Slitiny niklu jsou kategorizovány na základě jejich složení, vlastností a aplikací. Mezi hlavní typy patří:
Slitiny niklu-železa: Obsahujte 30–70% niklu se železem jako sekundárním prvkem, často s doplňky jako chrom, molybden nebo měď. Příklady zahrnují invar (64% NI, 36% Fe), známé pro nízkou tepelnou roztažku a Permalloy (78% NI, 22% Fe), používané v magnetických aplikacích.
Slitiny niklu-koppera: Obvykle se skládá z 60–70% niklu a 20–30% mědi, s menšími prvky, jako je železo nebo mangan. Monel 400 (67% NI, 30% CU) je příkladem, který je oceňován pro odolnost proti korozi v mořském a chemickém prostředí.
Slitiny niklu-chromia: Vlastní vysoký chrom (10–30%) pro oxidační odolnost, s niklem jako základnou. Inconel 600 (76% NI, 16% CR, 8% Fe) se široce používá ve vysokoteplotních prostředích, jako jsou pece a výměníky tepla.
Nickel-Molybdenum slitiny: Bohaté na molybden (15–30%), aby odolával korozi kyselinami (např. Kyselina chlorovodíková). Hastelloy B-2 (62% NI, 28% MO) je klíčovým příkladem používaným při chemickém zpracování.
Slitiny nikl-chromium-molybden: Kombinujte chrom a molybdenum pro vyváženou oxidaci a korozní rezistenci. Hastelloy C-276 (57% NI, 16% CR, 16% mo) vyniká v drsných prostředích, jako jsou roztoky bohatá na chloridy.
Slitiny nikl-titanium (slitiny s tvarovou pamětí): Jako je nitinol (55% NI, 45% TI), který vykazuje účinky s tvarovou pamětí a superelasticitu, používané ve zdravotnických prostředcích (stenty) a aerospace.
Nickel SuperLoys: Vysoce výkonné slitiny s niklem jako základnou (30–70%), vylepšené prvky, jako je chrom, kobalt, hliník a titan pro extrémní vysokou teplotu. Příklady zahrnují Inconel 718 a slitiny s jedním krystalem, jako je CMSX-4.
Magnetické vlastnosti niklových superalimů závisí na jejich složení, zejména na obsahu niklu a legovacích prvků.
Nickel sám je feromagnetický(přitahováno magnety) při teplotě místnosti. Mnoho niklových superalimů je všaknemagnetický nebo slabě magnetickýKvůli přiléčení, které narušují feromagnetický řád.
Například:
Inconel 718, obsahující ~ 52% NI spolu s chromem, niobiem a molybdenem, je obecně nemagnetický ve svém žíhaném nebo stárném stavu.
Alloys with higher nickel content (e.g., >80%) si může udržet slabý feromagnetismus, ale to je vzácné u supermiojů, kde chrom a další prvky často potlačují magnetické chování.
Klíčovým důvodem je to, že prvky jako chrom, molybden a kobalt mohou snížit teplotu feromagnetické kurie niklu, což činí slitiny nemagnetické při teplotě místnosti. Tato vlastnost je výhodná v leteckých a elektrických aplikacích, kde musí být minimalizována magnetická rušení.
Karbidy jsou důležitými sraženinami v niklových superametech, které jsou tvořeny uhlíkem reagujícími s refrakterními kovy. Zvyšují vysokoteplotní sílu, odolnost vůči dotvaru a stabilitu hranice zrna. Mezi běžné karbidy patří:
MC Carbides: Krychlové karbidy se strukturou typu NaCl, kde „M“ představuje kovy jako titan (TIC), tantalum (TAC), niobium (NBC) nebo hafnium (HFC). Tyto se formují během tuhnutí a často se nacházejí jako diskrétní částice, posilují matrici a inhibují růst zrna.
M₂₃c₆ karbidy: Komplexní karbidy (např. Cr₂₃c₆, (Cr, mo) ₂₃c₆), které se vysráží na hranicích zrn. Zlepšují sílu hranice zrna a snižují intergranulární praskání při vysokoteplotním stresu. Chrom je primární kov v m₂₃c₆, v některých případech s nahrazením molybdenu nebo wolframu.
M₆c karbidy: Hexagonální nebo krychlové karbidy (např. (Mo, W, Ni) ₆c), které se tvoří při středních teplotách. Často se vyskytují ve slitinách bohatých na molybden nebo wolfram (např. Hastelloy X) a přispívají k odolnosti proti tečení připnutím dislokací.
