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Einige Materialien aus der Familie der Metalle sind als Supermaterialien oder Superlegierungen bekannt. Diese Werkstoffe weisen in der Regel besondere Eigenschaften auf. So können sie beispielsweise ihre physikalischen Eigenschaften bei höheren Temperaturen und unter besonderer Belastung beibehalten.
Eines der besten Beispiele für Superlegierungen in der Werkstoffwelt sind Superlegierungen auf Nickelbasis. Diese Legierung weist außergewöhnliche Eigenschaften auf, die sie anderen Werkstoffen und Superlegierungen wie Eisen- und Kobalt-Superlegierungen überlegen machen. Diese Nickellegierungen sind nicht nur hochtemperaturbeständig, sondern widerstehen auch starker Korrosion und rauen Arbeitsbedingungen.
Allerdings besteht oft Klärungsbedarf, warum Nickelbasislegierungen als Superlegierungen bezeichnet werden. Die Antwort liegt einfach in den bemerkenswerten Eigenschaften von Nickellegierungen. Dennoch wird dieser Artikel Ihnen helfen, klare Konzepte zu dieser Frage zu entwickeln.
Also, ohne weitere Umschweife, lasst uns in den Beitrag eintauchen!
Was sind Nickelbasislegierungen?
Wie der Name schon sagt, bestehen Nickelbasislegierungen hauptsächlich aus Nickel und einigen anderen Legierungen. Sie sind bekannt für ihre hohe Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit. Außerdem können diese Legierungen Ermüdungs-, Kriech- und Zugfestigkeiten aushalten. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie gewöhnlich als Nickelbasis-Superlegierungen bezeichnet.
Außerdem gelten sie als ideal für den Einsatz in Turbinen, Wärmetauschern und Flugzeugtriebwerken.
Quelle: Youtube
Herstellung und Verarbeitung von Superlegierungen auf Nickelbasis
Die Herstellung und Verarbeitung von Nickelsuperlegierungen hängt in der Regel von ihrer Zusammensetzung ab. Die Zusammensetzung hängt jedoch von der Menge des verwendeten Materials ab. Im Allgemeinen können zwei oder bis zu zehn Legierungselemente verwendet werden, um Superlegierungen auf Nickelbasis herzustellen. Diese Elemente machen fast die Hälfte des Gesamtgewichts der Superlegierung aus.
Wenn sich Nickel mit gelösten Stoffen wie Aluminium oder Titan verbindet, bildet sich in der Regel ein Gleichgewichtsgefüge aus Gamma-Kalk und Gamma. Dies gewährleistet die Festigkeit der Superlegierung unter dem Einfluss erhöhter Temperaturen.
Nickelsuperlegierungen können auf verschiedene Weise hergestellt werden, z. B. als Pulver, gegossen oder geknetet. Diese Superlegierungen erhalten ihre Festigkeit durch Ausscheidungshärtung oder Mischkristallbehandlung. Chrom, Molybdän, Kobalt, Niob, Eisen, Wolfram und Tantal werden in der Regel zur Verfestigung von Mischkristallen verwendet.
Was sind die Merkmale von Superlegierungen auf Nickelbasis?
Im Folgenden sind einige Merkmale aufgeführt, die sowohl für Superlegierungen als auch für Nickellegierungen gelten. Aus diesem Grund werden diese Legierungen als Superlegierungen bezeichnet. Werfen wir einen detaillierten Blick darauf!
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Hohe Hitzebeständigkeit
Normalerweise verlieren Metalle ihre Festigkeit, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Nickelsuperlegierungen sind jedoch in der Lage, hohen Temperaturen standzuhalten, was sie zu den derzeit am häufigsten verwendeten Superlegierungen macht. Der Grund dafür ist, dass Nickel die gleiche Struktur (kubisch-flächenzentriert) von Raumtemperatur bis zur Schmelztemperatur beibehalten kann. Der inhärente Wärmeschutz von Superlegierungen bewahrt die Integrität des Materials.
In der Regel hängt die Widerstandsfähigkeit gegen die große Hitze von verschiedenen Nickelzusammensetzungen ab, die mit Nickelbasislegierungen gemischt werden. Die Nickellegierung Inconel 718 zum Beispiel besteht aus 55% Nickel, 6% Eisen, 21% Chrom und einem geringen Anteil an Mangan, Kohlenstoff und Kupfer. Sie bietet eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Schutz gegen Oxidation und Korrosion. Außerdem hat die Nickellegierung Duranickel einen Nickelgehalt von mehr als 94%. Sie hat hervorragende Federeigenschaften bis zu 316°C und wird durch thermische Behandlung wesentlich robuster.
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Außergewöhnliche Stärke
Die äußere Belastung bestimmt die Festigkeit eines Materials, die auf das Material ausgeübt wird, ohne dass es verformt wird. Superlegierungen auf Nickelbasis können eine Zugfestigkeit von mehr als 700 MPa und eine Streckgrenze von 275 MPa aufweisen. In der Regel können diese Legierungen auch bei extremen Temperaturen zwischen 650 und 1000 °C eine hohe Festigkeit aufweisen.
