آلیاژهای مبتنی بر نیکل چیست؟ این مقاله را بخوانید تا همه چیز را بفهمید!

آلیاژ پایه نیکل به نوعی از آلیاژ اطلاق می شود که دارای خواص جامعی مانند استحکام بالا و مقاومت معین در برابر اکسیداسیون و خوردگی در دماهای بالای 650 تا 1000 درجه می باشد.

با توجه به خواص اصلی، آنها به آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت مبتنی بر نیکل، آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مبتنی بر نیکل، آلیاژهای مقاوم در برابر سایش مبتنی بر نیکل، آلیاژهای دقیق مبتنی بر نیکل و آلیاژهای حافظه شکل مبتنی بر نیکل تقسیم می شوند.

آلیاژهای دمای بالا با توجه به بسترهای مختلف به آلیاژهای درجه حرارت بالا مبتنی بر آهن، آلیاژهای با دمای بالا مبتنی بر نیکل و آلیاژهای درجه حرارت بالا مبتنی بر کبالت تقسیم می شوند. در میان آنها، آلیاژهای مبتنی بر نیکل با دمای بالا به عنوان آلیاژهای مبتنی بر نیکل شناخته می شوند.

مواد نماینده آلیاژهای مبتنی بر نیکل عبارتند از:

1. آلیاژ Incoloy، مانند Incoloy800، جزء اصلی است. 32Ni-21Cr-Ti، Al; این یک آلیاژ مقاوم در برابر حرارت است.

2. آلیاژ Inconel، مانند Inconel600، جزء اصلی است. 73Ni-15Cr-Ti، Al; این یک آلیاژ مقاوم در برابر حرارت است.

3. آلیاژ Hastelloy، مانند Hastelloy C-276، جزء اصلی است; 56Ni-16Cr-16Mo-4W; این یک آلیاژ مقاوم در برابر خوردگی است.

4. آلیاژ مونل، یعنی آلیاژ مونل، مانند مونل 400، جزء اصلی است; 65Ni-34Cu; این یک آلیاژ مقاوم در برابر خوردگی است.

عناصر آلیاژی اصلی

عناصر آلیاژی اصلی عبارتند از کروم، تنگستن، مولیبدن، کبالت، آلومینیوم، تیتانیوم، بور، زیرکونیوم و غیره که در این میان کروم، Ai و غیره عمدتاً نقش آنتی اکسیدان را ایفا می کنند و عناصر دیگر دارای تقویت محلول جامد، تقویت کننده بارش و تقویت مرز دانه

استحکام بالا و مقاومت خاصی در برابر اکسیداسیون و خوردگی در دمای بالای 650 تا 1000 درجه دارد. به دلیل استحکام بالای دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی، اغلب در ساخت تیغه‌های موتور هواپیما، موتورهای موشک، راکتورهای هسته‌ای و تجهیزات تبدیل انرژی استفاده می‌شود. قطعات با دمای بالا

تاریخچه توسعه

آلیاژهای با دمای بالا مبتنی بر نیکل (که از این پس آلیاژهای مبتنی بر نیکل نامیده می شوند) در اواخر دهه 1930 ساخته شدند. بریتانیا برای اولین بار آلیاژ مبتنی بر نیکل Nimonic 75 (Ni-20Cr-0.4Ti) را در سال 1941 تولید کرد. به منظور بهبود قدرت خزش، آلومینیوم برای توسعه Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al) اضافه شد. ایالات متحده در اواسط{16}}، اتحاد جماهیر شوروی در اواخر دهه 1940، و چین در اواسط{18}} نیز آلیاژهای مبتنی بر نیکل تولید کردند. توسعه آلیاژهای مبتنی بر نیکل شامل دو جنبه است: بهبود ترکیب آلیاژ و نوآوری در فرآیندهای تولید. در اوایل دهه 1950، توسعه فناوری ذوب خلاء شرایطی را برای پالایش آلیاژهای مبتنی بر نیکل حاوی آلومینیوم و تیتانیوم بالا ایجاد کرد. بیشتر آلیاژهای اولیه مبتنی بر نیکل آلیاژهای تغییر شکل یافته بودند. در اواخر دهه 1950، به دلیل افزایش دمای عملکرد پره های توربین، آلیاژ مورد نیاز بود که مقاومت بالاتری در دمای بالا داشته باشد. با این حال، زمانی که استحکام آلیاژ بالا بود، تغییر شکل آن دشوار یا حتی غیرممکن خواهد بود. بنابراین، فناوری ریخته گری سرمایه گذاری برای توسعه یک سری از آلیاژها با عملکرد خوب استفاده شد. آلیاژ ریخته گری با مقاومت در دمای بالا. در اواسط{26}}، کریستالیزاسیون جهت دار و سوپرآلیاژهای تک بلور و سوپرآلیاژهای متالورژی پودر با خواص بهتر توسعه یافتند. به منظور پاسخگویی به نیاز کشتی‌ها و توربین‌های گاز صنعتی، تعدادی از آلیاژهای مبتنی بر نیکل با کروم بالا با مقاومت در برابر خوردگی گرم و ساختار پایدار از دهه 1960 توسعه یافته‌اند. در حدود 40 سال از اوایل دهه 1940 تا اواخر دهه 1970، دمای عملیاتی آلیاژهای مبتنی بر نیکل از 700 درجه به 1100 درجه افزایش یافت که میانگین افزایش آن در حدود 10 درجه در سال بود.

