Pomorski fakultet u Rijeci

TEHNOLOGIJA MATERIJALA I OBRADE

seminarski rad

SUPERLEGURE

Profesor: dr.sc. Nikola Tomac

U Rijeci, 08.01.2013. Student: Daniel ekar

SUPERLEGURE

Superlegure jesu materijali na bazi nikla odnosno kobalta koji se primjenjuju pri visokim radnim temperaturama. U usporedbi s ostalim metalnim materijalima ove se legure koriste za najvie radne temperature, do 1100 C.

1.1. Svojstva superlegura

Glavno obiljeje superlegura na bazi nikla i kobalta je kubina plono centrirana (FCC) kristalna struktura u podruju povienih i visokih temperatura.

Ove legure imaju visoku gustou, oko 8900 kg/m3 , to je znaajno vie u poredbi s aluminijskim i titanovim legurama, pa i elikom.

Tale se pri relativno visokim temperaturama. Talite istog nikla iznosi 1453 C, a kobalta 1495 C.

To su materijali visoke krutosti odreene vrijednou modula elastinosti koji za niklove legure iznosi 210000 N/mm2 , dok je kod kobaltovih legura Youngov modul samo neznatno nii, 209000 N/mm2 .

Veina superlegura, osim nekih na bazi kobalta, toplinski je ovrstljiva postupkom homogenizacijskog arenja, gaenja i naknadnog dozrijevanja. Mehanizmom precipitacijskog ovrsnua znatno se moe povisiti vrstoa.

Visoku mehaniku otpornost ove legure zadravaju i u podruju povienih I visokih temperatura te pokazuju vrlo veliku otpornost puzanju.

2

I nikal i kobalt su metali s feromagnetinim svojstvima. S time je povezana magnetostrikcija koja oznaava malu promjenu volumena koja se javlja uslijed magnetne uzbude.

Legure na bazi nikla izvanredno su postojane na koroziju. Otporne su na atmosferske utjecaje, postojane u morskoj vodi, neoksidirajuim hladnim kiselinama, lunatim otopinama i rastaljenim jakim luinama. Zbog kristale grae zadravaju ilavost pri niskim temperaturama, hladno su oblikovljive, ali se zbog velike brzine hladnog ovrsnua moraju odarivati tijekom prerade.

Kobaltove superlegure su dobro toplo oblikovljive i ogranieno hladno oblikovljive.

Oteana deformacija u hladnom stanju posljedica je klizanja samo po baznim ravninama heksagonske jedinine elije.

Ovi se materijali najvie prerauju lijevanjem, kovanjem i valjanjem, a mogua je I proizvodnja metalurgijom praha.

Visoka cijena superlegura posljedica je visoke cijene legirnih elemenata I sloenog procesa proizvodnje da bi se dobio materijal visoke vrstoe u podruju povienih i visokih temperatura.

3

1.2. Niklove superlegure

Niklove legure su ponajprije razvijene radi njihove otpornosti na koroziju I mehanike otpornosti pri visokim temperaturama . Kako se vremenom poveavala potranja za materijalima koji izdravaju sve vie radne temperature, dolo je do razvoja grupe materijala pod imenom superlegure .

Korozijski postojane i toplinski otporne legure nikla, koje se nalaze u tehnikoj primjeni, openito se mogu podijeliti prema legirnim elementima u skupine s odgovarajuim trgovakim nazivima.

Podjela niklovih legura

Skupina Trgovako ime1. Nikal-bakar Monel (Nic orros)Nikal-krom Nimonic (Nicrofer)2. Nikal-molibden-krom Hastelloy

(Nimofer)3. Nikal-krom-eljezo Inconel (Nicrofer)Nikal-eljezo-krom4. Nikal-krom-aluminij-titan-kobalt-volfram- Incoloy

(Nicrofer)molibden-ugljik

Viekomponentne superlegure sadre pored nikla i kobalta

visoke udjele kroma i manje udjele visokotaljivih elemenata molibdena i volframa, te titana i aluminija. Njihovo je glavno obiljeje visoka vrstoa pri povienim i visokim temperaturama te otpornost puzanju sve do temperatura 0,7T (T talite u K). Otpornost puzanju temelji se na visokoj temperaturi talita, FCC kristalnoj grai i precipitacijski ovrsnutoj mikrostrukturi. Kako je puzanje toplinski aktiviran proces koji u ovim legurama znaajnije nastupa u podruju temperatura viih od 0,7T to e ovi materijali s visokom temperaturom taljenja biti u prednosti pred drugim konstrukcijskim legurama kod kojih puzanjenastupa ve pri temperaturama iznad 0,3T (T talite u K).

