ویژگی های سوپر آلیاژ نیکل اینکونل 718
Inconel 718 - خواص سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل چیست - تعریف
Inconel 718 یک سوپر آلیاژ مبتنی بر نیکل با خواص استحکام بالا و مقاومت در برابر دمای بالا است. همچنین محافظت قابل توجهی در برابر خوردگی و اکسیداسیون نشان می دهد.
سوپرآلیاژها - اینکونل - پره های توربین سوپرآلیاژها یا آلیاژهای با کارایی بالا آلیاژهای غیرآهنی هستند که در دماهای بالا استحکام و پایداری سطح عالی را از خود نشان می دهند. توانایی آنها برای عملکرد ایمن در نقاط ذوب بالاتر (تا 85٪ از نقطه ذوب (T m ) در درجه کلوین، 0.85) ویژگی کلیدی آنها است. سوپرآلیاژها معمولاً در دماهای بالاتر از 540 درجه (1000 درجه فارنهایت) استفاده میشوند، زیرا فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیوم در این دماها مقاومت خود را از دست میدهند و خوردگی نیز در فولاد در این دماها رایج است. در دماهای بالا، سوپرآلیاژها استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر تغییر شکل خزش حرارتی، پایداری سطح و مقاومت در برابر خوردگی یا اکسیداسیون را حفظ میکنند. برخی از سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل بسته به ترکیب آلیاژ می توانند دمای بیش از 1200 درجه را تحمل کنند. سوپرآلیاژها معمولاً به صورت تک کریستال ریخته می شوند و در حالی که مرزهای دانه استحکام می دهند، مقاومت خزشی را کاهش می دهند.
سوپر آلیاژ مبتنی بر نیکل
سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل در حال حاضر بیش از 50 درصد وزن موتورهای هواپیماهای پیشرفته را تشکیل می دهند. سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل شامل آلیاژهای تقویت شده با محلول جامد و آلیاژهای سخت کننده سن می باشند. آلیاژهای سختشونده از یک ماتریس آستنیتی (fcc) تشکیل شدهاند که در آن ترکیبات بین فلزی نیکل (Al, Ti) بهطور منسجم تهنشین شده و دارای ساختار fcc هستند. سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل آلیاژهایی هستند که نیکل عنصر اصلی آلیاژی آن است. در کاربردهایی که قبلاً بحث شد، سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل به عنوان مواد تیغه ای به جای سوپرآلیاژهای کبالت یا آهن ترجیح داده می شوند. برای سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل، استحکام بالا، مقاومت در برابر خزش و مقاومت در برابر خوردگی در دماهای بالا مهم است. پره های توربین معمولاً به صورت جامد جهت دار یا به صورت تک کریستالی ریخته می شوند. پره های تک کریستال عمدتاً در ردیف اول مراحل توربین استفاده می شوند.
آنها در اصل برای استفاده در توربوشارژرهای موتور پیستونی هواپیما ساخته شدند. امروزه بیشترین کاربرد در اجزای توربین هواپیما است که باید در محیط های اکسید کننده شدید و دمای بالا برای مدت زمان معقولی مقاومت کنند. برنامه های فعلی عبارتند از:
توربین گاز هواپیما
نیروگاه توربین بخار
کاربردهای پزشکی
موتورهای فضاپیما و موشک
تجهیزات عملیات حرارتی
نیروگاه هسته ای
نیکل عنصر اساسی سوپرآلیاژها است، گروهی از آلیاژهای نیکل، آهن نیکل و کبالت که در موتورهای جت استفاده می شود. این فلزات مقاومت بسیار خوبی در برابر تغییر شکل خزش حرارتی دارند و سفتی، استحکام، چقرمگی و پایداری ابعادی خود را در دماهای بسیار بالاتر از سایر مواد ساختاری هوافضا حفظ میکنند.