Überraschenderweise weisen einige Superlegierungen auf Nickelbasis eine Streckgrenze von bis zu 1125 MPa auf, die höher ist als die von Diamanten. Eine solche außergewöhnliche Festigkeit kann zweifellos nur von Superlegierungen erwartet werden.
Bei der Anwendung von Scheiben und Turbinen enthält die Phase dieser Superlegierung Niob oder Vanadium. Durch die Verwendung dieser Phase können die Hersteller die Festigkeit des Materials effizient erhöhen.
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Korrosionsbeständigkeit
In maritimen oder chemischen Umgebungen treten Korrosion und Oxidation vergleichsweise schnell auf und schädigen die Metallmaschinen. Glücklicherweise verfügen Nickellegierungen über eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber einer korrosiven und komplexen sauren Umgebung, was wiederum eine der herausragenden Eigenschaften der Superlegierungen ist. Um der Korrosion in diesen Umgebungen zu widerstehen, enthalten diese Legierungen hauptsächlich bis zu zehn Arten von Legierungselementen.
Darüber hinaus weist das Element Nickel selbst eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen alkalische Korrosion und Spannungskorrosion durch Cl-Ionen auf. Durch den Zusatz von Passivierungselementen in Nickelbasislegierungen werden jedoch feste Lösungen mit einer Substratphase gebildet, die das Korrosionspotenzial und die thermodynamische Stabilität der Werkstoffe verbessern. Zum Beispiel kann man Kupfer (Cu), Chrom (Cr) und Molybdän (Mo) hinzufügen, um die Korrosionsbeständigkeit der Legierung zu erhöhen.
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Bearbeitbarkeit
Die Ingenieure müssen nach Werkstoffen suchen, die sich bei der Bearbeitung leicht verarbeiten lassen. In dieser Hinsicht haben Nickelbasislegierungen eine bessere Streckgrenze, Scherspannung und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen. Infolgedessen sind sie anderen Metallen in Bezug auf die Schweißbarkeit weit überlegen.
Einige bekannte Beispiele für Nickelbasislegierungen, die auf dem Markt erhältlich sind, sind folgende:
- Legierungen für die chemische Industrie: Inconel, Monel und Incoloy.
- Für elektrische Widerstandslegierungen: Incoloy-Legierung 800, Resistohm, und Brightray.
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Widerstandsfähig in rauen Arbeitsumgebungen
Nickellegierungen können schweren Arbeitsbedingungen standhalten, z. B. in Gaskammern der Luft- und Raumfahrt, in säurehaltigen Umgebungen, in Strukturbauteilen der Kernenergie, in der Erdöl- und der Schiffsindustrie. Außerdem werden sie durch Wasser, warme Luft und bestimmte wässrige Lösungen aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilität nicht beeinträchtigt.
Kurz gesagt, die Herstellung von Superlegierungen kann hohen Drücken, hohen Temperaturen und korrosiven Bedingungen wirksam widerstehen.
Einige häufig verwendete Arten von Nickelbasislegierungen
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Arten von Nickel-Basis-Legierungen |
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Typen |
Definition | Anwendungen |
Beispiele |
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Nickel-Eisen-Legierungen |
Die Mischung von Nickel mit einem gewissen Anteil an Eisen ergibt eine Nickel-Eisen-Legierung, die unter extremen Bedingungen eine sehr geringe Wärmeausdehnung aufweist. | ● Präzisionsmessgeräte
● Thermostatstangen ● Transformatoren ● Speichermedien ● Induktivitäten |
● Invar 36
● Invar 42 |
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Nickel-Kupfer-Legierungen |
Da die Nickel-Kupfer-Legierung Kupfer enthält, sind sie sehr korrosionsbeständig, und da sie keine magnetischen Eigenschaften haben, sind sie für verschiedene Anwendungen geeignet. | ● Marineanwendungen
● Rohrleitungssysteme ● Seewasserventile ● Pumpenschächte |
● Monel 400
● Monel R405 ● Monel K500
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Nickel-Chrom-Legierungen |
Nickel-Chrom-Legierungen zeichnen sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit, einen guten elektrischen Widerstand und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bei allen Temperaturen aus. | ● Elektrische Widerstandsheizungen
● Toaster ● Andere Heizelemente |
● Rene 41
● Ni70Cr30 |
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Nickel-Titan-Legierungen |
Nickel-Titan-Legierungen sind für ihre Formbeständigkeit bekannt. Wenn die ursprüngliche Form des Teils verformt wird, erinnert es sich an seine ursprüngliche Form und kann bei Bedarf wieder in sie zurückverwandelt werden. | ● Druckbehälter
● Rohrleitungsprodukte ● Pumpen und Ventile ● Wärmetauscher ● Ventile |
● Legierung B-2 |
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Nickel-Molybdän-Legierungen |
Das Vorhandensein von Molybdän in der Nickel-Molybdän-Legierung gewährleistet eine hohe chemische Beständigkeit gegen reduzierende Säuren wie Schwefelsäure, Salzsäure und Phosphorsäure. | ● Stoßdämpfer im Bauwesen | ● Nitinol |
Anwendungen von Superlegierungen auf Nickelbasis
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Luft- und Raumfahrt
Legierungen auf Nickelbasis mit hohem Cr-Gehalt, guter thermischer Korrosionsbeständigkeit und stabilem Gefüge gelten als die besten Werkstoffe für die Herstellung von Schiffen und Industriegasturbinen. Insbesondere Flugzeuge sind komplexe Maschinen, die viele Spezifikationen unter schwierigen Bedingungen erfordern. Luft- und Raumfahrtingenieure sind hauptsächlich auf Nickelbasislegierungen angewiesen, um Teile zu konstruieren, die rauen Umweltbedingungen standhalten können. Diese Legierungen sind in der Lage, extremen Witterungsbedingungen zu widerstehen, um einen sicheren Einsatz zu gewährleisten.
