Nikel - Superalloys berasaskan adalah bahan -bahan prestasi tinggi yang terkenal dengan mengekalkan kekuatan yang luar biasa, rintangan rayuan, dan rintangan kakisan /pengoksidaan pada suhu tinggi (sering 600-1200 darjah /1112-2192 darjah F). Ciri -ciri unik mereka menjadikan mereka sangat diperlukan dalam industri di mana komponen beroperasi di bawah tekanan terma dan mekanikal yang melampau. Aplikasi utama termasuk:
Aeroangkasa & Penerbangan:
Komponen enjin jet: Penggunaan yang paling kritikal - digunakan untuk bilah turbin, cakera turbin, ruang pembakaran, liner afterburner, dan muncung ekzos. Bahagian ini menahan suhu tinggi yang berterusan (800-1100 darjah) dan beban haba kitaran; Nikel - Superalloys berasaskan (misalnya, Inconel® 718, GH4049) menahan rayapan dan pengoksidaan untuk memastikan keselamatan enjin dan umur panjang.
Pendorong roket: Digunakan dalam ruang tujah, sambungan muncung, dan penyuntik bahan api untuk enjin roket cecair atau pepejal, di mana mereka menahan pancang suhu yang cepat dan produk sampingan propelan yang menghakis.
Penjanaan tenaga:
Turbin gas: Untuk turbin gas perindustrian (digunakan dalam loji kuasa), mereka menghasilkan bilah turbin tekanan, bilah, dan cakera pemutar yang tinggi. Komponen ini beroperasi pada 700-1000 darjah untuk menukar tenaga bahan api ke dalam elektrik, bergantung pada kekuatan suhu tinggi - aloi untuk mengekalkan kecekapan.
Kuasa nuklear: Digunakan dalam komponen teras reaktor (contohnya, pelapisan bahan api, perumahan rod kawalan) dan penukar haba, di mana mereka menahan kakisan dari cecair penyejuk (misalnya, air, natrium cecair) dan radiasi - degradasi yang disebabkan.
Bidang industri & khusus:
Tinggi - Relau suhu: Digunakan untuk elemen pemanasan relau, lekapan pemprosesan haba, dan crucibles dalam sains metalurgi atau bahan, kerana mereka bertolak ansur dengan pendedahan jangka panjang - hingga 900-1100 darjah tanpa ubah bentuk.
Industri Petrokimia: Digunakan dalam keropok pemangkin, pembaharu, dan saluran paip tekanan tinggi - yang memproses hidrokarbon pada 600-800 darjah, menentang kakisan dari asid atau tinggi - gas sulfur.
Kejuruteraan Marin: Untuk komponen suhu tinggi - dalam sistem pendorong kapal (contohnya, manifold ekzos turbin gas) yang beroperasi dalam persekitaran yang keras, garam -.
Kekonduksian terma nikel - superalloys berasaskanagak rendah berbanding dengan nikel tulen atau logam biasa(contohnya, tembaga, aluminium) dan berbeza sedikit berdasarkan komposisi aloi, keadaan rawatan haba, dan suhu. Nilai biasa berada dalam julat10-25 w /(m · k) pada suhu bilik (25 darjah /77 darjah F).
Trend dan contoh utama termasuk:
Pergantungan suhu: Kekonduksian terma umumnya meningkat dengan suhu. Sebagai contoh, Inconel® 718 mempunyai kekonduksian terma ~ 11 w/(m · k) pada 25 darjah, yang meningkat kepada ~ 18 w/(m · k) pada 600 darjah dan ~ 22 w/(m · k) pada 1000 darjah. Peningkatan ini disebabkan oleh pengangkutan fonon dan elektron yang lebih baik pada suhu yang lebih tinggi.
Impak Komposisi: Elemen aloi (contohnya, kromium, molibdenum, niobium) mengurangkan kekonduksian terma berbanding dengan nikel tulen (yang mempunyai kekonduksian terma ~ 91 w/(m · k) pada 25 darjah). Contohnya:
GH4133 (nikel Cina - superalloy berasaskan) mempunyai kekonduksian terma ~ 12-15 w/(m · k) pada suhu bilik.