اینکونل 718
به طور کلی، Inconel یک علامت تجاری ثبت شده از Special Metals برای خانواده سوپرآلیاژهای آستنیتی مبتنی بر نیکل کروم است. Inconel 718 یک سوپر آلیاژ مبتنی بر نیکل با خواص استحکام بالا و مقاومت در برابر دمای بالا است. همچنین محافظت قابل توجهی در برابر خوردگی و اکسیداسیون نشان می دهد. استحکام دمای بالا Inconel با تقویت محلول جامد یا سخت شدن رسوب بسته به آلیاژ افزایش می یابد. اینکونل 718 از 55 درصد نیکل، 21 درصد کروم، 6 درصد آهن و مقادیر کمی منگنز، کربن و مس تشکیل شده است.
کاربردهای متداول سوپرآلیاژها در هوافضا و برخی دیگر از صنایع با فناوری پیشرفته است. این آلیاژ با دمای بالا مقاومت در برابر خوردگی را با استحکام مواد در برابر گرمای شدید ترکیب می کند و در صنعت هسته ای عملکرد خوبی دارد. برخی از نیروگاه های هسته ای از سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل برای هسته های راکتور، میله های کنترل و اجزای مشابه استفاده می کنند. در صنعت هسته ای به خصوص از سوپرآلیاژهای کم کبالت (به دلیل فعال شدن احتمالی کبالت 59) استفاده می شود. برخی از اجزای ساختاری مجموعه های سوخت هسته ای، مانند نازل های بالا و پایین، می توانند از سوپرآلیاژهایی مانند اینکونل ساخته شوند. شبکه جداکننده معمولاً از یک ماده مقاوم در برابر خوردگی با سطح مقطع جذب نوترون حرارتی کم، معمولاً آلیاژ زیرکونیوم (~{6}}.18 × 10-24 cm2) ساخته شده است. اولین و آخرین شبکههای جداکننده را میتوان از اینکونل کم کبالت، یک سوپر آلیاژ ایدهآل برای استفاده در محیطهای شدید که در برابر فشار و گرما مقاومت میکند، ساخته شود.
خزش حرارتی
خزش، همچنین به عنوان جریان سرد شناخته می شود، تغییر شکل دائمی است که در طول زمان تحت بار یا استرس ثابت افزایش می یابد. این ناشی از قرار گرفتن طولانی مدت در معرض تنش های مکانیکی خارجی زیاد است که منجر به حد تسلیم می شود و در موادی که برای مدت طولانی گرم شده اند شدیدتر است. نرخ تغییر شکل تابعی از خواص مواد، زمان قرار گرفتن در معرض، دمای قرار گرفتن در معرض، و بارهای ساختاری اعمال شده است. خزش پدیده بسیار مهمی است اگر از مواد در دمای بالا استفاده کنیم. خزش در صنعت برق بسیار مهم است و در طراحی موتورهای جت از اهمیت بالایی برخوردار است. برای بسیاری از موقعیتهای خزشی با طول عمر نسبتاً کوتاه (مانند پرههای توربین در هواپیماهای نظامی)، زمان پاره شدن یکی از ملاحظات طراحی اصلی است. البته برای تعیین آن باید تست های خزش تا حد خرابی انجام شود. به این آزمایشات پارگی خزش می گویند.
مقاومت در برابر خزش یک ماده تحت تأثیر عوامل زیادی مانند انتشار، رسوبات و اندازه دانه است. به طور کلی، سه روش کلی برای جلوگیری از خزش فلز وجود دارد. یک روش استفاده از فلزی با نقطه ذوب بالاتر، روش دوم استفاده از ماده ای با دانه بندی بزرگتر و روش سوم استفاده از آلیاژسازی است. فلزات مکعبی در مرکز بدن (BCC) مقاومت خزشی ضعیفی در دماهای بالا دارند. در نتیجه، سوپرآلیاژهای مبتنی بر Co، Ni و Fe، که معمولاً آلیاژهای آستنیتی مکعبی روبهمرکز هستند، میتوانند با مقاومت در برابر خزش بالا مهندسی شوند و بنابراین به مواد ایدهآل در محیطهای با دمای بالا تبدیل شدهاند.
