Những gì được coi là một siêu hợp chất

1. Điều gì được coi là một siêu hợp đồng?

Một siêu hợp (còn được gọi là hợp kim hiệu suất cao) là một lớp vật liệu kim loại được xác định bởi khả năng đặc biệt của chúng để duy trì sức mạnh cơ học, khả năng chống suy thoái và ổn định cấu trúc dướiđiều kiện hoạt động cực đoan-Nhiệt độ cao, môi trường ăn mòn và căng thẳng cơ học duy trì. Không giống như các hợp kim thông thường, được tối ưu hóa để sử dụng đa năng, các siêu hợp đồng được thiết kế để thực hiện đáng tin cậy trong các kịch bản khiến hầu hết các kim loại làm mềm, oxy hóa, leo (biến dạng chậm khi tải) hoặc thất bại.

Các tiêu chí chính phân loại một tài liệu là một siêu hợp đồng bao gồm:

Khả năng phục hồi nhiệt độ cao: Chúng duy trì độ bền kéo, khả năng chống leo và độ bền mệt mỏi ở nhiệt độ vượt quá 650 độ (1.200 độ F), thường lên tới 1.200 độ (2.200 độ F). Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng như động cơ phản lực hoặc tuabin khí, nơi các thành phần hoạt động trong môi trường đốt nóng.

Quá trình oxy hóa và chống ăn mòn: Chúng chống lại cuộc tấn công hóa học từ khí nóng, muối nóng chảy, axit và nước biển, thường là do các yếu tố hợp kim (ví dụ, crom) tạo thành các lớp oxit bảo vệ.

Độ ổn định vi cấu trúc: Cấu trúc bên trong của chúng (ví dụ: ranh giới hạt, tăng cường kết tủa) vẫn còn nguyên vẹn dưới nhiệt và căng thẳng kéo dài, ngăn ngừa sự hấp dẫn hoặc mất sức mạnh.

Hợp kim phức tạp: Chúng thường bao gồm một kim loại cơ bản (niken, coban hoặc sắt) được pha trộn với các yếu tố như crom, molypden, vonfram, nhôm hoặc titan để tăng cường tính chất cụ thể.

Các siêu hợp chất không thể thiếu trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ (lưỡi tuabin, vòi phun tên lửa), năng lượng (tuabin khí, lò phản ứng hạt nhân) và xử lý hóa học, trong đó sự cố vật liệu có thể gây ra hậu quả thảm khốc.

2. Superalloy tốt nhất là gì?

Superalloy "tốt nhất" hoàn toàn phụ thuộc vàoứng dụng cụ thể-Không hợp kim đơn vượt trội trong tất cả các kịch bản. Hiệu suất được đánh giá bằng các tiêu chí như sức mạnh nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn, khả năng sử dụng hoặc chi phí, thay đổi theo trường hợp sử dụng. Tuy nhiên, một số siêu hợp đồng nổi bật trong các lĩnh vực tương ứng của họ:

Đối với các ứng dụng hàng không vũ trụ nhiệt độ cao (ví dụ: lưỡi tuabin động cơ phản lực): Superalloys dựa trên niken đơn tinh thể nhưCMSX-4hoặcPWA 1484thường được ưa thích. Họ loại bỏ ranh giới hạt (một vị trí phổ biến cho sự cố leo) và giữ lại sức mạnh ở mức 1.0001,100 độ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các phần nóng nhất của động cơ.

Đối với khả năng chống ăn mòn trong xử lý hóa học: Hastelloy C276(Hợp kim Niken-Molybdenum-Chromium) được coi là tiêu chuẩn vàng. Nó chống lại các hóa chất tích cực như axit sunfuric, axit clohydric và clo, ngay cả ở nhiệt độ cao.

Cho sức mạnh ở nhiệt độ vừa phải với khả năng hàn tốt: Inconel 718(Niken-chromium-Iron với niobi/titan) rất linh hoạt. Nó cung cấp độ bền kéo tuyệt vời lên tới 650 độ và dễ dàng để máy và mối hàn, làm cho nó trở thành một mặt hàng chủ lực trong các thành phần cấu trúc hàng không vũ trụ và thiết bị dầu/khí.

Đối với khả năng chống creep cực cao trong tuabin khí: Haynes 282.

Tóm lại, hợp kim "tốt nhất" là loại đáp ứng tối ưu các yêu cầu duy nhất của mục đích sử dụng.

3. Superalloy mạnh nhất là gì?

"Sức mạnh" trong các siêu hợp đồng phụ thuộc vào ngữ cảnh, vì nó có thể đề cập đến sức mạnh kéo, khả năng chống leo hoặc sức mạnh mệt mỏi-hiệu quả trong các kịch bản khác nhau. Tuy nhiên, khi đánh giáĐộ bền kéo cuối cùng (UTS)Vàkhả năng chống leo ở nhiệt độ cao(Các số liệu đòi hỏi khắt khe nhất cho Superalloys), một số hợp kim nhất định nổi bật:

Superalloys dựa trên niken đơn tinh thể: Hợp kim nhưCMSX-10VàRR3010(Rolls-Royce) Thể hiện cường độ nhiệt độ cao đặc biệt. CMSX-10, ví dụ, có UTS ~ 1.400 MPa (203.000 psi) ở nhiệt độ phòng và giữ lại ~ 800 MPa (116.000 psi) ở 1.000 độ. Điện trở creep của nó (khả năng chống biến dạng dưới tải không đổi) là không thể so sánh được, cho phép nó hoạt động trong các phần tuabin nóng nhất.