Hastelloy® x (A nickel - Chromium - Molybdenum aloi) mempamerkan ~ 14 w/(m · k) pada 25 darjah dan ~ 20 w/(m · k) pada 800 darjah.
Kekonduksian terma yang rendah ini adalah kekuatan dan pertimbangan: ia membantu melindungi komponen akhir - (misalnya, bilah turbin) dari pemindahan haba yang berlebihan ke bahagian yang lebih sejuk, tetapi ia juga memerlukan pengurusan terma yang teliti (contohnya, saluran penyejukan) untuk mencegah pemanasan terletak setempat.
SuperAlloys (termasuk nikel - berasaskan, besi - berasaskan, dan kobalt - jenis berasaskan) mengekalkan kekuatan tinggi pada suhu tinggi melalui gabunganReka bentuk mikrostruktur, sinergi elemen aloi, dan pemprosesan terkawal. Mekanisme teras adalah:
Pengerasan hujan (mekanisme pengukuhan utama):
Kebanyakan nikel - berasaskan superalloys bergantung pada pembentukan halus, stabil precipitates dalam nikel - matriks kaya. Endapan utama adalah'Fasa (ni₃al, ti)- Fasa keras dan koheren yang membentuk semasa rawatan haba penuaan. Saiz kecil ini (biasanya 10-100 nm) bertindak sebagai halangan kepada pergerakan dislokasi (penyebab utama ubah bentuk plastik). Malah pada 800-1000 darjah, 'tetap stabil dan mengekalkan keupayaannya untuk menyekat dislokasi, mencegah merayap dan mengekalkan kekuatan. Beberapa aloi maju (misalnya, Inconel® 718) juga menggunakan'' fasa (ni₃nb)untuk pengukuhan tambahan.
Pepejal - Pengukuhan penyelesaian:
Unsur -unsur aloi (contohnya, kromium, molibdenum, tungsten) membubarkan matriks nikel untuk membentuk penyelesaian pepejal. Unsur -unsur ini mempunyai saiz atom yang berbeza daripada nikel, mencipta gangguan kekisi yang menghalang pergerakan dislokasi. Sebagai contoh, molibdenum dan tungsten (atom besar) memperkenalkan ketegangan kisi yang ketara, meningkatkan ketahanan aloi terhadap ubah bentuk pada suhu tinggi.
Pengukuhan sempadan bijian:
Superalloys direkayasa dengan struktur bijirin yang halus dan seragam (sering dicapai melalui pemutus terkawal atau metalurgi serbuk). Biji -bijian halus meningkatkan bilangan sempadan bijian, yang bertindak sebagai halangan kepada gerakan kehelan. Selain itu, unsur -unsur jejak (contohnya, boron, zirkonium, hafnium) ditambah kepada "membersihkan" sempadan bijian - mereka mengikat kepada kekotoran (misalnya, sulfur, fosforus)
Rintangan pengoksidaan & kakisan (pengekalan kekuatan tidak langsung):
Walaupun bukan mekanisme kekuatan langsung, keupayaan untuk menahan pengoksidaan adalah penting untuk mengekalkan kekuatan. Unsur -unsur seperti kromium, aluminium, dan titanium membentuk filem oksida yang padat (misalnya, cr₂o₃, al₂o₃) pada permukaan aloi pada suhu tinggi. Filem ini bertindak sebagai penghalang terhadap oksigen dan gas yang menghakis, mencegah kemerosotan permukaan (contohnya, skala, pitting) yang akan melemahkan aloi dan membawa kepada kegagalan pramatang.
Struktur mikro yang stabil:
Superalloy direka untuk mengekalkan ciri -ciri mikrostruktur mereka (misalnya, 'precipitates, saiz bijian) pada suhu tinggi. Tidak seperti aloi biasa (yang mungkin mengalami mendakan pertumbuhan kasar atau bijirin), superalloy menjalani perubahan mikrostruktur yang minimum walaupun selepas beribu -ribu jam pada 800-1100 darjah - memastikan kekuatan yang konsisten sepanjang hayat perkhidmatan mereka.
