Superslitiny (Superalloys)

Transkript

1 Superslitiny (Superalloys) slitiny pro použití při teplotách nad 540 C. struktura matrice KPC (fcc) horní mez pro teplotu použití je dána rozpouštění zpevňující fáze a počátkem tavení matrice rozdělení superslitin : na bázi Fe-Ni (hustota 7,9-8, kg/m 3 ) na bázi Co (hustota 8,3-9, kg/m 3 ) na bázi Ni (hustota 7,8-8, kg/m 3 ) na bázi Ir a Rh (hustota 8,5-12, kg/m 3 ) (nová generace) Typické materiály součástí motoru

2 Další aplikace Součásti turbodmýchadla, Flexibilní spojky výfukové soustavy, Spojovací prvky, Lambda sonda systému regulace emisí, Elektrody v zapalovacích svíčkách, Přepouštěcí ventily, Výfukové ventily. Turbína v turbodmýchadle Boyce, Meherwan P.: Gas turbine engineering handbook, 2006, Elsevier Inc.

3 Turbína v turbodmychadle a v kompresoru Hiroshi Yamagata.: The science and technology of materials in automotive engines Woodhead Publishing Limited, 2005.

4 Složení slitin používaných pro nasávací a výfukovou soustavu Tab. Složení litých slitin používaných pro turbodmychadlo

5 Složení slitin používaných pro nasávací a výfukovou soustavu Základní vlastnosti superslitin: hustota slitin : ovlivněna příměsovými prvky: Al, Ti, Cr (snižují) W, Re, Ta (zvyšují) korozní vlastnosti: ovlivněny příměsovými prvky a prostředím modul elasticity : polykrystalické GPa po směrové krystalizaci GPa elektrická a tepelná vodivost, tepelná roztažnost závisí na přechodových kovech a na přítomnosti vysokotavitelných kovů, je spíše nižší ve srovnání s ostatními kovovými soustavami. relativně dobrá tvařitelnost, u Co superslitin je však nižší Zpracování Při vhodném složení - tváření, kováním, válcování na plechy, lisování Vysokopevnostní - odlévání; spojování svařováním nebo pájením na tvrdo

6 a) na bázi Fe-Ni Obsahy základních prvků v superslitinách Prvek Ni Fe Ti Al Mo Co Cr Nb W C hm.% , ,5 <0,35 b) na bázi Co Prvek Co Ni Ti Al Mo Fe Cr Nb W C hm.% do , c) na bázi Ni Prvek Ni Ti Al Mo Co Cr Nb W C hm.% 37-79, , <0,30 + další prvky např. Zr, La, Mn, Si, Cu, B, Ce, Mg, V, Ta, Hf Struktura superslitin Struktura superslitin a přítomné fáze - austenitická KPC matrice - tuhý roztok příměsí v Ni - další sekundární fáze: karbidy : MC, M 23 C 6, M 6 C a M 7 C 3 - Ni 3 (Al,Ti) - struktura L1 2 (KPC) - Ni 3 Nb - struktura D0 22 (tetragonální prostorově centrovaná) - Ni 3 Ti - struktura D0 24 (hexagonální uspořádaná) Ni 3 Nb - struktura ortorombická

7 Zpevnění superslitin Zpevnění superslitin na bázi Fe a Ni legující prvky zpevnění tuhým roztokem precipitací fází a působí na vznik karbidů. Příspěvek karbidů ke zpevnění: přímo (disperzní zpevnění), nepřímo (stabilizují hranice zrn proti nadměrnému smyku u tvářených slitin). fáze a - důležité při řízení struktury tvářených superslitin během jejich výroby. - ke zpevnění mohou rovněž přispívat legující prvky: B, Zr a Hf. Zpevnění superslitin na bázi Co - zajištěno rozpuštěnými prvky (zpevnění tuhým roztokem) a karbidy Ni superslitiny austenitické slitiny zpevněné účinkem disperzně vyloučené fáze legovány na bázi Ni-Cr ( ochranný povlak oxidu Cr ) další legury : Co, Fe, W, V, Nb, Ta, B, Zr, Mg, Ti, Mo [ Ni 3 (Al,Ti)] VLASTNOSTI : - vysoká pevnost i za vysokých teplot - korozní odolnost - odolnost proti creepu PRINCIP : - vysoká strukturní stabilita Ni slitin souvisí s vysokým zaplněním orbitu 3d elektrony u Ni - za spolupůsobení Cr => omezení difúze atomů kovu ze slitiny a difúze O a S dovnitř objemu slitiny - zpevnění matrice - legujícími příměsemi - stabilita do vysokých teplot - vyloučení karbidických fází na hranicích a vlastnosti hranic zrn

8 50-70 hm.% Ni, hm.% Cr, + Ti, Al, Mo, Co, Nb, Zr, V Vlastnosti : zachovávají dobré mechanické vlastnosti (pevnost) a odolnost vůči oxidaci až do vysokých teplot, dobrá korozní odolnost, odolnost vůči creepu (zpevnění sekundární fází) Příklady : Inconel 718, Inconel 600, Inconel X-750, Inconel 625 Haynes 230, Haynes 625, Hastelloy S, Hastelloy X, Waspaloy Nimonic 75, Nimonic 90 Použití : součásti automobilových motorů, v jaderné energetice (reaktory, čerpadla,..), nádoby pro chemický průmysl, tlakové nádoby, ochranná pouzdra termočlánků, letectví, reaktivní motory, spalovací systémy, námořní konstrukce, součásti pecních systémů, Binární diagram Ni-Al V levé části se pohybuje složení superslitin, je třeba uvažovat ale vliv dalších legujících prvků na rozpustnost hliníku posouvají křivku rozpustnosti k nižším koncentracím Al Vliv prvků na strukturu a vlastnosti superslitin

