Представлені тут сплави важко розділити на подальші підкатегорії через унікальні властивості нікелю. Його сплави є надзвичайно універсальними і зазвичай мають більше одного застосування, причому багато з цих застосувань обумовлені саме цією універсальністю.

Наприклад, неможливо провести чітке розмежування між сплавами, стійкими до корозії, викликаної агресивним середовищем, і сплавами, стійкими до корозії, викликаної підвищеним окисленням при високій температурі. А в хімічній промисловості використовується арматура з нікелевих сплавів саме тому, що обидві ці характеристики присутні одночасно.

Аналогічним чином, в даний час не існує суворих критеріїв для поділу сплавів і суперсплавів на жароміцні і жаростійкі.

Це призводить до того, що деякі сплави відносяться до різних груп, хоча насправді вони дуже схожі один на одного.

Звичайно, окремі сплави можуть бути спроектовані з урахуванням конкретних потреб і в жодному разі не є ідентичними один одному.

Наприклад, Hastelloy N може використовуватися як корозійно-стійкий, жароміцний або жаростійкий суперсплав. Однак він має одну відмінну особливість, а саме чудову стійкість до впливу гарячих солей фтористоводневої кислоти.

Окремою категорією є суперсплави, головною особливістю яких є жароміцність.

Всі сплави, що містяться тут, є корозійно-стійкими, жароміцними та/або жаростійкими.

Використання корозійно-стійких та/або жароміцних нікелевих сплавів

Нікелеві сплави, зазначені в цій категорії, знаходять застосування, зокрема, в таких галузях промисловості:

В енергетиці з них виготовляють лопатки, сопла і міжступеневі перегрівачі парових турбін.
В автомобільній промисловості з них виробляють турбокомпресори, свічки запалювання, випускні клапани для поршневих двигунів.
Їх жароміцність знаходить застосування на підприємствах з переробки металів, де з них виготовляють інструменти та матриці для роботи в гарячому стані, муфти печей, стрічки конвеєрів, кошики та інше обладнання для термообробки.
Вони широко використовуються в авіації, де з них виготовляють елементи газових турбін, в тому числі сопла, диски, камери згоряння, вихлопні системи, лопатки, форсажні камери, тягові реверси і корпуси.
У стоматологічній медицині вони входять, серед іншого, до складу протезів і інструментів.
У космонавтиці вони використовуються для виготовлення елементів ракетних двигунів і покриттів.
У хімічній і нафтохімічній промисловості, а також у паперовій промисловості з нього виробляють елементи широко розуміється арматури (хлоратори, труби, насоси, резервуари, вентилятори).

Легуючі добавки сплавів нікелю і суперсплавів

Сплави нікелю значно різняться за складом. До цієї групи входять продукти з практично чистого нікелю і складні сплави, що містять 10 і більше легуючих добавок.

Який вплив на вміст нікелю можуть мати окремі добавки?

