Vysokoteplotní slitiny Slitiny niklu Slitiny kobaltu

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

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.

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 Cr2O3, případně Al2O3 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

Složení a použití vybraných žáruvzdorných slitin Ni slitina chemické 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 Ni Slitina s přísadou Al pro zvýšení odolnosti proti korozi a oxidaci za teplot do 1150 °C

Typické mechanické vlastnosti žáruvzdorných slitin slitina tepelné zpracování teplota °C Rm MPa Rp0,2 A5 % Rm/10000h NiCr20Ti Nicrofer 7520 žíhání 1000-1050 °C 200 400 600 790 750 580 445 425 350 30 100 NiCr15Fe Nicrofer 7216 920-1100 °C 500 480 470 min 165 min 150 min 140 35 - NiCr23Fe Nicrofer 6023 920–980 °C 740 700 430 370 320 40

Tvářené žáropevné slitiny niklu báze tuhý roztok Ni-Cr + zpevňující prvky Co, Mo zlepšení žáropevnosti zvýšený obsah Ti, Al a Nb → disperzní precipitáty sloučenin Ni3Ti, Ni3Al, Ni3(Ti,Al), Ni3Nb 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

Složení a použití vybraných žáropevných slitin Ni slitina chemické 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; 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; Zvýšený obsah Ti a Al, větší precipitační zpevnění, pevnost v tečení do 1010°C, turbínové lopatky LM.

Typické mechanické vlastnosti žáropevných slitin slitina tepelné zpracování teplota °C Rm MPa Rp0,2 A5 % Rm/10000h Nicrofer 7520Ti plech RO1100°C/ stárnutí 750°C 300 600 900 1020 930 720 700 29 20 540 21 Nicrofer 5120CoTi RO 1150 °C 825 785 480 470 42 41 32 Nimonic 90 RO 1080°C/ stárnutí 700°C 705 870 1170 760 30 Rm/1000h 360 75 Nimonic 105 RO 1150°C/ stárnutí 850°C 750 780 363 134 Nimonic 115 RO 1090°C/ stárnutí 1100°C 1260 850 25 450 210

Porovnání vlastností za tepla různých slitin niklu 1000 mez kluzu Rp0,1 [MPa] 800 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 teplota, °C

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

Výroba čistých slitin Ni elektrostruskovým přetavováním Výfukové ventily spalovacích motorů - slitina 80A (NiCr20TiAl) svar elektroda měděná kokila chlazená vodou struska transformátor tekutý kov tekutý kov + dendrity ztuhlý ingot 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

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 Y2O3, vhodná pro rozváděcí lopatky turbín Slitina MA 754 složení stav teplota °C Rm MPa Rp0,2 A5 % Rm/1000h Ni 77,5; Cr 20; Fe 1; Ti 0,5; Al 0,3; Y2O3 0,6 žíháno 20 760 870 980 1150 920 560 199 158 129 78

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 pevnost při tečení, MPa čas, h

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 polykrystalická kolumnární monokrystalická a) b) c)

Nejlepší vlastnosti (žáropevnost) – monokrystalická struktura 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 deformace při tečení, % čas, h

Chemické složení podobné jako u tvářených + přísady ovlivňující slévatelnost slitina složení použití B - 1900 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 246 Ni 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 247 Ni 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

Důsledek přehřátí turbínových lopatek

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

Charakteristika vybraných slitin kobaltu slitina složení, % 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 Vlastnosti vybraných slitin kobaltu slitina polotovar stav teplota °C Rm MPa Rp0,2 A5 % Rm/10000h Conicro 5010 W plech rozpouštěcí ohřev 300 600 700 1000 870 730 310 260 70 55 160 12 Conicro 4023 W 900 820 330 65 60