Osim temperature talita temperaturno podruje primjene superlegura ograniava i temperatura koagulacije precipitata. S obzirom na kristalnu grau ove legure zadravaju kubinu plonocentriranu reetku koju openito karakterizira 100 puta manji koeficijent difuzije u odnosu na kubinu prostorno centriranu strukturu. Time je pokretljivost atoma u FCC strukturama manja i oteano je gibanje dislokacija to uzrokuje manju sklonost plastinom teenju pri visokim temperaturama.

Trei imbenik presudan za pojavu puzanja je mikrostruktura koja mora biti dodatno ovrsnuta da bi materijal mogao izdrati visoke radne temperature. Kako je osnovni princip dobivanja visokovrstih materijala stvaranje zapreka gibanju dislokacija, dva mehanizma ovrsnua osobito s u djelotvorna u podruju visokih temperatura:

- ovrsnue kristalima mjeancima (ovrsnue legiranjem) i- ovrsnue izluivanjem (precipitacijom).

Mehanika otpornost superlegura ostvaruje se otapanjem legirnih elemenata u kristalima mjeancima matrice i precipitacijom intermetalnih spojeva i/ili karbida u austenitnoj matrici.

Na ovrsnue kristalima mjeancima najjae djeluje kobalt, ali tek iznad 16 %. Na ovrsnue precipitacijskim mehanizmom djeluju:

- krom (uz otapanje u austenitnoj matrici) stvaranjem karbida Cr 23 C6 ;

- aluminij i titan stvaranjem koherentne ' intermetalne faze (Ni3Al) kubino plono centrirane strukture i nekoherentne intermetalne faze (Ni3Ti) heksagonske reetke;

- niobij stvaranjem '' intermetalne faze (Ni3Nb) tetragonalne prostorno centrirane (BCT) reetke i intermetalne faze (Ni3Nb) ortorompske reetke;

- molibden, tantal i vanadij stvaranjem karbida.

Osim navedenih legirnih elemenata superlegure mogu sadravati jo i lantanide i magnezij, kao i manji udjele bora i cirkonija koji oteavaju klizanje po granicama zrna, to poveava otpornost puzanju.

Toplinski se obrauju homogenizacijskim (rastvornim) arenjem, gaenjem I naknadnim dozrijevanjem u svrhu precipitacijskog ovrsnua . Legure arene pri 1080 C hlade se na zraku do okoline temper ature i potom dozrijevaju pri 710 C kada zapoinje precipitacija intermetalnih faza Ni3Al i Ni3Ti koje uspjeno oteavaju gibanje dislokacija i time povisuju granicu razvlaenja na 750 N/mm2.

Niklove superlegure smiju se trajno opteretiti do temperature najvie 1100 C . Meutim, sposobne su kratkotrajno izdrati i vie temperature ak do 1400 C pa slue za izradu, toplinski i mehaniki visokooptereenih dijelova kao to je primjerice zrakoplovna plinska turbine.

Lopatica turbine predstavlja tipian primjer uspjenosti primjene niklove superlegure jer treba podnijeti velik a naprezanja pri visokim temperaturama koja uzrokuju puzanje, a mora biti otporna i na pojavu mehanikog i toplinskog umora uslijed estih oscilacija naprezanja pri radnoj temperaturi i estih temperaturnih promjena. Kako kod puzanja granice zrna predstavljaju slabija mjesta u odnosu na unutranjost kristala, krupnozrnata mikrostruktura je bolja u odnosu na sitnozrnatu. Jo je povoljnija u tom pogledu monokristalna struktura. Tako je od niklove superlegure izraena monokristalna turbinska lopatica sainjena samo od jednog kristala. Dodatno se otpornost puzanju moe poboljati usmjeravanjem kristalne reetke tako da najvea vlana naprezanja djeluju u smjeru najvee otpornosti reetke

1.3. Kobaltove superlegure

Kobalt se javlja u dvije alotropske modifikacije. Skruuje pri temperaturi 1495 C modifikacija kao s kubinom plono centriranom (FCC) strukturom koja pri temperaturi 417 C prelazi u stabilnu heksagonsku modifikaciju . Ova prekristalizacija odvija se preklopnim mehanizmom pa se moe opisati kao martenzitna pretvorba.