What are nickel-based alloys? Read this article to understand it all!

مواد و خواص

سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل بیشترین استفاده را دارند. دلایل اصلی این است که اولا، آلیاژهای مبتنی بر نیکل می توانند عناصر آلیاژی بیشتری را حل کرده و پایداری ساختاری بهتری را حفظ کنند. ثانیاً، آنها می توانند ترکیبات بین فلزی منسجم و مرتب از نوع A3B را تشکیل دهند [Ni3(Al, Ti)] به عنوان یک فاز تقویتی، آلیاژ را می توان به طور موثر تقویت کرد و استحکام بالاتری در دمای بالا نسبت به سوپرآلیاژهای مبتنی بر آهن و سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت به دست آورد. ثالثاً آلیاژهای مبتنی بر نیکل حاوی کروم دارای خواص اکسیداسیون و مقاومت بهتری نسبت به سوپرآلیاژهای مبتنی بر آهن هستند. قابلیت خوردگی گاز آلیاژهای مبتنی بر نیکل حاوی بیش از ده عنصر هستند که در بین آنها کروم عمدتاً نقش ضد اکسیداسیون و ضد خوردگی را ایفا می کند و عناصر دیگر عمدتاً نقش تقویت کننده را ایفا می کنند. با توجه به حالت تقویت آنها، آنها را می توان به: عناصر تقویت کننده محلول جامد، مانند تنگستن، مولیبدن، کبالت، کروم و وانادیم تقسیم کرد. عناصر تقویت کننده بارش، مانند آلومینیوم، تیتانیوم، نیوبیم و تانتالیوم؛ عناصر تقویت کننده مرز دانه، مانند بور، زیرکونیوم، منیزیم و عناصر خاکی کمیاب و غیره.

آلیاژهای با درجه حرارت بالا مبتنی بر نیکل شامل آلیاژهای تقویت شده با محلول جامد و آلیاژهای تقویت شده با رسوب با توجه به روش های تقویت آنها هستند.

فرایند تولید

از نظر ذوب: برای به دست آوردن فولاد مذاب خالص تر، محتوای گاز و محتوای عناصر مضر را کاهش دهید. در عین حال، به دلیل وجود عناصری که به راحتی اکسید می شوند مانند Al، Ti و غیره در برخی آلیاژها، کنترل ذوب بدون خلاء دشوار است. و برای به دست آوردن ترموپلاستیسیته بهتر، آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت مبتنی بر نیکل معمولاً توسط کوره‌های القایی خلاء ذوب می‌شوند یا حتی با ذوب القایی خلاء به اضافه کوره‌های مصرفی خلاء یا روش‌های ذوب مجدد کوره‌های الکتروسرباره تولید می‌شوند.

از نظر تغییر شکل: فرآیندهای آهنگری و نورد اتخاذ می شود. برای آلیاژهای با ترموپلاستی ضعیف، حتی فرآیندهای اکستروژن و سپس نورد یا اکستروژن مستقیم با روکش فولادی ملایم (یا فولاد ضد زنگ) استفاده می شود. هدف از تغییر شکل شکستن ساختار ریخته گری و بهینه سازی ریزساختار است.