9 Mikrostruktura superslitin - morfologie fáze ' kulová kubická

10 Mikrostruktura superslitin - karbidy

11 Teplota C Mikrostruktura fáze karbidy Roger C. Reed: The Superalloys. Fundamentals and Applications. Cambridge University Press IRA diagram pro superslitinu Inconel IN 718 vyloučení jednotlivých fází závisí na rychlosti ochlazování a na teplotě, ze které se ochlazování provádí čas (h)

12 Zpevnění superslitin tuhý roztok mřížka KPC fáze vysoce uspořádaná struktura KPC supermřížka L1 2 zpevnění tuhým roztokem substituční prvky rozpuštěné v tuhém roztoku precipitační zpevnění fází precipitáty působí jako účinná překážka pro pohyb dislokací (ty musí překážku buď protnout nebo obejít) precipitační zpevnění karbidy V supermřížce L1 2 při protnutí precipitátu se dislokace může rozštěpit na dvě a více parciálních dislokací, mezi nimiž vznikají vrstevné chyby (komplexní vrstevná chyba CSF, antifázová hranice APB, intrinsická vrstevná chyba supermřížky SISF nebo extrinsická vrstevná chyba supermřížky SESF), pohyb takového komplexu dislokací a vrstevných chyb je velmi omezen, tím dochází ke zpevnění (zvýšení meze kluzu)

13 Zpevnění superslitin

14 Závislost pevnosti do lomu na teplotě u vybraných SA

15 Tabulka hodnot mechanických vlastností vybraných superslitin v závislosti na teplotě Obr. Teplotní závislost napětí pro zpevnění u vybraných superslitin: a) tvářené a b) odlévané.

16 Mikrostruktura Roger C. Reed: The Superalloys. Fundamentals and Applications. Cambridge University Press. 2006

17 Mikrostruktura - změny v mikrostruktuře po dlouhodobém tepelném zpracování nebo po dlouhodobé tepelné expozici Změny v mikrostruktuře působí na změny mechanických vlastností za vysokých teplot na odolnost proti creepu

18 Vliv TZ na velikost precipitátů vliv rychlosti ochlazování a) Dodaný stav po TZ b) Rozpouštěcí žíhání 5 min, 1300 C + rychlost ochlazování 0,17 K/s c) Rozpouštěcí žíhání 5 min, 1300 C + rychlost ochlazování 1 K/s d) Rozpouštěcí žíhání 5 min, 1300 C + rychlost ochlazování 10 K/s e) Rozpouštěcí žíhání 5 min, 1300 C + rychlost ochlazování 75 K/s f) Rozpouštěcí žíhání 5 min, 1300 C + kalení do vody

19 Cantilevered Beam Creep Test Furnace Temperature: 1090 C Time in Furnace: 100 Hours Maximum Bending Stress: 5,5 MPa Creep deformation is an important contributing factor to the distortion of many high temperature components. The cantilevered beam test provides visual demonstration of creep deformation. The alloys tested were allowed to deform under their own weight in a 1095 C furnace for 100 hours. The maximum bending stresses for the 3 mm sheet products were calculated to be 5,5 MPa. Only the HR-120 alloy was capable of carrying its own weight!

20 Svarové spoje Ni-superslitin (Soustavy 70%Ni-Al-(Cr-Ta-W-Co), uspořádaná intermetalická fáze fcc L1 2 ) letecké motory jsou tvořeny různými typy materiálů, které jsou k sobě připojeny svarem, v okolí tohoto svaru vzniká tepelně ovlivněná oblast, ve které při vysokých teplotách probíhá difuze (difuzně ovlivněná zóna) Simulace procesů a experimentální studium vlastností Experimentalní a simulovaná redistribuce složek a fází po teplotní expozici 1200ºC/100h. při vysokých teplotách probíhá ve spoji difuze, dochází k přerozdělení prvků a ke vzniku vakancí, které postupem času se mohou spojovat a vytvářet tzv. Kirkendallovy póry, které mohou vést až k porušení (prasknutí) svaru. J. Sopoušek, P. Brož, J. Buršík: Theoretical and experimental study of alloying element redistributions in Ni-based welded joints at 1200ºC and 1000ºC

21 Niklové superslitiny směry výzkumu letecký průmysl energetika - mikrostrukturní stabilita! - stabilita fázových a pevnostních vlastností při zvýšených a vysokých teplotách! - odhady životnosti technologických zařízení turbíny elektráren, chemické a jaderné reaktory, svary!

22 Pevnost v tahu [MPa] Tvrdost HV Niklové superslitiny vybrané vlastnosti u vybraných superslitin v závislosti na teplotě aplikace pokles hodnot! IN792-5A IN738LC IN713LC Doba žíhání [h] IN792-5A 800 IN713LC IN738LC Doba žíhání [h]

23 NAPĚTÍ [MPa] NAPĚTÍ [MPa] Porovnání napěťových závislostí doby do lomu studovaných slitin při teplotě 850 C C IN 713 LC IN 738 LC IN 792-5A DOBA DO LOMU t [h] f Obr.8. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu 500studovaných slitin při teplotě 850 C C IN 713 LC IN 738 LC IN 792-5A DOBA DO LOMU t [h] f Obr.9. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu studovaných slitin při teplotě 900 C