Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Vysokoteplotní slitiny Slitiny niklu Slitiny kobaltu.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Vysokoteplotní slitiny Slitiny niklu Slitiny kobaltu."— Transkript prezentace:

1 Vysokoteplotní slitiny Slitiny niklu Slitiny kobaltu

2 Úvod Vývoj souběžně s vývojem leteckých turbínových motorů Požadavky práce za vysokých teplot –statická pevnost –pevnost v tečení –odolnost proti tepelné únavě –odolnost proti oxidaci a odolnost proti korozi vlivem zplodin hoření Dvě základní skupiny –žáruvzdorné slitiny - určující vlastností je odolnost proti oxidaci za vysokých teplot (žáruvzdornost) –žáropevné slitiny – navíc schopnost snášet za těchto teplot statické nebo dynamické zatížení a odolnost proti tečení (žáropevnost) Požadavkům vyhovují –Slitiny niklu –Slitiny kobaltu

3 Slitiny niklu Obecná charakteristika –Žáropevné a žáruvzdorné materiály pro nejvíce namáhané součásti leteckých turbínových motorů –Vysoká cena, využití pouze při vysokých teplotách (nad 550 °C) –Lopatky posledních stupňů vysokotlakých kompresorů, disky, statorové i rotorové lopatky turbín, pláště T a SK, plamence SK, části výstupních soustav a spojovací součásti pro vysoké provozní teploty –Vývoj slitin niklu probíhal metalurgicky - optimalizace chemického složení, snížení obsahu nežádoucích příměsí Pb, Bi, Te → zlepšení vlastností za tepla, nyní je žáropevnost limitovaná teplotou ~ 950 °C, žáruvzdornost teplotou ~ 1200 °C technologicky –vakuové technologie, izotermické a superplastické tváření, tepelné zpracování, kompozitní materiály s niklovou matricí, usměrněná krystalizace turbínových lopatek (umožnila zvýšit teplotu na turbíně asi o 50 °C), výroba součástí práškovou metalurgií.

4 Tvářené žáruvzdorné slitiny niklu –na bázi Ni-Cr, cenově úsporné slitiny na bázi Ni-Cr-Fe –obsah Cr 15 – 30 %, obsah železa u úsporných slitin 20 % –Ni a Cr mají úplnou vzájemnou rozpustnost v tuhém stavu, tuhý roztok γ má planicentrickou mřížku, je zpevněn pouze substitučně –zpevňující účinek mají vedle Cr i další prvky – Co, Mo, Fe, W, Ta –vysoká odolnost proti oxidaci je dána tvorbou vysoce stabilních oxidů Cr 2 O 3, případně Al 2 O 3 na povrchu, odolnost proti vysokoteplotní korozi zlepšuje přísada La, Th –slitiny nelze precipitačně vytvrzovat, používají se ve stavu žíhaném –malá žáropevnost, značná rychlost tečení při mechanickém namáhání za vyšších teplot

5 Složení a použití vybraných žáruvzdorných slitin Ni slitinachemické složení, %charakteristika NiCr20Ti Nimonic 75, Nicrofer 7520, AKN 20, EI 435 Cr20; Ti0,4; C0,1; max.5Fe; max.0,3Al, zbytek Ni Základní slitina pro méně namáhané plechové části – pláště, plamence SK. Žáruvzdornost do 1100 °C, dobrá svařitelnost. NiCr15Fe Inconel 600, Nicrofer 7216 Cr16; Fe8; C0,06; max.0,3Al; max.0,3Ti; zbytek Ni Základní slitina pro všeobecné použití do 700 °C - dobrá svařitelnost. NiCr23Fe Nicrofer 6023 Cr23; Al1,4; zbytek NiSlitina s přísadou Al pro zvýšení odolnosti proti korozi a oxidaci za teplot do 1150 °C

6 Typické mechanické vlastnosti žáruvzdorných slitin slitinatepelné zpracování teplota °C Rm MPa Rp0,2 MPa A5 % Rm/10000h MPa NiCr20Ti Nicrofer 7520 žíhání °C NiCr15Fe Nicrofer 7216 žíhání °C min 165 min 150 min NiCr23Fe Nicrofer 6023 žíhání 920–980 °C

