Kształtowanie właściwości materiałów inżynierskich.doc

Wyk 1 Kształtowanie właściwości materiałów inżynierskich

Do 5-ego kwietnia, zaliczenie z tej części wykład

Tytan drogi – szuka się zamienników, dodatki glinu, vanadu

Wykład nr 2 1.03.2011 r.

Nadstopy, zwane superstopami, należą do materiałów metalicznych posiadających wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne, szczególnie w wysokich temperaturach. Z uwagi na swoje właściwości i cechy są wyodrębnione spośród tworzyw metalicznych i stanowią oddzielną grupę. Termin „superstopy” jest tłumaczeniem z języka angielskiego: superalloys

Nadstopy, w porównaniu z innymi tworzywami metalicznymi, łączą w sobie wysokie i stabilne własności mechaniczne w wysokiej temperaturze, tj. żarowytrzymałość oraz charakteryzują się wysoką odpornością powierzchni stopów na działanie agresywnego środowiska w wysokiej temperaturze pracy, tj. żaroodporność

Nadstopy mogą pracować w temperaturze powyżej 816 oC

Nadstopy łączą w sobie żaroodporność i żarowytrzymałość

Np. Piroliza 900 oC, kotły grzewcze, silniki rakietowe i silniki w samolotach. (kobalt, nikiel, żelazo)

Kompozyty – nikolowo – grafitowe, jako smarowanie do turbin w samolotach.

Grupy nadstopów na bazie niklu kobaltu i żelaza (zawsze z dodatkiem Cr i Ni)

Przybliżony skład chemiczny nadstopów na bazie niklu, kobaltu i żelaza

Stosowane się także metale: chrom, niob, molibden, tantal, wolfram oraz stopy tych metali. Nie zawsze cechują się jednocześnie żaroodpornością i żarowytrzymałością. Stanowią nie w pełni poznaną grupę tworzyw metalicznych zwanych trudnotopliwymi (lub stopami żartowytrzymałymi). Stopy te posiadają wysoką temperaturę topliwości oraz wysoki moduł sprężystości, nie mogą pracować w wysokich temperaturach bez zabezpieczenia powierzchni przed utlenianiem.

Wytrzymałość na rozciąganie (R_m) w MPa nadstopów oraz stopów trudnotopliwych

Zależność wytrzymałości na rozciąganie nadstopów od temperatury

Wykres :]

Oddzielną grupę o wyjątkowych właściwościach w bardzo wysokich temperaturach, tworzą stopy umacniane dyspersyjne tlenkiem Y2O3, tzw. ODS (Oxide Dispersion Strengthened), np. IN MA-754, IN MA-6000 E. Stopy te mają wysoką odporność na korozję.

Charakterystyka składu chemicznego nadstopów.

Nadstopy można zaliczyć do rodziny materiałów metalicznych, których osnowa (matrycą) jest austenit – faza o strukturze A1. Rodzaj i zawartość głównego składnika w stopie ma decydujący wpływ na właściwości stopu, stabilność struktury, własności w czasie eksploatacji w wysokiej temperaturze, a także odporność na korozję. Istotny wpływ na własności nadstopów mają dodatki stopowe wchodzące w skład austenitu lub innych faz tworzących stop.

Rola pierwiastków w nadstopach

Obecnie produkowane i stosowane są nadstopy na bazie niklu i żelaza. Mają bardzo złożony skład chemiczny. Zawierają często ponad dziesięć pierwiastków w bardzo zróżnicowanej ilości, dodawanych w ściśle określonym celu, często stosując złożoną technologię ich wprowadzania do stopu.

Oprócz metali do stopów na bazie niklu oraz żelaza wprowadza się tlenki. Wydzielenia dyspersyjnego Y2O3, a także dodatki ThO2 do czystego niklu (TD Nickel) pozwalają na otrzymywanie stopów o wysokich właściwościach.

Cermetale (metal z osnową ceramiczną)

Węgliki (chrom, wolfram, molibden, tantal, tytan, niob)

Węglikoazotki (węgiel, azot)

Dodatki cyrkonu

Właściwości nadstopów

O wysokich właściwościach nadstopów decyduje struktura i własności osnowy, tj. austenitu stopowego krystalizującego się w sieci a1. Stabilność termiczna fazy gamma, możliwość umocnienia roztworowego oraz wydzieleniowego, wysoki moduł sprężystości.

Duża rozpuszczalność wielu pierwiastków w austenicie umożliwia kontrolowany rozpad roztworu oraz umożliwia powstanie stabilnych w wysokich temperaturach faz umacniających wydzieleniowo. Np. fazy gamma (w stopach niklu) lub węglików (w stopach kobaltu i żelaza).

