Superslitiny (Superalloys)

Superslitiny (Superalloys) • slitiny pro použití při teplotách nad 540 °C. • struktura matrice KPC (fcc) • horní mez pro teplotu použití je dána rozpouštění zpevňující fáze a počátkem tavení matrice rozdělení superslitin : • na bázi Fe-Ni • na bázi Co • na bázi Ni • na bázi Ir a Rh

(hustota 7,9-8,3.103 kg/m3) (hustota 8,3-9,4.103 kg/m3) (hustota 7,8-8,9.103 kg/m3) (hustota 8,5-12,4.103 kg/m3)

(nová generace)

Typické materiály součástí motoru

2009-10 Losertová Monika VŠB-TUO, sylaby přednášek Slitiny nž kovů pro automobilový průmysl

Další aplikace • Součásti turbodmýchadla, • Flexibilní spojky výfukové soustavy, • Spojovací prvky, • Lambda sonda systému regulace emisí, • Elektrody v zapalovacích svíčkách, • Přepouštěcí ventily, • Výfukové ventily. Turbína v turbodmýchadle Boyce, Meherwan P.: Gas turbine engineering handbook, 2006, Elsevier Inc.


Turbína v turbodmychadle a v kompresoru

Hiroshi Yamagata.: The science and technology of materials in automotive engines Woodhead Publishing Limited, 2005.


Složení slitin používaných pro nasávací a výfukovou soustavu

Tab. Složení litých slitin používaných pro turbodmychadlo


Složení slitin používaných pro nasávací a výfukovou soustavu

Základní vlastnosti superslitin:  hustota slitin : ovlivněna příměsovými prvky:

Al, Ti, Cr (snižují) W, Re, Ta (zvyšují)

 korozní vlastnosti: ovlivněny příměsovými prvky a prostředím  modul elasticity :

polykrystalické

172-241 GPa

po směrové krystalizaci

124-310 GPa

 elektrická a tepelná vodivost, tepelná roztažnost závisí na přechodových kovech a na přítomnosti vysokotavitelných kovů, je spíše nižší ve srovnání s ostatními kovovými soustavami.  relativně dobrá tvařitelnost, u Co superslitin je však nižší

Zpracování Při vhodném složení -

tváření, kováním, válcování na plechy, lisování

Vysokopevnostní - odlévání; spojování svařováním nebo pájením na tvrdo


Obsahy základních prvků v superslitinách a) na bázi Fe-Ni Prvek

Ni

Fe

Ti

Al

Mo

Co

Cr

Nb

W

C

hm.%

9-44

29-67

0-3

0,3-1

0-3

0-20

0-25

0-5

0-2,5

<0,35

b) na bázi Co Prvek

Co

Ni

Ti

Al

Mo

Fe

Cr

Nb

W

C

hm.%

do 62

0-35

0-3

0-0,2

0-10

0-21

19-30

0-4

0-15

0-1

c) na bázi Ni Prvek

Ni

Ti

Al

Mo

Co

Cr

Nb

W

C

hm.%

37-79,5

0-5

0-6

0-28

0-20

5-22

0-5,1

0-15

<0,30

+ další prvky např. Zr, La, Mn, Si, Cu, B, Ce, Mg, V, Ta, Hf

Struktura superslitin Struktura superslitin a přítomné fáze - austenitická KPC matrice - další sekundární fáze:

- tuhý roztok příměsí v Ni

karbidy : MC, M23C6, M6C a M7C3 ´- Ni3(Al,Ti) - struktura L12 (KPC) ´´- Ni3Nb - struktura D022 (tetragonální prostorově centrovaná) - Ni3Ti - struktura D024 (hexagonální uspořádaná) – Ni3Nb - struktura ortorombická


Zpevnění superslitin Zpevnění superslitin na bázi Fe a Ni legující prvky zpevnění tuhým roztokem precipitací fází ´ a ´´ působí na vznik karbidů. Příspěvek karbidů ke zpevnění: přímo (disperzní zpevnění), nepřímo (stabilizují hranice tvářených slitin).