M₇c₃ karbidy: Méně běžné, ale pozorované v některých slitinách, se tyto karbidy (např. Cr₇c₃) mohou vytvořit během tepelného zpracování a mohou se transformovat na m₂₃c₆ při vyšších teplotách.
Distribuce a typ karbidů jsou kontrolovány tepelným zpracováním, což zajišťuje optimální mechanické vlastnosti pro vysokoteplotní službu.
Superheliony na bázi niklu mají relativně nízkou tepelnou vodivost ve srovnání s kovy, jako je měď nebo hliník, což je vlastnost, která vyrovnává zadržování tepla a strukturální integritu v aplikacích s vysokou teplotou.
Typické hodnoty: Tepelná vodivost se pohybuje od10 až 25 w/(m · k)Při teplotě místnosti mírně snižuje při zvýšených teplotách. Například:
Inconel 718: ~ 11 w/(m · k) při 20 stupních, ~ 16 w/(m · k) při 800 °.
CMSX-4 (jednokrystalový superralloy): ~ 12 W/(m · k) při 20 stupních, ~ 18 W/(m · K) při 1 000 stupňů.
Hastelloy X: ~ 14 w/(m · k) při 20 stupních, ~ 20 w/(m · k) při 800 stupňů.
Faktory ovlivňující vodivost: Legovací prvky (např. Molybden a wolfram snižují vodivost), mikrostrukturální rysy (např. Vyvolávají rozptylové fonony, snižující tepelný transport) a teplota (vodivost se mírně zvyšuje s teplotou v důsledku zvýšeného fononového pohybu).
Význam inženýrství: Nízká tepelná vodivost pomáhá udržovat teplo v horkých řezech plynových turbín, snižuje tepelné gradienty a zlepšuje účinnost. Rovněž minimalizuje přenos tepla na chladnější komponenty a chrání je před přehřátím.
Superaliony na bázi niklu jsou v leteckém prostoru kritické kvůli jejich schopnosti odolat extrémních teplotách, mechanickému stresu a korozi. Mezi klíčové slitiny a jejich aplikace patří:
Inconel 718:
Složení: ~ 52% NI, 19% Cr, 18,5% Fe, 5% NB, 3% mo, 1% TI, 0,6% AL.
Aplikace: Turbínové disky, lopatky a pouzdra v proudových motorech (např. Nízkotlaké turbíny) a raketových motorech. Jeho vynikající svařovatelnost a vysoká pevnost při 650–700 stupňů je pro strukturální komponenty univerzální.
Inconel 625:
Složení: ~ 61% NI, 21,5% Cr, 9% mo, 3,6% NB, 2,5% Fe.
Aplikace: Spalovací komory, výfukové systémy a potrubí. Jeho vynikající oxidační odolnost (do 1 093 stupňů) a korozní odolnost oblek drsných prostředí motoru.
Waspaloy:
Složení: ~ 58% NI, 19% Cr, 13% CO, 4,3% mo, 3% TI, 1,4% AL.
Aplikace: Vysokotlaké disky a lopatky turbíny ve vojenských a komerčních proudových motorech. Nabízí vynikající odolnost vůči dotvarování při 760–815 stupňů.
Jednorázové superaliony (např. CMSX-4, PWA 1484):
Složení: ~ 60–65% NI, 10–20% Cr, 5–10% CO, 5–8% AL, 5–10% W, s přídavkou TA, TI nebo RE.
Aplikace: Vysokotlaké lopatky turbíny v pokročilých proudových motorech (např. Boeing 787, Airbus A350). Jejich jednokrystalická struktura eliminuje hranice zrn, drasticky snižuje creep a zlepšuje pevnost při 1 000–1 100 stupňů.
Haynes 282:
Složení: ~ 57% NI, 20% Cr, 10% CO, 8,5% mo, 2,1% TI, 1,5% AL.
Aplikace: Turbínové disky a pouzdra u motorů nové generace. Kombinuje vysokoteplotní sílu se zlepšenou výrobou ve srovnání se staršími slitinami.
Tyto slitiny umožňují leteckým motorům pracovat při vyšších teplotách, zvyšování palivové účinnosti a tahu při zajišťování dlouhodobé spolehlivosti.