Własności austenitu stopowego (osnowa stopu) pozwalają na uzyskanie tworzyw metalicznych o właściwościach, które mogą pracować w zakresie temperatur od 538 oC do 816 oC, nawet przekraczających 1000 oC w środowisku korozyjnym.

Nadstopy są stosowane:

- do budowy łopatek lotniczych silników turboodrzutowych obliczonych do pracy krótkookresowej w złożonym stanie naprężenia w ekstremalnie trudnych warunkach cieplnych ( w komorze spalania w temp. 730 oC do 1370 oC) i korozyjnych (potok spalin)

-   do pracy w przemysłowych turbinach gazowych, gdzie problem trwałości i niezawodności jest czynnikiem decydującym

Zastosowanie nadstopów musi być poprzedzone złożonymi badaniami ich właściwości. Sama próba rozciągania nie wystarcza. Konieczne są badania na pełzanie, na zmęczenie cieplne, odporność na wysoko i niskocykliczne zmęczenie i badania w złożonym stanie naprężenia w środowisku korozyjnymi i temperaturze pracy.

Niekorzystną cechą nadstopów jest ich niskie przewodnictwo cieplne, które nie przekracza 10-30 procent przewodnictwa cieplnego czystego niklu, kobaltu lub żelaza.

Niskie przewodnictwo cieplne spowodowane jest wpływem dodatków stopowych, której z jednej strony powodują umocnienie roztworowe, ale jednocześnie obniżają przewodnictwo cieplne.

Obniżanie przewodnictwa cieplnego powoduje wzrost gradientu temperatury w poszczególnych elementach, co powoduje wzrost termicznych naprężeń wewnętrznych i niebezpieczeństwa awarii.

Rozwiązaniem tego problemu jest wprowadzenie do struktury metalu lub stopu cząstek tlenków, np. ThO2, Al2O3 stabilnych w temperaturze pracy. Tlenki metali o odpowiedniej wielkości cząstek powodują tylko umocnienie wydzieleniowe. Nie rozpuszczają się w osnowie stopu i nie obniżają przewodnictwa cieplnego osnowy. Tak umocnione metale (ODS) cechuje bardzo wysoka stabilność struktury oraz odporność na korozję z innymi nadstopami.

Oprócz objętościowego wprowadzenia tlenków stosuje się powierzchniowe.

Większość nadstopów posiada bardzo dobre właściwości plastyczne w wysokich temperaturach. Wysoka plastyczność jest niezbędna przy przeróbce plastycznej stopów oraz w czasie pracy, gdyż pozwala to na zwiększanie odporności na pękanie w warunkach gwałtownych zmian temperatury, nawet przy dobrym przewodnictwie cieplnym

Stopy plastyczne cechują się małą odpornością na pełzanie. Są głównie stosowane do pracy krótkotrwałej.

Duża grupa nadstopów (o złożonym składzie chemicznym) cechuje się niską plastycznością (nie przekraczającej wydłużenia A10 = 10 procent w temperaturze pokojowej). Stopy te klasyfikowane są jako odlewnicze. Posiadają wysoką wytrzymałość oraz dużą odpo9rność na pełzanie. Cechują się stabilnością własności oraz niezawodnością w dłuższych okresach pracy.

Stopy na osnowie niklu oraz kobaltu mają niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej w porównaniu ze stopami na bazie żelaza. Stosowane są do budowy ruchomych elementów gazowych.

Fazy występujące w strukturze stopów ŻiŻ w przeważającej części są metastabilne. Niestabilność faz w wysokiej temperaturze wykorzystywana jest w procesach obróbki cieplnej.

Dzięki tym procesom możliwe jest sterowanie własnościami nadstopów poprzez wydzielanie optymalnej ilości faz międzymetalicznych lub węglików przy ich odpowiedniej dyspersji, wielkości oraz składzie chemicznym. W niektórych nadstopach niestabilność faz umacniających prowadzi do spadku własności mechanicznych. Spadek tych własności może być wynikiem pojawienia się kruchych faz np. sigma, Lavesa. Procesy te przebiegają zwykle wtedy, gdy w osnowie metalu-austenicie rozpuszczona jest duża ilość pierwiastków lub szczególnie niekorzystnych domieszek

Oprócz składu chemicznego i fazowego, duży wpływ na własności nadstopów w wysokiej temperaturze ma wielkość ziarna. Wzrost ziarna od 0,09 mm do 6 mm powoduje ponad 10-krotne przedłużenie czasu eksploatacji stopów niklu. Wskazuje to na wielką rolę, jaką spełniają granicę ziarna w procesach pełzania.