Титан – Стабілізує фазу γ. Компонент сегрегаційного зміцнення. Утворює інтерметалеву фазу γ’, але викликає утворення карбідів, нестабільних при відпалі або тривалій роботі при високій температурі.
Тантал – Стабілізує фазу γ. Утворює інтерметалеву фазу γ’, але викликає утворення карбідів, нестабільних при відпалі або тривалій роботі при високій температурі.
Залізо – Дешевше за нікель і може певною мірою замінювати його, в тому числі в жароміцних сплавах, при цьому знижуючи жаростійкість. Може додаватися для отримання заданої теплової розширюваності сплаву. Майже повний.
Хром – Підвищує стійкість до окислення при високих температурах, зміцнює матрицю сплаву і покращує механічні властивості. Є основним легуючим елементом в плані протидії газовій корозії. Практично всі суперсплави містять хром.
Титан – Стабілізує фазу γ. Утворює інтерметалічну фазу γ' і викликає утворення карбідів. Схоже, що більш високий вміст титану в сплаві також позитивно впливає на стійкість непокритих суперсплавів до газової корозії. Компонент сегрегаційного зміцнення.
Алюміній – Підвищує стійкість до окислення і сульфідації, а також впливає на утворення зміцнюючих інтерметалевих фаз γ' (часто в поєднанні з титаном). Підвищує стійкість до високотемпературної корозії, а також, мабуть, до газової корозії непокритих суперсплавів.
Бор – У низьких концентраціях підвищує жароміцність, впливаючи на морфологію меж зерен. Застосовується в основному для нікелевих і залізонікелевих суперсплавів.
Цирконій – У низьких концентраціях підвищує жароміцність і знижує крихкість при високих температурах, впливаючи на морфологію виділень на меж зерен. Застосовується в основному для нікелевих і залізонікелевих суперсплавів.
Гафній – У низьких концентраціях підвищує жаростійкість і знижує крихкість при високих температурах, впливаючи на морфологію виділень на межах зерен. Не застосовується до суперсплавів кобальту.
Залізо – Підсилює розчин, стійкий в суперсплавах нікелю. Знижує жаростійкість. Практично повністю розчиняється з нікелем.
Кобальт – Підвищує жаростійкість, сприятливо впливає на твердий розчин γ, знижує розчинність в матриці алюмінію і титану. Як добавка в нікелевих суперсплавах підвищує температуру плавлення γ' і стійкість до сульфідації.
Ітрій – Підвищує стійкість до газової корозії в суперсплавах заліза і нікелю. Підвищує стійкість до високотемпературного окислення в суперсплавах нікелю.
Лантан – Має подібну дію з ітрієм.
Церій – У низьких концентраціях підвищує термостійкість нікелевих суперсплавів, зменшуючи окислення при високих температурах.
Ванадій – утворює фазу γ’, але викликає утворення карбідів, нестабільних при відпалі або тривалій роботі при високій температурі.
Ніобій – Зміцнює розчин кобальтових сплавів. Компонент сегрегаційного зміцнення нікелевих сплавів. Утворює інтерметалеву фазу γ’, але викликає утворення карбідів, нестабільних при відпалі або тривалій роботі при високій температурі.
Тантал – Стабілізує фазу γ. Для нікелевих суперсплавів: підвищує жароміцність, утворює інтерметалеву фазу γ' і викликає утворення карбідів, нестабільних при відпалі або тривалій роботі при високій температурі.
Молібден – Підсилює стабільність розчину γ. Викликає утворення карбідів.
Вольфрам – Зміцнює твердий розчин. Викликає утворення карбідів.
Марганець – Небажаний компонент.
Нікель – Зміцнює матрицю суперсплавів заліза і кобальту.
Вугілля – Впливає на морфологію меж зерен нікелевих суперсплавів.
Кремній – Підвищує стійкість до сульфідації.
Родій – Зміцнює розчин нікелевих сплавів.

Нікель має широку розчинність з іншими елементами. Наприклад, він повністю розчинний у міді і дуже добре розчинний у залізі. Він також може розчиняти значну кількість хрому, молібдену і вольфраму, а багато сплавів містять елементи, які. Він також може розчиняти менші кількості алюмінію, титану, марганцю і ванадію.

Суперсплави

Чим характеризуються суперсплави?

Наплавки — це сплави на основі нікелю, заліза-нікелю або кобальту, що відрізняються високою жаростійкістю.

Жароміцний сплав зберігає дуже хороші механічні властивості при високій температурі. Наплавкою називають сплави, здатні працювати під навантаженням і в важких умовах при температурі вище приблизно 540 °C.

Деякі суперсплави можуть витримувати механічні навантаження при температурі, що перевищує 800 °C. Максимальна температура, при якій дотримуються експлуатаційні вимоги, не перевищує 1100 °C, а її подальше підвищення можливе тільки за рахунок застосування захисних покриттів (докладніше про це в розділі «Захисні покриття»).

Виробництво виробів із суперсплавів є складним процесом. Бажані властивості матеріалу досягаються шляхом додавання численних легуючих домішок, а також в результаті належної механічної та термічної обробки.

Основні характеристики суперсплавів:

Відмінна жаростійкість (стійкість до повзучості, тобто зміни форми при високих температурах)
Висока механічна міцність
Хороша термостійкість (стійкість до корозії в результаті окислення і сульфідування при високих температурах), в тому числі стійкість до газової корозії

Чому ці якості так важливі?

Суперсплави повинні зберігати механічну міцність і високу корозійну стійкість в умовах високих температур і в присутності агресивних хімічних сполук. Більш детальну інформацію з цього питання можна знайти в розділі «Застосування суперсплавів».

Суперсплави – застосування

Кількість застосувань суперсплавів продовжує зростати, але повільнішими темпами, ніж у попередні десятиліття. Хоча суперсплави були розроблені для високих температур, вони також знаходять застосування в кріогенних умовах і при температурі тіла. Авіаційна промисловість залишається основним споживачем суперсплавів.

