Op nikkel-gebaseerde superlegeringen zijn gespecialiseerde hoogwaardige- materialen die bekend staan om hun uitzonderlijke sterkte, kruipweerstand en corrosie-/oxidatieweerstand bij verhoogde temperaturen (vaak 600–1200 graden /1112–2192 graden F). Hun unieke eigenschappen maken ze onmisbaar in industrieën waar componenten onder extreme thermische en mechanische belasting werken. Belangrijke toepassingen zijn onder meer:
Lucht- en ruimtevaart:
Onderdelen van straalmotoren: Het meest kritische gebruik-gebruikt voor turbinebladen, turbineschijven, verbrandingskamers, naverbrandervoeringen en uitlaatmondstukken. Deze onderdelen zijn bestand tegen continu hoge temperaturen (800–1100 graden) en cyclische thermische belastingen; Op nikkel-gebaseerde superlegeringen (bijv. Inconel® 718, GH4049) zijn bestand tegen kruip en oxidatie om de veiligheid van de motor en een lange levensduur te garanderen.
Raketaandrijving: Gebruikt in stuwkrachtkamers, mondstukverlengingen en brandstofinjectoren voor raketmotoren met vloeibare of vaste stoffen, waar ze bestand zijn tegen snelle temperatuurpieken en corrosieve bijproducten van drijfgassen.
Energieopwekking:
Gasturbines: Voor industriële gasturbines (gebruikt in elektriciteitscentrales) vervaardigen ze hogedruk-turbinebladen, -schoepen en rotorschijven. Deze componenten werken bij een temperatuur van 700–1000 graden om brandstofenergie om te zetten in elektriciteit, waarbij ze vertrouwen op de hoge- temperatuursterkte van de legering om de efficiëntie te behouden.
Kernenergie: Toegepast in reactorkerncomponenten (bijv. brandstofbekleding, regelstaafbehuizingen) en warmtewisselaars, waar ze bestand zijn tegen corrosie door koelvloeistoffen (bijv. water, vloeibaar natrium) en door straling-geïnduceerde afbraak.
Industriële en gespecialiseerde velden:
Hogetemperatuurovens-: Gebruikt voor verwarmingselementen van ovens, thermische verwerkingsarmaturen en smeltkroezen in de metallurgie of materiaalkunde, omdat ze langdurige blootstelling aan 900–1100 graden tolereren zonder vervorming.
Petrochemische industrie: Toegepast in katalytische krakers, reformers en hogedrukpijpleidingen die koolwaterstoffen verwerken bij 600-800 graden en bestand zijn tegen corrosie door zure of hoog- zwavelgassen.
Maritieme Techniek: Voor hoge-componenten in voortstuwingssystemen van schepen (bijvoorbeeld uitlaatspruitstukken van gasturbines) die werken in zware, zoute-omgevingen.
De thermische geleidbaarheid van op nikkel-gebaseerde superlegeringen isrelatief laag in vergelijking met puur nikkel of gewone metalen(bijvoorbeeld koper, aluminium) en varieert enigszins op basis van de samenstelling van de legering, de staat van de warmtebehandeling en de temperatuur. Typische waarden vallen binnen het bereik van10–25 W/(m·K) bij kamertemperatuur (25 graden /77 graden F).
Belangrijke trends en voorbeelden zijn onder meer:
Temperatuurafhankelijkheid: Thermische geleidbaarheid neemt over het algemeen toe met de temperatuur. Inconel® 718 heeft bijvoorbeeld een thermische geleidbaarheid van ~11 W/(m·K) bij 25 graden, wat oploopt tot ~18 W/(m·K) bij 600 graden en ~22 W/(m·K) bij 1000 graden. Deze toename is te danken aan verbeterd fonon- en elektronentransport bij hogere temperaturen.
Compositie-impact: Legeringselementen (bijv. chroom, molybdeen, niobium) verminderen de thermische geleidbaarheid in vergelijking met puur nikkel (dat een thermische geleidbaarheid heeft van ~91 W/(m·K) bij 25 graden). Bijvoorbeeld:
GH4133 (een Chinese superlegering op nikkel-basis) heeft een thermische geleidbaarheid van ~12–15 W/(m·K) bij kamertemperatuur.
