La aleación a base de níquel es la superaleación más utilizada y con mayor resistencia a altas temperaturas.
Las principales razones son:
- Se pueden disolver más elementos de aleación en la aleación a base de níquel y mantener la estabilidad de la estructura.
- La fase γ'[Ni3(Al, Ti)] del compuesto intermetálico A3B coherentemente ordenado puede formarse como fase reforzante, de modo que la aleación puede reforzarse eficazmente, y la resistencia a alta temperatura es superior a la de las superaleaciones basadas en hierro y cobalto.
- 3. La aleación a base de níquel que contiene cromo tiene mejor resistencia a la oxidación y a la corrosión por gas que la superaleación a base de hierro.
Las aleaciones a base de níquel contienen más de diez elementos, de los cuales el Cr desempeña principalmente una función antioxidante y anticorrosiva, y los demás elementos desempeñan principalmente una función de refuerzo.
Según su modo de acción reforzante, pueden dividirse en: elementos reforzantes de solución sólida, como el wolframio, el molibdeno, el cobalto, el cromo y el vanadio;
Elementos reforzados por precipitación, como el aluminio, el titanio, el niobio y el tántalo; Elementos reforzados por el límite de grano, como el boro, el circonio, el magnesio y los elementos de tierras raras.
Las superaleaciones a base de níquel tienen una aleación reforzada por solución sólida y una aleación reforzada por precipitación según el método de refuerzo.
" Aleación reforzada con solución sólida
Tiene cierta resistencia a altas temperaturas, buena resistencia a la oxidación, resistencia a la corrosión térmica, resistencia al frío, comportamiento a la fatiga térmica y buena plasticidad y soldabilidad, y puede utilizarse para fabricar piezas con alta temperatura de trabajo y poca tensión, como la cámara de combustión de las turbinas de gas.
" Aleación reforzada por precipitación
Por lo general, se integran tres métodos de refuerzo de refuerzo de solución sólida, refuerzo de precipitación y refuerzo de límite de grano, por lo que tiene buena resistencia a la fluencia a alta temperatura, resistencia a la fatiga, resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión térmica, y se puede utilizar para fabricar componentes con alta tensión a alta temperatura, como palas de turbina y discos de turbina de turbinas de gas.
La aleación a base de níquel tiene una alta resistencia y una resistencia a la oxidación de 650~1000℃. Según sus propiedades principales, se subdivide en aleación resistente al calor a base de níquel, aleación resistente a la corrosión a base de níquel, aleación resistente al desgaste a base de níquel, aleación de precisión a base de níquel y aleación con memoria de forma a base de níquel.
" Aleación resistente a la corrosión a base de níquel
Los principales elementos de aleación son el cobre, el cromo y el molibdeno. Tiene buenas propiedades integrales y puede resistir la corrosión ácida y la corrosión bajo tensión. La primera aplicación es la aleación de níquel y cobre (Ni-Cu), también conocida como aleación Monel (aleación Monel Ni 70 Cu30); además, existen la aleación de níquel y cromo (Ni-Cr), la aleación de níquel y molibdeno (Ni-Mo) (se refiere principalmente a la aleación de níquel y cromo) y la aleación de níquel y molibdeno (Ni-Mo). Hastelloy B ), aleación de níquel-cromo-molibdeno (Ni-Cr-Mo) (se refiere principalmente a la serie Hastelloy C) y así sucesivamente. Al mismo tiempo, el níquel puro es también un representante típico de las aleaciones resistentes a la corrosión a base de níquel. Estas aleaciones resistentes a la corrosión a base de níquel se utilizan principalmente en la fabricación de componentes para diversos entornos resistentes a la corrosión, como el petróleo, la industria química y la energía eléctrica.
Las aleaciones resistentes a la corrosión a base de níquel tienen en su mayoría estructuras austeníticas. En el estado de solución sólida y tratamiento de envejecimiento, hay fases intermetálicas y nitruros de carbono metálico en la matriz austenítica y los límites de grano de la aleación, y varias aleaciones resistentes a la corrosión se clasifican por composición y sus características son las siguientes:
La aleación Ni-Cu tiene mejor resistencia a la corrosión que el níquel en medios reductores, y mejor resistencia a la corrosión que el cobre en medios oxidantes, y es el mejor material para resistir el gas flúor a alta temperatura, el fluoruro de hidrógeno y el ácido fluorhídrico en ausencia de oxígeno y oxidantes .
La aleación Ni-Cr es también una aleación resistente al calor a base de níquel; se utiliza principalmente en condiciones de medio oxidante. Es resistente a la oxidación a alta temperatura y a la corrosión de gases que contienen azufre y vanadio, y su resistencia a la corrosión aumenta con el incremento del contenido de cromo. Este tipo de aleación también tiene buena resistencia a la corrosión por hidróxidos (como NaOH, KOH) y resistencia a la corrosión bajo tensión.