Ważną rolę w procesach umacniania granic spełniają dodatki: B, Zr i Hf. Pierwiastki te tworzą drobne, trudnotopliwe wydzielenia, które silnie je umacniają, zwiększając odporność na pełzanie.

Wpływ technologii odlewania ma wpływ na własności mechaniczne nadstopów. Stosowanie topnienia i odlewania w powietrzu powoduje gorsze właściwości nadstopów w stosunku do odlewania próżniowego.

Drobnokrystaliczne – lepsza odporność na korozję.

Opracowana w latach 70 tych technologia kierunkowego krzepnięcia pozwoliła na otrzymywanie stopów o jeszcze lepszych właściwościach, poprzez sterowanie frontem krystalizacji można uzyskać strukturę krystaliczną o korzystnej orientacji w stosunku do naprężeń zewnętrznych oraz równomierny rozkład wydzieleń faz umacniających

Najmniej korzystna orientacja kryształów w stosunku do naprężeń to <001> a najbardziej wskazana to <111>, niezależnie od temperatury.

Najbardziej korzystna orientacja kryształów, pozwalająca uzyskać najwyżej właściwości mechaniczne to zbliżona do kierunku <111> oraz struktura o równomiernej (symetrycznej) dyspersji wydzielonej fazy gamma

Łopatki otrzymane technologią monokrystalizacji (przy odpowiedniej orientacji) charakteryzują się wyjątkowo wysoki własnościami mechanicznymi, szczególnie

Właściwości spawalnicze nadstopów są zróżnicowane. Właściwości spawalnicze zależą od zawartości aluminium i tytanu w stopach. Przekroczenie zawartości 3% wag lub 6 % Ti w stopie (linia przerywana na rysunku) wpływa niekorzystnie na spawalność stopów i wielu przypadkach eliminuje niektóre stopy z możliwości ich zastosowania.

Zastosowanie nadstopów

Obok klasycznych zastosowań jak lotnicze i przemysłowe turbiny gazowe, nadstopy znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, energetyce jądrowej oraz konwencjonalnej, do budowy takich elementów jak, np. palniki, wymienniki ciepła, kolektory, zbiorcze, sita, zawory i inne

Nadstopy ze względu na swoje właściwości fizyczne i chemiczne, niezależnie od ich wysokiej ceny w stosunku do innych materiałów metalicznych, będą stosowane coraz szerzej w wielu dziedzinach.

Nadstopy na bazie niklu posiadają wyjątkowo własności użytkowe. Stosowane do budowy części maszyn i urządzeń pracujących w ekstremalnie trudnych warunkach eksploatacyjnych: w wysokiej temperaturze, zmiennych i dynamicznych obciążeń oraz bardzo agresywnym środowisku korozyjnym gazów, związków siarki, azotu i węgla.

Stopy niklu mogą pracować w sposób ciągły w temperaturze do 1250 C, a okresowo w zmiennym strumieniu gazów do 1400 C.

Z uwagi na swoje wyjątkowe właściwości stanowią główną grupę stopów używanych do budowy silników lotniczych i rakietowych ok. 60 % wagi, a także trubin gazowych, w energetyce jądrowej, coraz szerzej w przemyśle chemicznym oraz innych gałęziach techniki.

Struktura stopu niklu jest bardzo złożona, podlega modyfikacjom poprzez niewielką zmianę składu  chemicznego, zmianę parametrów technologicznych oraz obróbkę cieplą. Zależność między strukturą, a własnościami stopów niklu (w zakresie temperatury 650 – 1100 C) jest lepiej poznana niż innych stopów ZiZ.

Wykład 4

·         Skład chemiczny ŻiŻ stopów kobaltu jest mniej złożony niż stopów na bazie niklu czy na bazie żelaza. Skład ten w zakresie głównych dodatków stopowych jest zbliżony do składu chemicznego stali nierdzewnych

·         Wysokie własności wytrzymałościowe stopów kobaltu uzyskuje się głównie poprzez umocnienie roztworu stałego (faza gamma) oraz wydzielenia węglików.

·         Szczególną rolę w stopach kobaltu odgrywa wolfram.

·         Stopy o takie zawartości węgla posiadają wysoką wytrzymałość oraz odporność na pełzanie

·         Decydujący wpływ na własności mają węgliki pierwotne, tworzące się w stopie w czasie odlewania. ;Przekroczenie zawartości 5 promili węgla w stopach kobaltu powoduje gwałtowny spadek plastyczności

·         Plastyczne stopy kobaltu zawierają mniej niż 1,5 węgla