zrn

proti

nadměrnému

smyku

u

fáze a - důležité při řízení struktury tvářených superslitin během jejich výroby. - ke zpevnění mohou rovněž přispívat legující prvky: B, Zr a Hf. Zpevnění superslitin na bázi Co - zajištěno rozpuštěnými prvky (zpevnění tuhým roztokem) a karbidy

Ni superslitiny austenitické slitiny zpevněné účinkem disperzně vyloučené fáze legovány na bázi Ni-Cr ( ochranný povlak oxidu Cr ) další legury : Co, Fe, W, V, Nb, Ta, B, Zr, Mg, Ti, Mo VLASTNOSTI :

[ Ni3(Al,Ti)]

- vysoká pevnost i za vysokých teplot - korozní odolnost - odolnost proti creepu

PRINCIP : - vysoká strukturní stabilita Ni slitin souvisí s vysokým zaplněním orbitu 3d elektrony u Ni - za spolupůsobení Cr => omezení difúze atomů kovu ze slitiny a difúze O a S dovnitř objemu slitiny - zpevnění matrice - legujícími příměsemi - stabilita

do vysokých teplot

- vyloučení karbidických fází na hranicích a vlastnosti hranic zrn 2009-10 Losertová Monika VŠB-TUO, sylaby přednášek Slitiny nž kovů pro automobilový průmysl

50-70 hm.% Ni, 15-20 hm.% Cr, + Ti, Al, Mo, Co, Nb, Zr, V…… Vlastnosti : zachovávají dobré mechanické vlastnosti (pevnost) a odolnost vůči oxidaci až do vysokých teplot, dobrá korozní odolnost, odolnost vůči creepu (zpevnění sekundární fází) Příklady : Inconel 718, Inconel 600, Inconel X-750, Inconel 625 Haynes 230, Haynes 625, Hastelloy S, Hastelloy X, Waspaloy Nimonic 75, Nimonic 90 Použití : součásti automobilových motorů, v jaderné energetice (reaktory, čerpadla, ..), nádoby pro chemický průmysl, tlakové nádoby, ochranná pouzdra termočlánků, letectví, reaktivní motory, spalovací systémy, námořní konstrukce, součásti pecních systémů, …

‘

Binární diagram Ni-Al V levé části se pohybuje složení superslitin, je třeba uvažovat ale vliv dalších legujících prvků na rozpustnost hliníku – posouvají křivku rozpustnosti k nižším koncentracím Al

Vliv prvků na strukturu a vlastnosti superslitin


Mikrostruktura superslitin - morfologie fáze '

kulová

kubická


Mikrostruktura superslitin - karbidy


Mikrostruktura fáze karbidy

Roger C. Reed: The Superalloys. Fundamentals and Applications. Cambridge University Press. 2006

IRA diagram pro superslitinu Inconel IN 718

Teplota °C

vyloučení jednotlivých fází závisí na rychlosti ochlazování a na teplotě, ze které se ochlazování provádí

čas (h) 2009-10 Losertová Monika VŠB-TUO, sylaby přednášek Slitiny nž kovů pro automobilový průmysl

Zpevnění superslitin zpevnění tuhým roztokem – substituční prvky rozpuštěné v tuhém roztoku precipitační zpevnění fází ‘ – precipitáty působí jako účinná překážka pro pohyb dislokací (ty musí překážku buď protnout nebo obejít) tuhý roztok – mřížka KPC

precipitační zpevnění karbidy

fáze ‘ – vysoce uspořádaná struktura KPC – supermřížka L12

V supermřížce L12 – při protnutí precipitátu se dislokace může rozštěpit na dvě a více parciálních dislokací, mezi nimiž vznikají vrstevné chyby (komplexní vrstevná chyba CSF, antifázová hranice APB, intrinsická vrstevná chyba supermřížky SISF nebo extrinsická vrstevná chyba supermřížky SESF), pohyb takového komplexu dislokací a vrstevných chyb je velmi omezen, tím dochází ke zpevnění (zvýšení meze kluzu)


Zpevnění superslitin


Závislost pevnosti do lomu na teplotě u vybraných SA


Tabulka hodnot mechanických vlastností vybraných superslitin v závislosti na teplotě

Obr. Teplotní závislost napětí pro zpevnění u vybraných superslitin: a) tvářené a b) odlévané. 2009-10 Losertová Monika VŠB-TUO, sylaby přednášek Slitiny nž kovů pro automobilový průmysl