La aleación Ni-Mo se utiliza principalmente en condiciones de corrosión por medios reductores. Es una de las mejores aleaciones para resistir la corrosión por ácido clorhídrico, pero en presencia de agentes aeróbicos y oxidantes, la resistencia a la corrosión se reducirá significativamente.
La aleación Ni-cr-mo (W) tiene las propiedades de la aleación Ni-Cr y la aleación Ni-Mo anteriores. Se utiliza principalmente en condiciones de medios mixtos oxidantes y reductores. Este tipo de aleación tiene una buena resistencia a la corrosión en gas fluoruro de hidrógeno a alta temperatura, en ácido clorhídrico y solución de ácido fluorhídrico que contiene oxígeno y oxidante, y en gas cloro húmedo a temperatura ambiente.
La aleación Ni-Cr-Mo-Cu tiene la capacidad de resistir tanto la corrosión del ácido nítrico como la del ácido sulfúrico, y también presenta una buena resistencia a la corrosión en algunos ácidos mixtos reductores de la oxidación.
Campo de aplicación
Las superaleaciones a base de níquel se utilizan en muchos campos, como:
1. Océano: Estructuras marinas en el medio marino, desalinización del agua de mar, maricultura, intercambio térmico del agua de mar, etc.
2, protección del medio ambiente: generación de energía térmica de equipos de desulfuración de gases de combustión, tratamiento de aguas residuales.
3. Ámbito energético: generación de energía nuclear, aprovechamiento integral del carbón, generación de energía mareomotriz, etc.
4. 4. Sector petroquímico: refino de petróleo, equipos químicos, etc.
5. Ámbito alimentario: producción de sal, elaboración de salsa de soja, etc.
" Aleación de níquel resistente al desgaste
Los principales elementos de aleación son cromo, molibdeno, tungsteno, pero también contienen pequeñas cantidades de niobio, tantalio e indio. Además de la resistencia al desgaste, su resistencia a la oxidación, resistencia a la corrosión, el rendimiento de soldadura es bueno. Se puede utilizar como material de revestimiento, que puede ser recubierto en la superficie de otros materiales de base por la soldadura de superficie y el proceso de pulverización.
Los polvos a base de níquel incluyen polvo de aleación autofluente y polvo de aleación no autofluente.
El polvo a base de níquel no autofluente se refiere al polvo de aleación a base de níquel que no contiene B, Si o B, el contenido de Si es bajo. Este tipo de polvo se utiliza ampliamente en el recubrimiento por pulverización de arco de plasma, el recubrimiento por pulverización de llama y el refuerzo de superficies por plasma. Incluye principalmente: polvo de aleación Ni-Cr, polvo de aleación Ni-Cr-Mo, polvo de aleación Ni-Cr-Fe, polvo de aleación Ni-Cu, polvo de aleación Ni-P y Ni-Cr-P, polvo de aleación Ni-Cr-Mo-Fe, polvo de aleación Ni-Cr-Mo-Si de alta resistencia al desgaste, polvo de aleación Ni-Cr-Fe-Al, polvo de aleación N i-Cr-Fe-Al-B-Si, polvo de aleación Ni-Cr-Si, polvo de aleación Ni-Cr-W de resistencia al desgaste, etc.
El polvo de aleación autofundente a base de níquel se formó añadiendo la cantidad adecuada de B y Si al polvo de aleación de níquel. El llamado polvo de aleación autofundente también se conoce como aleación de baja eutéctica, aleación de superficie dura, que es una serie de materiales en polvo formados por la adición de elementos de aleación eutéctica de baja fusión (principalmente boro y silicio) a aleaciones a base de níquel, cobalto y hierro. Los polvos de aleación autofluidificante a base de níquel más utilizados son los siguientes: polvo de aleación Ni-B-Si, Ni-Cr-B-Si-Mo, Ni-Cr-B-Si-Mo-Cu, polvo de aleación autofluidificante a base de níquel con alto contenido en molibdeno, polvo de aleación autofluidificante a base de níquel con alto contenido en cromo y molibdeno, polvo de aleación autofluidificante a base de Ni-Cr-W-C, polvo de aleación autofluidificante a base de cobre con alto contenido en oro, polvo de aleación autofluidificante a base de níquel con dispersión de carburo de tungsteno, etc.
El papel de los distintos elementos en la aleación:
● El papel de los elementos de boro y silicio: reducir significativamente el punto de fusión de la aleación, ampliar la zona de temperatura de la fase sólido-líquido, y formar eutéctico de baja fusión; Reducción de la desoxidación y la función de escorificación; Endurecimiento y fortalecimiento del revestimiento; Mejorar el rendimiento del proceso de operación.
● El papel del elemento cobre: mejorar la resistencia a la corrosión de los ácidos no oxidantes.
● El papel del elemento cromo: fortalecimiento de la solución sólida, pasivación; Mejorar la resistencia a la corrosión y resistencia a la oxidación a alta temperatura; El exceso de cromo es fácil de formar la fase dura de carburo de cromo y boruro de cromo con carbono y boro, mejorando así la dureza y resistencia al desgaste de la aleación.