7 Tvářené žáropevné slitiny niklu –báze tuhý roztok Ni-Cr + zpevňující prvky Co, Mo –zlepšení žáropevnosti zvýšený obsah Ti, Al a Nb → disperzní precipitáty sloučenin Ni 3 Ti, Ni 3 Al, Ni 3 (Ti,Al), Ni 3 Nb obsah karbidotvorných prvků – vedle Cr ještě Mo, W –zvýšený obsah Ti, Al → možnost vytvrzování –precipitační vytvrzování rozpouštěcí ohřev → přísady ze sloučenin do tuhého roztoku ochlazení nadkritickou rychlostí → metastabilní přesycený tuhý roztok stárnutí → vyloučení jemných disperzních precipitátů chemických sloučenin v zrnech základního tuhého roztoku –mechanizmus zvýšení žáropevnosti disperzní precipitáty → nízká rychlost odpevňování při růstu teploty, vysoká žáropevnost, nízká tvárnost obsah 0,02 až 0,2 % C → s karbidotvornými prky vznikají karbidy, většinou na hranicích zrn – brání vzájemnému pokluzu zrn → zvýšení žáropevnosti

8 Složení a použití vybraných žáropevných slitin Ni slitinachemické složení, %charakteristika NiCr20TiAl AKNC, Nimonic 80A, Nicrofer 7520Ti Cr20; Al1,5; Ti2,3; C0,06; max. 2Co; max.1Fe, Ni zbytek Plynové a parní turbíny, výfukové ventily, šrouby. NiCo20Cr20MoTi Nimonic 263 Nicrofer 5120CoTi Cr20; Mo6; Co20; C0,06; Al0,5; Ti2,2; Ni zbytek Vytvrditelná slitina s dobrou tvařitelností za vysokých teplot, svařitelná, vhodná pro výrobky z plechu. NiCr20Co16TiAl Nimonic 90 EN 2295 Cr19,5; Co16,5; Ti2,5; Al1,5; max.C0,13; Ni zbytek Vytvrditelná slitina, odolnost proti tečení do 620 °C, lopatky a disky turbín. NiCo20Cr15MoAlTi Nimonic 105 EN 2180 Co20; Cr15; Mo5; Al4,5; Ti1,2; max.C0,12; Ni zbytek Vytvrditelná slitina, dobré vlastnosti v tečení do 950°C, lopatky a disky turbín. NiCr15Co14AlMoTi Nimonic 115 Cr15; Co14,5; Mo4; Ti4; Al5; C0,15; Ni zbytek Zvýšený obsah Ti a Al, větší precipitační zpevnění, pevnost v tečení do 1010°C, turbínové lopatky LM.

9 Typické mechanické vlastnosti žáropevných slitin slitinatepelné zpracování teplota °C Rm MPa Rp0,2 MPa A5 % Rm/10000h MPa Nicrofer 7520Ti plech RO1100°C/ stárnutí 750°C Nicrofer 5120CoTi RO 1150 °C Nimonic 90RO 1080°C/ stárnutí 700°C Rm/1000h Nimonic 105RO 1150°C/ stárnutí 850°C Rm/1000h Nimonic 115RO 1090°C/ stárnutí 1100°C Rm/1000h

10 Porovnání vlastností za tepla různých slitin niklu teplota, °C mez kluzu Rp0,1 [MPa]

11 Pevnost při tečení pro 1000 hodin teplota, °C pevnost při tečení, MPa

12 Výroba čistých slitin Ni elektrostruskovým přetavováním elektroda ztuhlý ingot struska tekutý kov tekutý kov + dendrity měděná kokila chlazená vodou transformátor svar Výfukové ventily spalovacích motorů - slitina 80A (NiCr20TiAl) Aplikace slitin Ni na turbínovém motoru Spalovací komora – slitina C-263 (NiCo20Cr20MoTi) - slitina 625 (NiCr22MoNb) Svorníky – slitina 718 (NiCr19NbMo) Lopatky turbín – 718, Nimonic 105, 115

13 Disperzně zpevněné slitiny niklu –Disperzně zpevněné pomocí oxidů Th nebo Y –Výroba práškovou metalurgií mletí kovových prášků s práškem oxidů → rovnoměrná distribuce částic výjimečné hodnoty vysokoteplotní pevnosti a odolnosti proti tečení –Příklad: slitina Inconel MA 754 legovaná 0,6% oxidu Y 2 O 3, vhodná pro rozváděcí lopatky turbín složenístavteplota °C Rm MPa Rp0,2 MPa A5 % Rm/1000h MPa Ni 77,5; Cr 20; Fe 1; Ti 0,5; Al 0,3; Y 2 O 3 0,6 žíháno Slitina MA 754

14 Slitiny niklu pro odlitky –Vyšší obsah přísad pro vyšší žáropevnost → nutnost slévárenské technologie –Letecké motory – přesně lité lopatky turbín nebo integrálně lité disky i s lopatkami –Creep – od určité doby provozu je výhodnější litá struktura Pevnost při tečení slitiny LVN4 při 800 °C LVN4 – 19,5Cr; 2,25Ti; 1,55Al; 1Mn; 1Si; 0,1C Lopatky do max. 800 °C čas, h pevnost při tečení, MPa