ریخته گری: معمولاً از کوره القایی خلاء برای ذوب آلیاژ اصلی استفاده می شود تا از ترکیب و کنترل محتوای گاز و ناخالصی اطمینان حاصل شود و قطعات با استفاده از ریخته گری دقیق ذوب خلاء ساخته می شوند.

عملیات حرارتی: آلیاژهای تغییر شکل یافته و برخی از آلیاژهای ریخته گری نیاز به عملیات حرارتی، از جمله عملیات محلول، عملیات میانی و عملیات پیری دارند. با در نظر گرفتن آلیاژ Udmet 500 به عنوان مثال، سیستم عملیات حرارتی آن به چهار مرحله تقسیم می شود: تصفیه محلول، 1175 درجه، 2 ساعت، خنک کننده هوا. درمان متوسط، 1080 درجه، 4 ساعت، خنک کننده هوا. درمان اولیه پیری، 843 درجه، 24 ساعت، خنک کننده هوا. درمان پیری ثانویه، 760 درجه، 16 ساعت، خنک کننده هوا. به منظور کسب وضعیت سازمانی مورد نیاز و عملکرد کلی خوب.

آلیاژ مقاوم در برابر خوردگی مبتنی بر نیکل

عناصر آلیاژی اصلی مس، کروم و مولیبدن هستند. عملکرد جامع خوبی دارد و می تواند در برابر خوردگی اسیدی و خوردگی استرس مقاومت کند. اولین کاربرد (تولید شده در ایالات متحده در سال 1905) آلیاژ نیکل مس (Ni-Cu) بود که به عنوان آلیاژ مونل نیز شناخته می شود (آلیاژ مونل Ni 70 Cu30). علاوه بر این، آلیاژ نیکل کروم (Ni-Cr) (یعنی آلیاژ مقاوم در برابر حرارت مبتنی بر نیکل، آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی داغ در میان آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی)، آلیاژهای نیکل-مولیبدن (Ni-Mo) وجود دارد (به طور عمده به آن اشاره می شود. تا سری Hastelloy B، تولیدکنندگان حرفه ای داخلی آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی شامل موسسه تحقیقات آهن و فولاد پکن، شرکت های آلیاژ ویژه شانگهای Kangsheng، شرکت فناوری Beijing Rongpin Technology، Ltd.، Baoti Group Rare Metal Materials Co., Ltd. و غیره)، آلیاژ نیکل-کروم-مولیبدن (Ni-Cr-Mo) (به طور عمده به سری Hastelloy C اشاره دارد، تولید کنندگان آلیاژ مقاوم در برابر خوردگی حرفه ای داخلی شامل موسسه تحقیقات آهن و فولاد پکن، شرکت فناوری پکن رونگ پین، آموزشی ویبولیتین، Baoti Group Rare Metal Materials Co., Ltd., و غیره). در عین حال، نیکل خالص نیز نماینده معمولی آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مبتنی بر نیکل است. این آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مبتنی بر نیکل عمدتاً برای تولید قطعات برای محیط‌های مختلف مقاوم در برابر خوردگی مانند نفت، صنایع شیمیایی، برق و غیره استفاده می‌شوند.

رده آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مبتنی بر نیکل عمدتاً ساختار آستنیتی دارند. در حالت محلول جامد و عملیات پیری، فازهای بین فلزی و کربنیتریدهای فلزی بر روی ماتریس آستنیت و مرزهای دانه آلیاژ وجود دارد. آلیاژهای مختلف مقاوم در برابر خوردگی بر اساس ترکیب آنها طبقه بندی می شوند و ویژگی های آنها به شرح زیر است:

مقاومت به خوردگی آلیاژ Ni-Cu در محیط های احیا کننده بهتر از نیکل است و مقاومت به خوردگی آن در محیط های اکسید کننده بهتر از مس است. در غیاب اکسیژن و اکسیدان در برابر گاز فلوئور، هیدروژن فلوراید و هیدروژن فلوراید مقاوم است. بهترین ماده برای اسیدها (به خوردگی فلزات مراجعه کنید).