Gasturbinen sind eine der besten Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Eine Turbine ist ein Ventilator, der sich dreht und eine Energiequelle nutzt, um Energie zu erzeugen, wie eine Windturbine. Unter Druck stehendes Gas erzeugt die notwendige Energie, um die Turbine zu drehen.
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Brennkammern
Werkstoffe für Brennkammern haben relativ geringe Festigkeitsanforderungen. Die Festigkeit muss jedoch bis zu Betriebstemperaturen von 1100 °C oder höher aufrechterhalten werden. Darüber hinaus ist die Oxidationsbeständigkeit zusammen mit der thermischen Ermüdung und der Knickbeständigkeit die wichtigste Anforderung.
Um die Herstellung zu erleichtern, muss das Material auch gut formbar und schweißbar sein. Aus diesem Grund sind Superlegierungen auf Nickelbasis die beste Wahl für Brennkammern.
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Turbinenschaufeln
Der Schaufelabschnitt der Turbinenschaufel ist einem Temperaturbereich von 650-980 °C und einem Druck von 138 MPa ausgesetzt. Bei 760 °C ist der an der Scheibe befestigte Schaufelfuß außerhalb des Heißgaswegs Zugspannungen von 276 bis 552 MPa ausgesetzt. Aus diesem Grund müssen die Turbinenwerkstoffe eine ausreichende Duktilität aufweisen, um Kriechverformungen zu widerstehen. Daher werden für die Herstellung von Turbinenschaufeln Legierungen auf Nickelbasis verwendet, da ihre mechanischen Eigenschaften über einen längeren Zeitraum erhalten bleiben können.
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Dampfturbinen
Superlegierungen auf Nickelbasis werden zur Herstellung von Dampfturbinenscheiben verwendet. Dampfturbinenscheiben benötigen eine hohe Kriech- und Zugfestigkeit für den Berstschutz bei Nabenbetriebstemperaturen. Die Betriebstemperaturen einer Dampfturbinenscheibe liegen bei bis zu 760 °C. Diese Temperatur tritt nur am äußeren Rand in der Nähe der Befestigung der Schaufel auf. Außerdem sind die durch Zentrifugallasten verursachten Betriebsspannungen am Rand hoch. Zur Mitte dieser rotierenden Bauteile hin nehmen sie zu und übersteigen 483 MPa.
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Nukleare Anwendungen
Hohe Temperaturen und ein hohes Maß an Korrosion kennzeichnen die Umgebung von Kernkraftwerken. Steuerstäbe, Reaktorkerne und andere Komponenten werden aus Nickelbasislegierungen hergestellt. Daher kann die Nuklearindustrie erheblich von dieser Superlegierung profitieren.
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Motorenteile
Aufgrund ihrer hervorragenden Hitzebeständigkeit sind Superlegierungen ideal für wärmeerzeugende Anwendungen wie Wärmetauscher. Dies liegt daran, dass Superlegierungen bei der Herstellung von Triebwerksteilen verwendet werden. Darüber hinaus werden Superlegierungen auf Ni-Basis auch für Zubehör für Flugzeuge und Raumfahrtgeräte verwendet.
Schlussfolgerung
Endlich haben Sie eine logische Antwort auf Ihre Frage gefunden, warum Nickelbasislegierungen Superlegierungen sind. Die herausragenden Eigenschaften und Anwendungen der Superlegierung machen sie zu einer perfekten Superlegierung. Kurz gesagt: Superlegierungen auf Nickelbasis können überall dort eingesetzt werden, wo eine hohe Temperatur-, Korrosions- und Festigkeitsbeständigkeit erforderlich ist. Die Verwendung dieser Legierungen als Fertigungsmaterial für Ihre Produkte wird sich in der Tat positiv auf diese auswirken.