Hợp kim dựa trên Osmium: Osmium, một kim loại hiếm, tạo thành hợp kim với iridium (ví dụ, osmium-iridium) có cường độ nhiệt độ phòng cực cao (UTS ~ 1.800 MPa) và các điểm nóng chảy (~ 3.000 độ). Tuy nhiên, độ giòn và giới hạn chi phí cao của chúng sử dụng thực tế cho các ứng dụng thích hợp như ngòi bút máy hoặc vòng bi có cao.

Niken-Cobalt Superalloys: MP35N. Nó được sử dụng trong các thành phần có độ bền cao, chống ăn mòn như ốc vít hàng không vũ trụ.

Đối với hầu hết các mục đích công nghiệp-đặc biệt là các ứng dụng nhiệt độ cao-Superalloys dựa trên niken đơn tinh thểđược coi là "mạnh nhất" do sự kết hợp vô song của độ bền kéo và khả năng chống leo ở nhiệt độ khắc nghiệt.

4. Các siêu hợp đồng khác nhau là gì?

Các superalloy được phân loại chủ yếu bởi kim loại cơ bản của chúng, với các thể loại phụ dựa trên thành phần và tính chất. Các lớp chính là:

1. Superalloys dựa trên niken

Lớp lớn nhất và linh hoạt nhất, với niken là phần tử chính (50 trận70%). Chúng vượt trội trong sức mạnh nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn.

Ví dụ chính:

Sê -ri Inconel: Inconel 718 (Niobium-được tăng cường, hàn, được sử dụng trong các cấu trúc hàng không vũ trụ); Inconel 625 (crom/molybdenum để chống ăn mòn trong xử lý hóa học).

Sê -ri Hastelloy: Hastelloy C276 (molybdenum/crom cho kháng axit); Hastelloy X (Điện trở oxy hóa nhiệt độ cao cho các bộ phận của lò).

Hợp kim đơn tinh thể: CMSX-4, PWA 1484 (không có hạt, cho lưỡi tuabin).

Hợp kim Niken Maraging: ví dụ: Pyromet 31V (cường độ cao với độ bền tốt, được sử dụng trong vỏ động cơ tên lửa).

2. Superalloys dựa trên coban

Cobalt là yếu tố cơ bản (30 Ném60%), thường được hợp kim với crom, vonfram và niken. Họ cung cấp khả năng chống mài mòn vượt trội và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ lên tới 1.100 độ, mặc dù cường độ nhiệt độ cao của chúng thường thấp hơn so với hợp kim dựa trên niken.

Ví dụ chính:

Haynes 188: Bổ sung crom/vonfram để kháng oxy hóa; Được sử dụng trong máy bay phản lực sau khi đốt cháy.

Sê -ri Stellite: Stellite 6 (Cobalt-Chromium-Tungfram, cực kỳ chống mài mòn, được sử dụng trong các van và dụng cụ cắt).

MP35N: Một hợp kim coban-nikel (với crom/molybdenum) có giá trị cho độ bền kéo cao và khả năng chống ăn mòn.

3. Superalloy dựa trên sắt

Sắt là nguyên tố chính (30 Ném60%), với niken đáng kể (để cải thiện độ ổn định nhiệt độ cao) và crom (đối với khả năng chống ăn mòn). Chúng thường ít tốn kém hơn so với các hợp kim dựa trên niken hoặc coban nhưng hoạt động tốt ở nhiệt độ cao vừa phải (~ 650 thép800 độ).

Ví dụ chính:

Hợp kim 800H: Iron-Nickel-Chromium với khả năng chống leo tốt; Được sử dụng trong trao đổi nhiệt và lò phản ứng hạt nhân.

Incoloy 825: Kháng với axit sunfuric và nước biển; được sử dụng trong xử lý hóa học và các ứng dụng biển.

A-286: Iron-Nickel-nhiễm sắc thể với titan/nhôm cho sức mạnh; Được sử dụng trong ốc vít động cơ phản lực và các thành phần tuabin khí.

4.

Hợp kim kim loại nhóm bạch kim (PGM): EG, Bạch kim-Rhodium, được sử dụng trong các cặp nhiệt độ nhiệt độ cao và chế tạo thủy tinh do khả năng kháng thủy tinh nóng chảy và quá trình oxy hóa.

Titanium-nhôm intermetallics: Hợp kim nhẹ (ví dụ: tial) với tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao, được sử dụng trong các lưỡi tuabin áp suất thấp để giảm trọng lượng.

Mỗi lớp giải quyết các nhu cầu công nghiệp cụ thể, với các hợp kim dựa trên niken thống trị các ứng dụng nhiệt độ cao, hợp kim dựa trên coban xuất sắc trong khả năng chống mài mòn và hợp kim dựa trên sắt cung cấp hiệu suất hiệu quả về chi phí ở nhiệt độ vừa phải.