El papel del elemento molibdeno: el radio atómico es grande, la red cristalina se distorsiona después de la disolución, refuerza significativamente la matriz de aleación, y mejora la resistencia a altas temperaturas y la dureza al rojo de la matriz; Puede cortar y reducir el tejido reticular en el revestimiento; Mejora la resistencia a la cavitación y la erosión.
" Aleación de precisión a base de níquel
Incluye la aleación magnética blanda a base de níquel, la aleación de resistencia de precisión a base de níquel y la aleación de calentamiento eléctrico a base de níquel. La aleación magnética blanda más utilizada es la permaleación de níquel 80%, su permeabilidad máxima y su permeabilidad inicial son altas, la coercitividad es baja, es un material básico importante en la industria electrónica. Los principales elementos de aleación de la aleación de resistencia de precisión a base de níquel son cromo, aluminio y cobre. Esta aleación tiene alta resistividad, bajo coeficiente de temperatura de resistividad y buena resistencia a la corrosión, y se utiliza para fabricar resistencias. La aleación electrotérmica a base de níquel es una aleación de cromo-níquel 20% con buena resistencia a la oxidación y a la corrosión, y puede utilizarse durante mucho tiempo a 1000~1100℃.
" Aleación con memoria a base de níquel
Aleación de níquel que contiene 50(at)% de titanio. La temperatura de recuperación es de 70℃, y el efecto de memoria de forma es bueno. Un pequeño cambio en la proporción de componentes de níquel-titanio puede hacer que la temperatura de recuperación cambie en el rango de 30~100℃. Se utiliza ampliamente en la fabricación de piezas estructurales de apertura automática utilizadas en naves espaciales, sujetadores autoestimulantes utilizados en la industria aeroespacial, motores de corazón artificial utilizados en biomedicina, etc.
Tejido
Además de la matriz de austenita, hay fase γ' dispersa en la matriz, carburos secundarios en el límite de grano y carburos primarios y boruros precipitados durante la solidificación. Con el aumento del grado de aleación, los cambios de microestructura tienen la siguiente tendencia: el número de fases γ' aumenta gradualmente, el tamaño aumenta gradualmente, y el tamaño de la fase γ' se convierte en un cubo, y el tamaño y la forma de la misma aleación aparecen diferentes fases γ'. En la aleación de colada, también se forma el eutéctico γ+γ' durante el proceso de solidificación, y el límite de grano precipita carburo granular discontinuo y está rodeado por películas finas de fase γ'. Estos cambios en la microestructura mejoran las propiedades de la aleación.
La composición química de las aleaciones modernas a base de níquel es muy compleja, y la saturación de la aleación es muy alta, por lo que es necesario controlar estrictamente el contenido de cada elemento de aleación (especialmente el principal elemento de refuerzo), de lo contrario será fácil que precipiten fases nocivas durante el uso, como la fase σ, µ, dañando la resistencia y tenacidad de la aleación. Se han desarrollado álabes de turbina de cristal direccional y álabes de turbina de cristal único en superaleaciones fundidas a base de níquel.
La hoja de cristal direccional elimina los límites de grano transversales que son sensibles a agujeros y grietas, y hace que todos los límites de grano sean paralelos a la dirección del eje de tensión, mejorando así el rendimiento de servicio de la aleación. La hoja de cristal único elimina todos los límites de grano y no necesita añadir elementos de refuerzo de los límites de grano, de modo que la temperatura de fusión inicial de la aleación aumenta relativamente, mejorando así la resistencia a alta temperatura de la aleación y mejorando aún más las propiedades integrales de la aleación.
Tecnología de producción
Las aleaciones a base de níquel, especialmente las aleaciones reforzadas por precipitación, contienen elementos de alta aleación como el aluminio y el titanio. Suelen fundirse en hornos de inducción de vacío y refundirse en hornos consumibles de vacío u hornos de electroescoria. Procesamiento en caliente mediante forja, proceso de laminación, para aleación de alta aleación, debido a la pobre termoplasticidad, el uso de extrusión después de la laminación o con acero dulce (o acero inoxidable) vaina proceso de extrusión directa. La aleación fundida suele fundirse en un horno de inducción al vacío, y las piezas se fabrican mediante refundición al vacío y fundición de precisión.
La aleación deformada y parte de la aleación fundida necesitan ser tratadas térmicamente, incluyendo tratamiento de solución, tratamiento intermedio y tratamiento de envejecimiento, tomando la aleación Udmet 500 como ejemplo, su sistema de tratamiento térmico se divide en cuatro etapas: tratamiento de solución, 1175℃, 2 horas, enfriamiento por aire; Tratamiento intermedio, 1080℃, 4 horas, enfriamiento por aire; Tratamiento de envejecimiento único, 843℃, 24 horas, enfriamiento por aire; Tratamiento de envejecimiento secundario, 760℃, 16 horas, enfriamiento por aire. Con el fin de obtener el estado de organización requerido y un buen rendimiento integral.
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