Суперсплави – застосування:

В енергетиці: турбіни, лопатки, сопла, міжступеневі перегрівачі парових турбін, елементи ядерних реакторів.
В авіації: елементи газових турбін, в тому числі сопла, диски, камери згоряння, вихлопні системи, лопатки, форсажні камери, тягові реверси і кожухи.
У медицині: ортопедичні та стоматологічні протези.
У космонавтиці: елементи ракетних двигунів і для покриттів.
У хімічній і нафтохімічній промисловості, а також у целюлозно-паперовій промисловості: арматура (хлортори, труби, насоси, резервуари, вентилятори).

Варто обговорити типові важкі умови експлуатації суперсплавів. Це дозволить нам більше цінувати ці незвичайні досягнення техніки. Суперсплави піддаються:

Механічним навантаженням
Високій температурі
Впливу агресивних хімічних сполук

Слід зазначити, що ці фактори впливають одночасно і підсилюють один одного. Висока температура знижує міцність і прискорює корозію. Агресивні хімічні сполуки ще більше знижують стійкість суперсплаву до окислення і сульфідування. В результаті корозії на поверхні суперсплаву утворюються оксиди металів. Прогресуюча корозія руйнує елемент.

Як уже згадувалося, одним з основних і найбільш вимогливих застосувань суперсплавів є газові турбіни. Що прискорює корозію? Як її запобігти? Детальніше про це в розділі «Корозія в газових турбінах».

Поділ надставок за кутом сітки

З точки зору основи стопи, виділяють такі типи стопи:

Чим вони відрізняються?

Для початку, вони розрізняються за температурною стійкістю. Температура плавлення цих металів в чистому вигляді становить: для нікелю 1453 °C, для кобальту 1495 °C, а для заліза 1537 °C. В цілому, суперсплави на основі кобальту більш стійкі до температури. Однак існують нікелеві суперсплави, які перевершують в цьому відношенні кобальтові суперсплави.

Сплави кобальту є значно більш зварюваними, ніж сплави нікелю і залізонікелю.

На основі заліза і нікелю
На основі нікелю
На основі кобальту

Сплави, як правило, досить пластичні, причому сплави на основі нікелю і залізонікелю, як правило, більш пластичні, ніж кобальтові сплави.

Корозія суперсплавів у газових турбінах

Газові турбіни (турбіни згоряння) є невід'ємною частиною, серед іншого, турбореактивних двигунів, турбовентиляторів і турбокомпресорів. Корозія є основною загрозою для цих пристроїв.

У контексті газових турбін виділяють два основних типи корозії:

Газова корозія
Високотемпературне окислення

У чому полягає різниця?

Високотемпературне окислення — це окислення при дуже високій температурі. Газова корозія — це окислення і сульфування при більш низькій температурі і в присутності агресивних хімічних сполук.

Высокотемпературная коррозия суперсплавов

Високотемпературна корозія суперсплавів
При відсутності додаткових хімічних сполук суперсплави, як правило, зберігають високу стійкість до окислення до температури приблизно 880 °C. При більш високій температурі вони починають піддаватися впливу кисню. Відповідні легуючі добавки (перш за все хром і алюміній) можуть підвищити стійкість до окислення більш ніж на 100 °C. Чим вище температура, тим важливіша роль алюмінію, який самовільно утворює міцне захисне покриття Al2O3. Хром також утворює захисний оксид, Cr2O3, і, крім того, зменшує кількість алюмінію, необхідну для утворення покриття Al2O3.

У багатьох випадках елементи, виготовлені з суперсплавів, не можуть містити таку кількість алюмінію, яка була б здатна протистояти окисленню протягом тривалого часу. У цьому випадку використовуються штучно створені захисні покриття.

Газова корозія суперсплавів

Газова корозія виникає під впливом гарячих парів і газів. Вона надзвичайно агресивно руйнує металеві елементи і завдає особливо серйозної шкоди хімічній, енергетичній, автомобільній та авіаційній промисловості. Кисень разом із сіркою та її сполуками відповідальні за більшість випадків газової корозії.

Газова корозія і реактивні хімічні сполуки

Явище газової корозії може відбуватися при температурі значно нижче 880 °C через присутність реактивних твердих домішок.

Наприклад, в газових турбінах хлорид натрію NaCl з повітря вступає в реакцію з сіркою з палива, утворюючи сульфат натрію Na2SO4. Ця агресивна сполука потім осідає на нагрітих елементах, наприклад на лопатях ротора, що прискорює окислення. Корозія може початися вже при 620 °C.

