umgebungen wie chloridreiche Lösungen aus.
Nickel-Titan-Legierungen (Form-Memory-Legierungen): Wie Nitinol (55% NI, 45% TI), die Form-Memory-Effekte und Superelastizität aufweisen, die in medizinischen Geräten (Stents) und Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet werden.
Nickel -Superlegierungen: Hochleistungslegierungen mit Nickel als Basis (30–70%), verstärkt durch Elemente wie Chrom, Kobalt, Aluminium und Titan für extreme Hochtemperaturstärke. Beispiele sind Inconel 718 und Einzelkristalllegierungen wie CMSX-4.
Die magnetischen Eigenschaften von Nickel -Superlegierungen hängen von ihrer Zusammensetzung ab, insbesondere von den Nickelgehalt und den Legierungselementen.
Nickel selbst ist ferromagnetisch(von Magneten angezogen) bei Raumtemperatur. Viele Nickel -Superlegierungen sind jedochnichtmagnetisch oder schwach magnetischaufgrund von legierten Ergänzungen, die die ferromagnetische Ordnung stören.
Zum Beispiel:
Inconel 718, das ~ 52% Ni zusammen mit Chrom, Niob und Molybdän enthält, ist in seinem geglühten oder gealterten Zustand im Allgemeinen nichtmagnetisch.
Alloys with higher nickel content (e.g., >80%) können schwacher Ferromagnetismus behalten, dies ist jedoch bei Superalloys selten, wo Chrom- und andere Elemente das Magnetverhalten häufig unterdrücken.
Der Hauptgrund ist, dass Elemente wie Chrom, Molybdän und Kobalt die ferromagnetische Curie-Temperatur von Nickel reduzieren können, wodurch die Legierungen bei Raumtemperatur nichtmagnetisch sind. Diese Eigenschaft ist in Luft- und Raumfahrt- und elektrischen Anwendungen vorteilhaft, bei denen magnetische Interferenzen minimiert werden müssen.
Carbide sind wichtige Ausfälle in Nickel -Superlegierungen, die durch Kohlenstoffreaktion mit refraktären Metallen gebildet werden. Sie verbessern Hochtemperaturstärke, Kriechwiderstand und Korngrenzstabilität. Gemeinsame Carbide sind:
MC Carbides: Kubikcarbide mit einer NaCl-Typ-Struktur, wobei "m" Metalle wie Titan (TIC), Tantalum (TAC), Niobium (NBC) oder Hafnium (HFC) darstellt. Diese bilden sich während der Verfestigung und werden häufig als diskrete Partikel gefunden, wodurch die Matrix verstärkt und das Kornwachstum hemmt.
M₂₃c₆ Carbide: Komplexe Carbide (z. B. Cr₂₃c₆, (Cr, MO) ₂₃c₆), die an Korngrenzen ausfallen. Sie verbessern die Korngrenzfestigkeit und reduzieren das intergranuläre Riss unter hohem Temperaturstress. Chrom ist das Primärmetall in M₂₃C₆, wobei in einigen Fällen Molybdän oder Wolfram ersetzen.
M₆C Carbide: Sechseckige oder kubische Carbide (z. B. (MO, W, Ni) ₆C), die bei Zwischentemperaturen bilden. Sie werden oft in Legierungen gefunden, die reich an Molybdän oder Wolfram (z. B. Hastelloy X) sind, und tragen zu Kriechwiderstand durch, indem sie Versetzungen festlegen.
M₇c₃ Carbide: Weniger verbreitet, aber in einigen Legierungen beobachtet, können diese Carbide (z. B. Cr₇c₃) während der Wärmebehandlung bilden und bei höheren Temperaturen in M₂₃C₆ verwandeln.
Die Verteilung und Art der Carbide werden durch Wärmebehandlung gesteuert, um optimale mechanische Eigenschaften für den Hochtemperaturservice zu gewährleisten.
Auf nickelbasierte Superlegierungen weisen im Vergleich zu Metallen wie Kupfer oder Aluminium eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit auf, eine Eigenschaft, die Wärmeerhalte und strukturelle Integrität in Hochtemperaturanwendungen ausgleichen.