استرس ترک خوردگی
یکی از جدیترین مشکلات متالورژیکی و یکی از دغدغههای اصلی در صنعت هستهای، ترک خوردگی تنشی (SCC) است. ترک خوردگی تنشی نتیجه ترکیب تنش کششی اعمال شده و محیط خورنده است که هر دو لازم هستند. SCC نوعی خوردگی خوردگی بین دانه ای است که در مرز دانه ها تحت اثر تنش کششی رخ می دهد. فولادهای کم آلیاژ کمتر از فولادهای پرآلیاژ حساس هستند، اما در آب حاوی یون کلرید به SCC حساس هستند. با این حال، آلیاژهای مبتنی بر نیکل تحت تأثیر یون های کلرید یا هیدروکسید قرار نمی گیرند. نمونه ای از آلیاژهای مبتنی بر نیکل که در برابر ترک خوردگی تنشی مقاوم است، Inconel است.
خواص آلیاژهای با دمای بالا – Inconel 718
خواص مواد خواص فشرده هستند، به این معنی که آنها مستقل از جرم هستند و ممکن است از مکانی به مکان دیگر در سیستم در هر زمان متفاوت باشند. مبانی علم مواد شامل مطالعه ساختار مواد و ارتباط آنها با خواص آنها (مکانیکی، الکتریکی و غیره) است. هنگامی که دانشمندان مواد این همبستگی ساختار-ویژگی را درک کردند، می توانند به مطالعه عملکرد نسبی مواد در یک کاربرد معین بپردازند. عوامل اصلی تعیین کننده ساختار یک ماده و خواص آن، عناصر شیمیایی تشکیل دهنده آن و نحوه پردازش آن به شکل نهایی آن است.
خواص مکانیکی آلیاژهای با دمای بالا - Inconel 718
مواد اغلب برای کاربردهای مختلف انتخاب می شوند زیرا دارای ترکیبی ایده آل از خواص مکانیکی هستند. برای کاربردهای ساختاری، خواص مواد حیاتی است و مهندسان باید آنها را در نظر بگیرند.
استحکام سوپرآلیاژها – Inconel 718
در مکانیک مواد، استحکام یک ماده توانایی آن در تحمل بار اعمال شده بدون شکست یا تغییر شکل پلاستیک است. استحکام یک ماده اساساً رابطه بین بار خارجی وارد شده بر ماده و تغییر شکل یا تغییر در ابعاد مواد را در نظر می گیرد. استحکام یک ماده توانایی آن در تحمل این بار اعمال شده بدون شکست یا تغییر شکل پلاستیک است.
استحکام کششی نهایی
استحکام کششی نهایی سوپرآلیاژ - Inconel 718 به فرآیند عملیات حرارتی بستگی دارد اما تقریباً 1200 مگاپاسکال است.
استحکام کششی نهایی حداکثر مقدار در منحنی تنش-کرنش مهندسی است. این مربوط به حداکثر تنشی است که می تواند توسط سازه در کشش تحمل شود. استحکام کششی نهایی اغلب به سادگی به عنوان "استحکام کششی" یا حتی به سادگی "نهایی" شناخته می شود. اگر این استرس اعمال شود و حفظ شود، می تواند باعث شکستگی شود. به طور معمول، این مقدار به طور قابل توجهی بالاتر از تنش تسلیم است (50 تا 60 درصد بیشتر از مقاومت تسلیم برخی از انواع فلزات). هنگامی که یک ماده انعطاف پذیر به استحکام نهایی خود می رسد، در جایی که سطح مقطع به طور موضعی کاهش می یابد، به سمت پایین می رود. منحنی تنش-کرنش شامل تنش های بالاتر از مقاومت نهایی نمی شود. حتی اگر تغییر شکلها میتوانند به افزایش خود ادامه دهند، تنشها معمولاً پس از رسیدن به استحکام نهایی کاهش مییابند. این یک خاصیت متراکم است. بنابراین مقدار آن به اندازه نمونه بستگی ندارد. با این حال، به عوامل دیگری مانند آماده سازی نمونه، محیط آزمایش و دمای مواد بستگی دارد. استحکام کششی نهایی از 50 مگاپاسکال برای آلومینیوم تا 3000 مگاپاسکال برای فولاد با استحکام فوق العاده بالا متغیر است.
