Entwicklung und Anwendung von Superlegierungen auf Nickelbasis
Hochtemperaturlegierung bezieht sich auf eine Art Metallmaterial auf der Basis von Eisen, Nickel und Kobalt, das lange Zeit bei einer hohen Temperatur von über 600 °C und bestimmten Belastungen arbeiten kann. Und hat Hochtemperaturfestigkeit, gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, gute Ermüdungsleistung, Bruchzähigkeit und andere umfassende Eigenschaften. Die Superlegierung ist ein einzelnes austenitisches Gefüge, das eine gute Gefügestabilität und Betriebszuverlässigkeit bei verschiedenen Temperaturen aufweist. Dann hat die Hochtemperaturlegierung mit Nickel als Matrix (der Gehalt ist im Allgemeinen größer als 50%) im Bereich von 650–1000℃ eine hohe Festigkeit und eine gute Oxidationsbeständigkeit, und die Gaskorrosionsbeständigkeit wird als Superlegierung auf Nickelbasis bezeichnet (im Folgenden als „Nickelbasislegierung“ bezeichnet).
Die Entwicklung von Superlegierungen auf Nickelbasis umfasst zwei Aspekte: die Verbesserung der Legierungszusammensetzung und die Innovation der Produktionstechnologie. Superlegierungen auf Nickelbasis wurden Ende der 1930er Jahre entwickelt. Großbritannien produzierte 75 erstmals die Superlegierung Nimonic 20 (Ni-0.4Cr-1941Ti) auf Nickelbasis. Um die Kriechfestigkeit zu erhöhen, wurde Aluminium hinzugefügt und Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al) entwickelt. Die Vereinigten Staaten Mitte der 1940er Jahre, die Sowjetunion Ende der 1940er Jahre und China Mitte der 1950er Jahre entwickelten ebenfalls Legierungen auf Nickelbasis. In den frühen 1950er Jahren schuf die Entwicklung der Vakuumschmelztechnologie die Voraussetzungen für die Veredelung von Legierungen auf Nickelbasis mit hohem Aluminium- und Titangehalt. Die meisten der frühen Superlegierungen auf Nickelbasis waren verformte Legierungen.
In den späten 1950er Jahren wurden aufgrund der Erhöhung der Arbeitstemperatur von Turbinenschaufeln Legierungen mit höherer Warmfestigkeit gefordert. Wenn die Festigkeit der Legierung jedoch hoch war, war sie schwierig zu verformen oder sogar nicht verformbar. Daher wurde die Feingusstechnologie verwendet, um eine Reihe hervorragender Gusslegierungen mit Hochtemperaturfestigkeit zu entwickeln. Mitte der 1960er Jahre wurden orientierte Kristallisations- und Einkristall-Superlegierungen sowie pulvermetallurgische Superlegierungen mit besserer Leistung entwickelt.
Um den Anforderungen von Schiffen und industriellen Gasturbinen gerecht zu werden, wurden seit den 1960er Jahren eine Reihe von Legierungen auf Nickelbasis mit hohem Chromgehalt und besserer thermischer Korrosionsbeständigkeit und stabilem Gefüge entwickelt. In etwa 40 Jahren von den frühen 1940er bis zu den späten 1970er Jahren stieg die Arbeitstemperatur von Superlegierungen auf Nickelbasis von 700°C auf 1100°C, eine durchschnittliche jährliche Zunahme von etwa 10°C.
Superlegierungen auf Nickelbasis sind die am weitesten verbreiteten und die am höchsten hochwarmfesten Legierungen in Superlegierungen. Der Hauptgrund ist, dass mehr Legierungselemente in der Nickelbasislegierung gelöst werden können und die Gefügestabilität aufrechterhalten werden kann; die zweite ist, dass es eine kohärente und geordnete intermetallische Verbindung vom Typ A3B bilden kann g [Ni3(Al, Ti)]
Als Verfestigungsphase wird die Legierung effektiv verfestigt, um eine höhere Hochtemperaturfestigkeit als Superlegierungen auf Eisenbasis und Superlegierungen auf Kobaltbasis zu erhalten; drittens haben chromhaltige Legierungen auf Nickelbasis eine bessere Oxidation und Beständigkeit als Superlegierungen auf Eisenbasis. Fähigkeit zur Gaskorrosion. Legierungen auf Nickelbasis enthalten mehr als zehn Elemente, von denen Cr hauptsächlich eine Antioxidations- und Antikorrosionsrolle spielt und andere Elemente hauptsächlich eine verstärkende Rolle spielen.
Gemäß ihrer verstärkenden Wirkungsweise können sie in Festlösungs-Festigungselemente wie Wolfram, Molybdän, Kobalt, Chrom und Vanadium; Ausscheidungsverfestigungselemente wie Aluminium, Titan, Niob und Tantal; Korngrenzenverfestigungselemente wie Bor, Zirkonium, Magnesium und Seltenerdelemente usw. Gemäß dem Verfestigungsverfahren von Legierungen auf Nickelbasis gibt es mischkristallverfestigte Legierungen und ausscheidungsverfestigte Legierungen.