Mikrostruktura

Roger C. Reed: The Superalloys. Fundamentals and Applications. Cambridge University Press. 2006


Mikrostruktura - změny v mikrostruktuře po dlouhodobém tepelném zpracování nebo po dlouhodobé tepelné expozici

Změny v mikrostruktuře působí na změny mechanických vlastností za vysokých teplot – na odolnost proti creepu


Vliv TZ na velikost precipitátů – vliv rychlosti ochlazování

a)

Dodaný stav po TZ

b)

Rozpouštěcí žíhání 5 min, 1300°C + rychlost ochlazování 0,17 K/s

c)

Rozpouštěcí žíhání 5 min, 1300°C + rychlost ochlazování 1 K/s

d)


e)


f)

Rozpouštěcí žíhání 5 min, 1300°C + kalení do vody


Cantilevered Beam Creep Test

Furnace Temperature: 1090 C Time in Furnace: 100 Hours Maximum Bending Stress: 5,5 MPa Creep deformation is an important contributing factor to the distortion of many high temperature components. The cantilevered beam test provides visual demonstration of creep deformation. The alloys tested were allowed to deform under their own weight in a 1095°C furnace for 100 hours. The maximum bending stresses for the 3 mm sheet products were calculated to be 5,5 MPa. Only the HR-120 alloy was capable of carrying its own weight!


Svarové spoje Ni-superslitin (Soustavy 70%Ni-Al-(Cr-Ta-W-Co), uspořádaná intermetalická fáze fcc L12) letecké motory jsou tvořeny různými typy materiálů, které jsou k sobě připojeny svarem, v okolí tohoto svaru vzniká tepelně ovlivněná oblast, ve které při vysokých teplotách probíhá difuze (difuzně ovlivněná zóna)

Simulace procesů a experimentální studium vlastností Experimentalní a simulovaná redistribuce složek a fází po teplotní expozici 1200ºC/100h.

při vysokých teplotách probíhá ve spoji difuze, dochází k přerozdělení prvků a ke vzniku vakancí, které postupem času se mohou spojovat a vytvářet tzv. Kirkendallovy póry, které mohou vést až k porušení (prasknutí) svaru.

J. Sopoušek, P. Brož, J. Buršík: Theoretical and experimental study of alloying element redistributions in Ni-based welded joints at 1200ºC and 1000ºC 2009-10 Losertová Monika VŠB-TUO, sylaby přednášek Slitiny nž kovů pro automobilový průmysl

Niklové superslitiny – směry výzkumu

letecký průmysl  energetika 

-

mikrostrukturní stabilita !

stabilita fázových a pevnostních vlastností při zvýšených a vysokých teplotách ! -

odhady životnosti technologických zařízení – turbíny elektráren, chemické a jaderné reaktory, svary! -


Niklové superslitiny – vybrané vlastnosti u vybraných superslitin v závislosti na teplotě aplikace – pokles hodnot! 450 425

Tvrdost HV

400 IN792-5A

375

IN738LC

IN713LC

350 325 300 275 250 0

2000

4000 6000 8000 Doba žíhání [h]

10000

1000 IN792-5A

Pevnost v tahu [MPa]

900

IN713LC

800

IN738LC

700 600 500 0

2000

4000 6000 8000 Doba žíhání [h]


10000

Porovnání napěťových závislostí doby do lomu studovaných slitin při teplotě 850 C

1000

[MPa]

500

NAPĚTÍ

850°C

300

400

200

100

IN 713 LC IN 738 LC IN 792-5A

1

10

100

1000

10000

DOBA DO LOMU t [h] f

Obr.8. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu 500 studovaných slitin při teplotě 850°C

900°C

NAPĚTÍ

[MPa]

400

300

200

IN 713 LC IN 738 LC IN 792-5A 100

1

10

100

1000

10000

DOBA DO LOMU t [h] f

Obr.9. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu studovaných slitin při nž teplotě 2009-10 Losertová Monika VŠB-TUO, sylaby přednášek Slitiny kovů pro900°C automobilový průmysl

Superslitiny (Superalloys)

Recommend Documents