قدرت تسلیم
استحکام تسلیم سوپرآلیاژ - Inconel 718 به فرآیند عملیات حرارتی بستگی دارد اما تقریباً 1030 مگاپاسکال است.
نقطه تسلیم نقطه روی منحنی تنش-کرنش است که حد رفتار الاستیک و شروع رفتار پلاستیک را نشان می دهد. استحکام تسلیم یا تنش تسلیم یک ویژگی ماده است که به عنوان تنشی که در آن ماده شروع به تغییر شکل پلاستیکی می کند تعریف می شود، در حالی که نقطه تسلیم نقطه ای است که در آن تغییر شکل غیرخطی (الاستیک + پلاستیک) شروع می شود. قبل از نقطه تسلیم، با حذف تنش وارده، ماده به طور ارتجاعی تغییر شکل داده و به شکل اولیه خود باز می گردد. هنگامی که از نقطه تسلیم فراتر رفت، مقداری از تغییر شکل دائمی و غیر قابل برگشت خواهد بود. برخی از فولادها و مواد دیگر رفتاری به نام پدیده نقطه تسلیم از خود نشان می دهند. استحکام تسلیم از 35 مگاپاسکال برای آلومینیوم کم استحکام تا بیش از 1400 مگاپاسکال برای فولاد با مقاومت فوق العاده بالا متغیر است.
مدول الاستیسیته یانگ
مدول الاستیسیته یانگ سوپرآلیاژ - Inconel 718 200 GPa است.
مدول الاستیسیته یانگ مدول الاستیسیته تحت تنش های کششی و فشاری در حالت الاستیک خطی تغییر شکل تک محوری است و معمولاً با آزمایش های کششی ارزیابی می شود. وقتی به تنش نهایی رسید، جسم قادر خواهد بود با برداشتن بار، ابعاد خود را بازیابد. تنش اعمال شده باعث می شود اتم ها در کریستال از موقعیت تعادل خود حرکت کنند. همه اتم ها به همان میزان جابه جا می شوند اما هنوز هندسه نسبی خود را حفظ می کنند. با حذف تنش، همه اتم ها به موقعیت اولیه خود باز می گردند و تغییر شکل دائمی رخ نمی دهد. طبق قانون هوک تنش متناسب با کرنش (در ناحیه کشسان) و شیب مدول یانگ است. مدول یانگ برابر است با تنش طولی تقسیم بر کرنش.
سختی سوپرآلیاژ – Inconel 718
سختی برینل سوپرآلیاژ - Inconel 718 به فرآیند عملیات حرارتی بستگی دارد اما تقریباً 330 مگاپاسکال است.
در علم مواد، سختی توانایی مقاومت در برابر فرورفتگی سطح (تغییر شکل پلاستیک موضعی) و خراش است. سختی شاید کمترین ویژگی مواد باشد که به خوبی تعریف شده است، زیرا ممکن است نشان دهنده مقاومت در برابر خراشیدگی، سایش، فرورفتگی یا حتی مقاومت در برابر تشکیل یا تغییر شکل موضعی پلاستیک باشد. از دیدگاه مهندسی، سختی مهم است زیرا مقاومت در برابر سایش در برابر اصطکاک یا حمله بخار، روغن و آب به طور کلی با افزایش سختی افزایش مییابد.