آلیاژ Ni-Cr یک آلیاژ مقاوم در برابر حرارت مبتنی بر نیکل است. عمدتاً در شرایط محیطی اکسید کننده استفاده می شود. مقاوم در برابر اکسیداسیون دمای بالا و خوردگی ناشی از گازهای حاوی گوگرد، وانادیوم و سایر گازها، مقاومت به خوردگی آن با افزایش محتوای کروم افزایش می یابد. این نوع آلیاژ همچنین مقاومت خوبی در برابر خوردگی هیدروکسید (مانند NaOH، KOH) و مقاومت در برابر خوردگی تنشی دارد.

آلیاژ Ni-Mo عمدتاً در شرایط کاهش خوردگی متوسط استفاده می شود. بهترین آلیاژ برای مقاومت در برابر خوردگی اسید هیدروکلریک است، اما در حضور اکسیژن و اکسیدان، مقاومت به خوردگی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

آلیاژ Ni-Cr-Mo(W) دارای خواص آلیاژ Ni-Cr و آلیاژ Ni-Mo است. عمدتاً در شرایط محیطی مخلوط اکسیداسیون و کاهش استفاده می شود. این نوع آلیاژ در گاز هیدروژن فلوراید با دمای بالا، محلول‌های اسید هیدروکلریک و اسید هیدروفلوئوریک حاوی اکسیژن و اکسیدان و گاز کلر مرطوب در دمای اتاق مقاومت به خوردگی خوبی دارد.

آلیاژ Ni-Cr-Mo-Cu در برابر خوردگی اسید نیتریک و اسید سولفوریک مقاوم است و همچنین در برخی از اسیدهای مخلوط احیا کننده اکسیداسیون مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد.

آلیاژ مقاوم در برابر سایش مبتنی بر نیکل

عناصر آلیاژی اصلی کروم، مولیبدن و تنگستن هستند و همچنین حاوی مقادیر کمی نیوبیم، تانتالیم و ایندیم هستند. علاوه بر مقاومت در برابر سایش، خواص ضد اکسیداسیون، مقاومت در برابر خوردگی و جوشکاری خوبی نیز دارد. می توان از آن برای ساخت قطعات مقاوم در برابر سایش استفاده کرد و همچنین می تواند به عنوان یک ماده پوشش دهنده برای پوشش سطح سایر مواد پایه از طریق فرآیندهای روکش و پاشش استفاده شود.

پودرهای آلیاژی مبتنی بر نیکل شامل پودر آلیاژ خود روان و پودر آلیاژ غیر خود روان هستند.

پودر مبتنی بر نیکل غیر خود روان به پودر آلیاژی مبتنی بر نیکل اطلاق می شود که حاوی B، Si یا دارای محتوای B و Si کم است. این نوع پودر به طور گسترده در پوشش های اسپری قوس پلاسما، پوشش های اسپری شعله ای و تقویت سطوح پلاسما استفاده می شود. به طور عمده شامل: پودر آلیاژ Ni-Cr، پودر آلیاژ Ni-Cr-Mo، پودر آلیاژ Ni-Cr-Fe، پودر آلیاژ Ni-Cu، پودر آلیاژ Ni-P و Ni-Cr-P، Ni-Cr-Mo-Fe پودر آلیاژ، پودر آلیاژ Ni-Cr-Mo-Si با مقاومت در برابر سایش بالا، پودر آلیاژ Ni-Cr-Fe-Al، پودر آلیاژ Ni-Cr-Fe-Al-B-Si، پودر آلیاژ Ni-Cr-Si، Ni - پودر آلیاژی مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر خوردگی و غیره مبتنی بر Cr-W.