15 –Vlastnosti odlitků jsou ovlivněny: Chemickým složením, obsahem škodlivých prvků Strukturními faktory – velikostí a tvarem zrn, segregací, množstvím a rozdělením ředin –Škodlivé prvky (plyny, S, P, Pb, Bi, Sb, Te, …) – eliminace tavením a odléváním ve vakuu, rafinací a filtrací taveniny –Makrostruktura odlitku polykrystalická s rovnoosými zrny usměrněná se sloupkovitými (kolumnárními) zrny Monokrystalická tvořená jediným krystalem v celém odlitku Struktura litých rotorových lopatek a)polykrystalická b)kolumnární c)monokrystalická a) b) c)

16 –Do teploty 700 °C – jemnozrnná polykrystalická struktura má vyšší pevnost, mez únavy, houževnatost –Nad 700 °C jsou limitující creepové vlastnosti – vhodnější je hrubá kolumnární struktura získaná řízeným tuhnutím odlitku → odstranění hranic zrn kolmých k působícímu napětí vyšší pevnost v tečení lepší rázové vlastnosti lepší odolnost proti tepelné únavě lepší odolnost vysokoteplotní korozi –Nejlepší vlastnosti (žáropevnost) – monokrystalická struktura Křivky tečení turbínových lopatek (980 °C, 207 MPa): 1- polykrystalická struktura, 2 – usměrněná struktura, 3 – monokrystal čas, h deformace při tečení, %

17 –Chemické složení podobné jako u tvářených + přísady ovlivňující slévatelnost slitinasloženípoužití B Ni 64; Cr 8; Co 10; Mo 6; Al 6; Ti 1; Zr 0,1; C 0,1; B 0,015 odlitky do 980 °C MAR-M 246Ni 60; Co 10; W 10; Cr 9; Al 5,5; Ta 4; Mo 2,5; Ti 1; C 0,15; Zr 0,05; B 0,015; Hf 1 odlitky do 980 – 1010 °C MAR-M 247Ni 59; Co 10; W 10; Cr 9,4; Al 5,5; Ta 3; Hf 1,5; Ti 1; Mo 0,7; C 0,15; Zr 0,05, B 0,015 odlitky s usměrněnou strukturou do 1010 – 1040°C LVN-9 (ČR)Ni 69; Cr 10; Al 5,2; W 4,8; Mo 3,5; Co 3,3; Ti 2,8; Mn 0,5; Si 0,5; C 0,15; Zr 0,1; B 0,05 odlitky do 950 °C ŽS 6K (Rusko)Ni 66; Cr 11,5; Al 5,5; W 5; Co 4,5; Mo 4; Ti 2,8; C 0,16; B 0,02 odlitky do 900 °C, alitované do 1050 °C

18 Důsledek přehřátí turbínových lopatek

19 Slitiny kobaltu Obecná charakteristika –Stejné určení jako slitiny Ni – teplotně a napěťově nejvíce namáhané součásti leteckých motorů –Nevyžadují vakuové technologie při výrobě –Jsou odolnější než slitiny Ni proti koroznímu působení síry v palivu a proti působní Na v mořské atmosféře –Nejsou dostatečně vytvrditelné precipitačním vytvrzováním → při středních teplotách nižší pevnost než slitiny Ni vytvrzené precipitačně –Přijatelná pevnost až do 1000 °C – substituční zpevnění tuhého roztoku + disperzní vytvrzení malým množstvím karbidických částic –Základní báze – Co–Cr-Ni-W

20 slitinasložení, %charakteristika Conicro 5010 W Haynes 25 Co; Cr 20; Ni 10; W 15; Mn 1,5; C 0,1; max Fe 3; Mechanické vlastnosti, odolnost proti oxidaci do 1000 °C Conicro 4023 W Haynes 188 Co; Ni 22; Cr 22; W 15; C 0,1; La 0,1; max Fe 3; max Mn 1,2 odolnost proti oxidaci do 1150°C, plynové turbíny, výměníky slitinapolotovar stav teplota °C Rm MPa Rp0,2 MPa A5 % Rm/10000h MPa Conicro 5010 W plech rozpouštěcí ohřev Conicro 4023 W plech rozpouštěcí ohřev Charakteristika vybraných slitin kobaltu Vlastnosti vybraných slitin kobaltu


Stáhnout ppt "Vysokoteplotní slitiny Slitiny niklu Slitiny kobaltu."

Podobné prezentace


Reklamy Google