تست سختی برینل یکی از تست های سختی فرورفتگی است که برای تست سختی ابداع شده است. در آزمایش برینل، یک فرورفتگی کروی سخت به سطح فلز فشار داده می شود تا تحت یک بار خاص آزمایش شود. آزمایش معمولی از یک توپ فولادی سخت شده با قطر 1{1}} میلیمتر (0.39 اینچ) به عنوان فرورفتگی با نیروی 3،{4}} kgf (29.42 kN؛ 6614 پوند) استفاده میکند. بار برای یک زمان مشخص (بین 10 تا 30 ثانیه) ثابت می ماند. برای مواد نرم تر، از نیروی کمتری استفاده کنید. برای مواد سخت تر، از توپ های کاربید تنگستن به جای توپ های فولادی استفاده کنید.
این آزمایش نتایج عددی را برای تعیین کمیت سختی یک ماده ارائه می دهد که به عنوان عدد سختی برینل - HB بیان می شود. مقادیر سختی برینل توسط متداولترین استانداردهای آزمایشی (ASTM E{1}}[2] و ISO 6506–1:2005) HBW تعیین میشوند (H از سختی، B از سختی برینل، و W از تنگستن مواد فرورفتگی ( تنگستن) چیزهای کاربید). در استانداردهای قبلی، HB یا HBS برای اشاره به اندازهگیریهای انجام شده با دندانهدار فولادی استفاده میشد.
عدد سختی برینل (HB) بار تقسیم بر مساحت سطح فرورفتگی است. قطر قالب با استفاده از میکروسکوپ با مقیاس روی هم اندازه گیری می شود. مقدار سختی برینل با فرمول زیر محاسبه می شود:
چندین روش آزمایشی رایج وجود دارد (مانند برینل، نوپ، ویکرز و راکول). جداول همبستگی مقادیر سختی از روشهای آزمایش مختلف وجود دارد که در آن همبستگی قابل اعمال است. در همه مقیاس ها، مقادیر سختی بالا نشان دهنده فلزات سخت است.
خواص حرارتی آلیاژهای با دمای بالا - Inconel 718
خواص حرارتی یک ماده به واکنش آن به تغییرات دما و اعمال گرما اشاره دارد. هنگامی که یک جامد انرژی را به صورت گرما جذب می کند، دمای آن افزایش می یابد و اندازه آن افزایش می یابد. اما مواد مختلف به گرما واکنش متفاوتی نشان می دهند.
ظرفیت گرمایی، انبساط حرارتی و هدایت حرارتی خواصی هستند که اغلب در استفاده عملی از جامدات حیاتی هستند.
نقطه ذوب آلیاژ با دمای بالا - Inconel 718
نقطه ذوب سوپرآلیاژها - فولاد Inconel 718 دارای نقطه ذوب تقریباً 1400 درجه است.
به طور کلی، ذوب تغییر فاز یک ماده از فاز جامد به فاز مایع است. نقطه ذوب یک ماده دمایی است که در آن این تغییر فاز رخ می دهد. نقطه ذوب همچنین شرایطی را تعریف می کند که در آن جامدات و مایعات می توانند در تعادل باشند.
هدایت حرارتی آلیاژهای با دمای بالا - Inconel 718
آلیاژ دمای بالا - Inconel 718 دارای رسانایی حرارتی 6.5 W/(mK) است.
خواص انتقال حرارت مواد جامد با خاصیتی به نام هدایت حرارتی k (یا λ) بر حسب W/mK اندازهگیری میشود. این معیار توانایی یک ماده برای انتقال گرما از طریق یک ماده از طریق رسانش است. توجه داشته باشید که قانون فوریه برای همه مواد صرف نظر از حالت آن (جامد، مایع یا گاز) اعمال می شود، بنابراین در مورد مایعات و گازها نیز صدق می کند.