با افزودن مقادیر مناسب B و Si به پودر آلیاژ نیکل، پودر آلیاژ خود روان بر پایه نیکل تشکیل می شود. پودر آلیاژ به اصطلاح خود روان که به عنوان آلیاژ یوتکتیک و آلیاژ سخت روبه‌رو نیز شناخته می‌شود، مجموعه‌ای از پودرهایی است که با افزودن عناصر آلیاژی (عمدتاً بور و سیلیکون) به وجود می‌آید که می‌تواند یوتکتیک با نقطه ذوب پایین به نیکل، کبالت و آهن ایجاد کند. آلیاژهای مبتنی بر مواد. پودرهای آلیاژی متداول مبتنی بر نیکل شامل پودر آلیاژ Ni-B-Si، پودر آلیاژ Ni-Cr-B-Si، Ni-Cr-B-Si-Mo، Ni-Cr-B-Si-Mo-Cu پودر آلیاژ خود روان بر پایه نیکل مولیبدن بالا، پودر آلیاژ خود روان بر پایه نیکل کروم مولیبدن بالا، پودر آلیاژ خود روان بر پایه Ni-Cr-WC، پودر آلیاژ خود روان کننده مس بالا، نیکل پراکندگی کاربید تنگستن- پودر آلیاژی مبتنی بر پودر آلیاژ و غیره

نقش عناصر مختلف در آلیاژها:

●نقش عناصر بور و سیلیکون: نقطه ذوب آلیاژ را به طور قابل توجهی کاهش می دهد، ناحیه دمای جامد-مایع را گسترش می دهد و یک یوتکتیک با ذوب کم را تشکیل می دهد. عملکردهای کاهش اکسیداسیون و سرباره دارند. سفت و تقویت پوشش؛ بهبود عملکرد فرآیند عملیاتی

●نقش عنصر مس: بهبود مقاومت در برابر خوردگی در برابر اسیدهای غیر اکسید کننده.
●نقش عنصر کروم: تقویت محلول جامد و غیرفعال سازی. بهبود مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا؛ کروم اضافی به راحتی فازهای سخت کاربید کروم و کروم بورید را با کربن و بور تشکیل می دهد تا سختی آلیاژ و جنس مقاومت در برابر سایش را بهبود بخشد.

●نقش عنصر مولیبدن: شعاع اتمی بزرگ آن باعث ایجاد اعوجاج زیادی در شبکه کریستالی پس از محلول جامد می شود، به طور قابل توجهی ماتریس آلیاژ را تقویت می کند، استحکام در دمای بالا و سختی قرمز ماتریس را بهبود می بخشد. می تواند ساختار شبکه را در پوشش برش داده و کاهش دهد. مقاومت در برابر گاز قابلیت های خوردگی و فرسایش آلیاژهای دقیق مبتنی بر نیکل را بهبود می بخشد.

از جمله آلیاژ مغناطیسی نرم مبتنی بر نیکل، آلیاژ مقاومتی دقیق مبتنی بر نیکل و آلیاژ الکتروترمال مبتنی بر نیکل و غیره. متداول ترین آلیاژ مغناطیسی نرم پرمالوی است که حاوی حدود 80 درصد نیکل است. دارای حداکثر نفوذپذیری مغناطیسی و نفوذپذیری مغناطیسی اولیه و نیروی اجباری کم است. این یک ماده مهم هسته آهن در صنعت الکترونیک است. عناصر آلیاژی اصلی آلیاژ مقاومت دقیق مبتنی بر نیکل کروم، آلومینیوم و مس هستند. این آلیاژ دارای مقاومت بالا، ضریب مقاومت دمایی پایین و مقاومت در برابر خوردگی خوب است و برای ساخت مقاومت استفاده می شود. آلیاژ گرمایش الکتریکی مبتنی بر نیکل یک آلیاژ نیکل حاوی 20 درصد کروم است. خاصیت ضد اکسیداسیون و ضد خوردگی خوبی دارد و در دمای 1000 تا 1100 درجه برای مدت طولانی قابل استفاده است.

آلیاژ حافظه دار مبتنی بر نیکل

آلیاژ نیکل حاوی 50 درصد تیتانیوم. دمای بازیابی آن 70 درجه و اثر حافظه شکل آن خوب است. یک تغییر کوچک در نسبت اجزای نیکل تیتانیوم می تواند دمای بازیابی را در محدوده 30 تا 100 درجه تغییر دهد. بیشتر برای ساخت قطعات ساختاری بازکننده خودکار مورد استفاده در فضاپیماها، اتصال دهنده های خود مهیج مورد استفاده در صنعت هوافضا، موتورهای قلب مصنوعی مورد استفاده در زیست پزشکی و غیره استفاده می شود.