Toplinski otporne lijevane, kovane i sinterirane kobaltove superlegure postojane pri temperaturama do 1000 C upotrebljavaju se za sline namjene kao i toplinski postojane legure nikla, jer kod jednih i drugih kubini plono centrirani (FCC) kristali mjeanci posjeduju bolju vrstou na visokim temperaturama od struktura s kubinim prostorno centriranim (BCC) kristalima mjeancima. Razlog tome su vie temperature opravka i rekristalizacije i manja difuzijska pokretljivost atoma u FCC reetci.

Za razliku od niklovih superlegura kod kojih se vrstoa pri visokim

temperaturama prvenstveno postie precipitacijom intermetalnih spojeva, kod legura na bazi kobalta izluuju se veinom karbidi . Sastav kobaltovih superlegura kree se u granicama: 30 do 65 % kobalta, 15 do 30 % kroma, 0 do 20 % eljeza, 0 do 32 % nikla I do 1,1 % ugljika. Ostali legirni elementi: volfram, molibden, vanadij, titan, niobij, tantal, cirkonij i bor dodaju se s iskljuivom svrhom stvaranja karbida I karbonitraba.

Visok sadraj kroma u ovim legurama osigurava antikorozivnost i pos pjeuje ovrsnue otapanjem u kristalima mjeancima matrice i stvaranjem kromovih.

Udjel kroma moe se smanjiti ako se ne zahtijeva znatnija otpornost na koroziju pri visokim temperaturama. Nikal u ovim legurama ima dvostruko djelovanje: ovruje kristale mjeance i stabilizira kubinu plono centriranu mikrostrukturu.

Mehanika svojstva veine kobaltovih superlegura postiu se rastvornim arenjem, gaenjem i dozrijevanjem kao primjerice legure CoCr20Ni20W koja je arena pri temperaturi 1175 C kada se otapaju interm etalni spojevi i karbidi i prelaze u vrstu otopinu, a nakon gaenja u vodi dodatno zagrijana na 760 C ime se omoguuje izluivanje sitnih karbida koji usporavaju gibanje dislokacija i oteavaju klizanje po granicama zrna.

Kod nekih kobaltovih legura nije uvijek potrebno provoditi dozrijevanje jer je dostatan mehanizam ovrsnua legiranje kao primjerice kod legure CoCr20W15Ni koja u rastvorno arenom i gaenom stanju ve posjeduje zadovoljavajuu vrstou.

Toplinski otporne kobaltove legure primjenjuju se za nerotirajue dijelove plinskih turbina i mlaznih motora jer im je vrstoa pri visokim temperaturama neto nia nego za legure na bazi nikla. Ove se legure upotrebljavaju za radne temperature do 1000 C .

Superlegure na bazi kobalta kao i one na bazi nikla ne preporuuje se upotrebljavati iznad 1000 C (1100 C) jer dolazi do ponovnog otapanja precipitata i karbida u vrstoj otopini ili koagulacije ime padaju vrijednosti vrstoe.

Legure na bazi kobalta openito su otporne na koroziju i pojavu umora. Preteno se lijevaju zbog oteane oblikovljivosti i obradljivosti odvajanjem estica. To su ujedno I dobro zavarljive legure. Legura poznata kao Stellite 6B (61,5 %Co, 30 %Cr, 4,5 %W, 1%Ni, 1 %Fe, 1 %C) koristi za navarivanje dijelova otpornih na abrazisko troenje.

Literatura:- Materijali u zrakoplovstvu; Danko ori, Tomislav Filetin - http://en.wikipedia.org/wiki/Superalloy