Typische Werte: Die thermische Leitfähigkeit reicht von10 bis 25 w/(m · k)Bei Raumtemperatur sinken bei erhöhten Temperaturen leicht. Zum Beispiel:
Inconel 718: ~ 11 W/(M · k) bei 20 Grad, ~ 16 W/(M · k) bei 800 Grad.
CMSX-4 (Einzelkristall-Superalloy): ~ 12 W/(M · k) bei 20 Grad, ~ 18 W/(M · k) bei 1.000 Grad.
Hastelloy x: ~ 14 w/(m · k) bei 20 Grad, ~ 20 W/(M · k) bei 800 Grad.
Faktoren, die die Leitfähigkeit beeinflussen: Legierungselemente (z. B. Molybdän und Wolfram verringern die Leitfähigkeit), mikrostrukturelle Merkmale (z. B. Ausfälle von Streuungsphononen, Senkung des thermischen Transports) und die Temperatur (Leitfähigkeit steigt mit der Temperatur aufgrund der erhöhten Phononbewegung geringfügig an).
Technische Bedeutung: Niedrige thermische Leitfähigkeit hilft dabei, Wärme in heißen Turbinen zu erhalten, die thermischen Gradienten zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern. Es minimiert auch die Wärmeübertragung auf kühlere Komponenten und schützt sie vor Überhitzung.
In der Luft- und Raumfahrt auf Nickelbasis sind Superalloys aufgrund ihrer Fähigkeit, extremen Temperaturen, mechanischer Stress und Korrosion standzuhalten. Zu den wichtigsten Legierungen und deren Anwendungen gehören:
Inconel 718:
Zusammensetzung: ~ 52% Ni, 19% Cr, 18,5% Fe, 5% NB, 3% MO, 1% TI, 0,6% Al.
Anwendungen: Turbinenscheiben, Klingen und Gehäuse in Jet-Motoren (z. B. Turbinen mit niedrigem Druck) und Raketenmotoren. Die hervorragende Schweißbarkeit und hohe Festigkeit bei 650 bis 700 Grad machen es für strukturelle Komponenten vielseitig.
Inconel 625:
Zusammensetzung: ~ 61% Ni, 21,5% Cr, 9% MO, 3,6% NB, 2,5% Fe.
Anwendungen: Verbrennungskammern, Abgassysteme und Geräte. Seine überlegene Oxidationsresistenz (bis zu 1.093 Grad) und die korrosionsbesiedlige Anklage wegen härter Motorumgebungen.
Waspaloy:
Zusammensetzung: ~ 58% Ni, 19% Cr, 13% Co, 4,3% MO, 3% Ti, 1,4% Al.
Anwendungen: Hochdruck-Turbinenscheiben und Klingen in militärischen und kommerziellen Jet-Motoren. Es bietet einen hervorragenden Kriechwiderstand bei 760–815 Grad.
Einzelkristall-Superlegierungen (z. B. CMSX-4, PWA 1484):
Zusammensetzung: ~ 60–65% NI, 10–20% Cr, 5–10% CO, 5–8% Al, 5–10% W, mit TA-, Ti- oder RE -Additionen.
Anwendungen: Hochdruckturbinenklingen in fortschrittlichen Jet-Motoren (z. B. Boeing 787, Airbus A350). Ihre Einzelkristallstruktur beseitigt Korngrenzen, verringert das Kriechen drastisch und verbessert die Festigkeit bei 1.000 bis 1.100 Grad.
Haynes 282:
Zusammensetzung: ~ 57% Ni, 20% Cr, 10% CO, 8,5% MO, 2,1% TI, 1,5% Al.
Anwendungen: Turbinenscheiben und -hülsen in Motoren der nächsten Generation. Es kombiniert Hochtemperaturstärke mit einer verbesserten Fabrikbarkeit im Vergleich zu älteren Legierungen.
Diese Legierungen ermöglichen es Luft- und Raumfahrtmotoren, bei höheren Temperaturen zu operieren, wodurch die Kraftstoffeffizienz und das Schub erhöht und gleichzeitig eine langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet werden.