Na2SO4 є однією з основних причин корозії реактивних двигунів. Хоча вміст сірки в паливі реактивних двигунів і морських газових турбін невеликий, він завдає значної шкоди.

Основну роль у протидії газовій корозії відіграє хром. Коли суперсплав піддається її впливу, на першому етапі кородує верхній шар оксидів, що спостерігається до моменту виснаження хрому, з втратою якого окислення матеріалу різко прискорюється. В результаті цих реакцій утворюється окалина (продукт корозії), яка створює щільний шар на поверхні кородованого елемента.

Титан і алюміній також протидіють газовій корозії. Більш детальну інформацію з цього питання можна знайти в розділі легуючі добавки.

Найбільш ефективним способом протидії корозії при одночасному збереженні високих механічних властивостей є покриття готових елементів захисними шарами. Більш детальну інформацію з цього питання можна знайти в розділі захисні покриття.

Сплавні добавки та міцність

Наплавлення залізонікелю в більшості випадків зміцнюються міжметалевими виділеннями в матриці, головним чином фазою γ’.

Аналогічно, нікелеві суперсплави в більшості випадків зміцнюються міжметалевими виділеннями в матриці. У випадку сплавів, що містять титан і/або алюміній, цим виділенням є фаза γ’.

Інакше справа йде з кобальтовими суперсплавами, які зміцнюються за рахунок комбінації карбідів з добавками, що зміцнюють розчин.

Механічні властивості та корозійна стійкість

Більш високий вміст хрому, алюмінію і титану позитивно впливає на стійкість непокритих сплавів до окислення і сульфідування. Однак сплави, склад яких оптимізований з точки зору стійкості до газової корозії, мають меншу механічну міцність.

У зв'язку з цим часто найкращим рішенням є покриття міцних суперсплавів захисними шарами. Більш детальну інформацію з цього питання можна знайти в розділі «Захисні покриття».

Покриття, що підвищують термостійкість і корозійну стійкість

Стійкість до корозії, викликаної присутністю кисню і високою температурою, не завжди супроводжується стійкістю до корозії, що прискорюється хімічними сполуками. Сплави на основі нікелю з великим вмістом алюмінію і меншим вмістом хрому мають кращі механічні властивості і більш стійкі до окислення при дуже високих температурах, проте вони більш схильні до газової корозії, викликаної відкладенням солей на відкритих елементах.

Крім того, суперсплави, склад яких оптимізований з точки зору стійкості до газової корозії, мають меншу механічну міцність.

Рішенням виявилися різні види захисних покриттів:

TBC – покриття, що захищає від впливу температури

TBC (Thermal barrier coatings – термобар'єрні покриття) – це керамічні покриття, які дозволяють суперсплавам працювати при високих температурах, ізолюючи суперсплав від високих температур. Деякі покриття TBC збільшують максимальну робочу температуру більш ніж на 150 °C.

Покриття TBC не захищають від окислення і часто використовуються разом з одним з наступних покриттів:

Корозійно-захисні покриття

Виділяють два типи антикорозійних покриттів:

Дифузійні покриття – найпоширеніший вид захисного покриття. На поверхні елемента дифундує покриття (найчастіше CoAl або NiAl) в процесі, який називається алюмініюванням.
Наносні покриття – Наносні покриття MCrAlY товщі дифузійних покриттів і дають ширші можливості для оптимізації. Змінюючи склад покриття, можна отримати кращі механічні властивості або більш високий захист від певного виду корозії (докладніше про корозію читайте в розділі «Корозія»).

Типи покриттів, що наносяться залежно від складу:

FeCrAlY – залізо, хром, алюміній, ітрій
NiCrAlY – нікель, хром, алюміній, ітрій
NiCoCrAlY – нікель, кобальт, хром, алюміній, ітрій (більше нікелю)
CoNiCrAlY – кобальт, нікель, хром, алюміній, ітрій (більше кобальту)

Переваги нанесених покриттів - Нанесені покриття можуть бути оптимізовані з точки зору корозійної стійкості в конкретному середовищі. У зв'язку з цим на основу елемента можна наносити сплави, менш стійкі до корозії, але з кращими механічними властивостями або просто дешевші. Крім того, покриття можуть наноситися з метою відновлення зношених поверхонь, що подовжує термін служби елементів.