Hastelloy® X (een nikkel-chroom--molybdeenlegering) vertoont ~14 W/(m·K) bij 25 graden en ~20 W/(m·K) bij 800 graden.
Deze lage thermische geleidbaarheid is zowel een sterk punt als een overweging: het helpt de hete{0}} componenten (bijvoorbeeld turbinebladen) te isoleren tegen overmatige warmteoverdracht naar koelere onderdelen, maar het vereist ook zorgvuldig thermisch beheer (bijvoorbeeld koelkanalen) om plaatselijke oververhitting te voorkomen.
Superlegeringen (waaronder op nikkel-gebaseerde, ijzer-gebaseerde en kobalt-gebaseerde typen) behouden hun hoge sterkte bij verhoogde temperaturen door een combinatie vanmicrostructureel ontwerp, synergie van legeringselementen en gecontroleerde verwerking. De kernmechanismen zijn:
Neerslagverharding (primair versterkingsmechanisme):
De meeste op nikkel-gebaseerde superlegeringen zijn afhankelijk van de vorming van fijne, stabiele neerslagen in de nikkel-rijke matrix. Het primaire neerslag is' fase (Ni₃Al, Ti)-een harde, samenhangende fase die ontstaat tijdens de warmtebehandeling van veroudering. Deze kleine neerslagen (doorgaans 10-100 nm groot) fungeren als barrières voor dislocatiebewegingen (de belangrijkste oorzaak van plastische vervorming). Zelfs bij een temperatuur van 800–1000 graden blijft 'stabiel en behoudt het zijn vermogen om dislocaties te blokkeren, kruip te voorkomen en de sterkte te behouden. Sommige geavanceerde legeringen (bijv. Inconel® 718) gebruiken ook'' fase (Ni₃Nb)voor extra versteviging.
Solide-oplossingsversterking:
Legeringselementen (bijv. chroom, molybdeen, wolfraam) lossen op in de nikkelmatrix en vormen een vaste oplossing. Deze elementen hebben andere atomaire afmetingen dan nikkel, waardoor roostervervormingen ontstaan die de beweging van dislocaties belemmeren. Molybdeen en wolfraam (grote atomen) introduceren bijvoorbeeld een aanzienlijke roosterspanning, waardoor de weerstand van de legering tegen vervorming bij hoge temperaturen wordt vergroot.
Versterking van de graangrens:
Superlegeringen zijn ontworpen met fijne, uniforme korrelstructuren (vaak bereikt via gecontroleerd gieten of poedermetallurgie). Fijne korrels vergroten het aantal korrelgrenzen, die fungeren als obstakels voor dislocatiebeweging. Bovendien worden sporenelementen (bijv. boor, zirkonium, hafnium) toegevoegd om de korrelgrenzen te "zuiveren"-ze binden aan onzuiverheden (bijv. zwavel, fosfor) die verbrossing veroorzaken en stabiele carbiden of boriden vormen aan de grenzen, waardoor het verschuiven van de korrelgrenzen wordt voorkomen (een belangrijke oorzaak van kruipfalen bij hoge- temperaturen).
Oxidatie- en corrosiebestendigheid (indirect sterktebehoud):
Hoewel het geen direct sterktemechanisme is, is het vermogen om oxidatie te weerstaan van cruciaal belang voor het behoud van de sterkte. Elementen zoals chroom, aluminium en titanium vormen bij hoge temperaturen een dichte, hechtende oxidefilm (bijv. Cr₂O₃, Al₂O₃) op het legeringsoppervlak. Deze film fungeert als een barrière tegen zuurstof en corrosieve gassen, waardoor oppervlaktedegradatie (bijv. schilfering, putvorming) wordt voorkomen die de legering zou verzwakken en tot voortijdig falen zou leiden.
Stabiele microstructuur:
Superlegeringen zijn ontworpen om hun microstructurele kenmerken (bijvoorbeeld neerslag, korrelgrootte) bij hoge temperaturen te behouden. In tegenstelling tot gewone legeringen (waarbij neerslagvergroving of korrelgroei kan optreden), ondergaan superlegeringen minimale microstructurele veranderingen, zelfs na duizenden uren bij 800–1100 graden -waardoor een consistente sterkte gedurende hun levensduur wordt gegarandeerd.
