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Alcuni materiali della famiglia dei metalli sono noti come supermateriali o superleghe. Questi materiali presentano in genere proprietà avanzate. Ad esempio, possono mantenere le loro proprietà fisiche a temperature più elevate e in presenza di sollecitazioni specifiche.
Uno dei migliori esempi di superleghe nel mondo dei materiali è quello delle superleghe a base di nichel. Questa lega possiede caratteristiche eccezionali che la rendono migliore di altri materiali e superleghe, come quelle a base di ferro e cobalto. Oltre alla resistenza alle alte temperature, queste leghe di nichel sono in grado di sopportare un'elevata corrosione e condizioni di lavoro difficili.
Tuttavia, spesso è necessario chiarire perché le leghe a base di nichel sono chiamate superleghe. La risposta sta semplicemente nelle notevoli proprietà delle leghe di nichel. Tuttavia, questo articolo vi aiuterà a costruire concetti chiari riguardo a questa domanda.
Quindi, senza ulteriori indugi, tuffiamoci nel post!
Cosa sono le leghe a base di nichel?
Come suggerisce il nome, le leghe a base di nichel sono costituite principalmente da nichel e altre leghe. Sono famose per la loro elevata resistenza alla corrosione e per l'eccellente resistenza alle alte temperature. Inoltre, queste leghe possono resistere alla fatica, al creep e alla trazione. Per queste caratteristiche, vengono solitamente definite superleghe a base di nichel.
Inoltre, sono considerati perfetti per le applicazioni su turbine, scambiatori di calore e motori aeronautici.
Fonte: Youtube
Produzione e lavorazione delle superleghe a base di nichel
La produzione e la lavorazione delle superleghe di nichel dipendono solitamente dalla loro composizione. Tuttavia, la composizione dipende dalla quantità di materiale utilizzato. In genere, per formare le superleghe a base di nichel si possono utilizzare due o fino a dieci elementi di lega. Questi elementi costituiscono quasi la metà dell'intero peso della superlega.
Normalmente, quando il nichel si combina con soluti come l'alluminio o il titanio, si forma una microstruttura di equilibrio composta da gamma-prime e gamma. Ciò garantisce la resistenza della superlega sotto l'influenza di temperature elevate.
Le superleghe di nichel possono essere prodotte in vari modi, ad esempio in polvere, in fusione o battute. Queste superleghe assorbono la forza del materiale attraverso il rafforzamento per precipitazione o il trattamento in soluzione solida. Cromo, molibdeno, cobalto, niobio, ferro, tungsteno e tantalio sono tipicamente utilizzati per rafforzare le soluzioni solide.
Quali sono le caratteristiche delle superleghe a base di nichel?
Di seguito sono riportate alcune caratteristiche che si adattano sia alle superleghe che alle leghe di nichel. Ecco perché queste leghe sono considerate superleghe. Diamo uno sguardo dettagliato!
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Alta resistenza al calore
Di solito, i metalli sono soggetti a perdere la loro forza quando sono esposti ad alte temperature. Ma le superleghe di nichel hanno la capacità di resistere alle alte temperature, il che le rende attualmente le superleghe più utilizzate. Il motivo è che il nichel può mantenere la stessa struttura (cubica a facce centrate) dalla temperatura ambiente alla temperatura di fusione. La protezione termica intrinseca delle superleghe preserva l'integrità del materiale.
In genere, la resistenza al calore elevato dipende da varie composizioni di nichel miscelate con leghe a base di nichel. Ad esempio, la lega di nichel Inconel 718 comprende 55% di nichel, 6% di ferro, 21% di cromo e una piccola percentuale di manganese, carbonio e rame. Offre un'eccezionale resistenza alle alte temperature e una protezione contro l'ossidazione e la corrosione. Inoltre, la lega di nichel Duranickel ha un contenuto di nichel superiore a 94%. Ha eccellenti proprietà elastiche fino a 316°C e diventa molto più robusta se trattata termicamente.
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Forza eccezionale
Il carico esterno determina la resistenza di un materiale applicata senza alcuna deformazione del materiale stesso. Le superleghe a base di nichel possono presentare una resistenza alla trazione superiore a 700 MPa e una resistenza allo snervamento di 275 MPa. Più comunemente, queste leghe possono mostrare un'elevata resistenza anche a temperature estreme che vanno da 650 a 1000°C.
Sorprendentemente, alcune superleghe a base di nichel mostrano una resistenza allo snervamento fino a 1125 MPa, superiore a quella del diamante. Senza dubbio, una resistenza così eccezionale può essere attesa solo dalle superleghe.
Nelle applicazioni di dischi e turbine, la fase di questa superlega contiene niobio o vanadio. Utilizzando questa fase, i produttori possono aumentare efficacemente la resistenza del materiale.
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Resistenza alla corrosione
In ambienti come quelli marini o chimici, la corrosione e l'ossidazione si verificano in modo relativamente rapido e danneggiano i macchinari metallici. Fortunatamente, le leghe di nichel hanno un'eccellente resistenza all'ambiente acido corrosivo e complesso, che è ancora una volta una delle caratteristiche principali delle superleghe. Per resistere alla corrosione in questi ambienti, queste leghe contengono principalmente fino a dieci tipi di elementi di lega.
Inoltre, il nichel stesso ha un'eccellente resistenza alla corrosione caustica degli alcali e alla corrosione sotto sforzo degli ioni Cl. Tuttavia, l'aggiunta di elementi di passivazione nelle leghe a base di nichel forma soluzioni solide con una fase di substrato che contribuisce a migliorare il potenziale di corrosione e la stabilità termodinamica dei materiali. Ad esempio, è possibile aggiungere rame (Cu), cromo (Cr) e molibdeno (Mo) per aumentare la resistenza della lega alla corrosione.
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Lavorabilità
Gli ingegneri devono cercare materiali che possano essere lavorati con facilità. A questo proposito, le leghe a base di nichel hanno una migliore resistenza allo snervamento, allo sforzo di taglio e alle alte temperature. Di conseguenza, superano gli altri metalli in termini di saldabilità.
Alcuni esempi famosi di leghe a base di nichel disponibili sul mercato sono i seguenti:
- Lega per l'industria chimica: Inconel, Monel e Incoloy.
- Per la lega di resistenza elettrica: Incoloy lega 800, Resistohm e Brightray.
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Resistente agli ambienti di lavoro difficili
Le leghe di nichel sono in grado di resistere a condizioni di lavoro severe, come le camere a gas aerospaziali, gli ambienti acidi, i componenti strutturali dell'energia nucleare, il petrolio e le industrie marine. Inoltre, grazie alla loro elevata stabilità chimica, non vengono intaccate dall'acqua, dall'aria calda e da particolari soluzioni acquose.
In breve, la produzione di superleghe può resistere efficacemente a condizioni di alta pressione, alta temperatura e corrosione.
Alcuni tipi di leghe a base di nichel comunemente utilizzati
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Tipi di leghe a base di nichel |
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Tipi |
Definizione | Applicazioni |
Esempi |
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Leghe nichel-ferro |
La miscela di nichel con una certa quantità di ferro dà una lega nichel-ferro che presenta un'espansione termica molto bassa in condizioni estreme. | Apparecchiature di misura di precisione
Aste del termostato Transformers Dispositivi di memoria Induttori |
Invar 36
Invar 42 |
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Leghe nichel-rame |
Poiché la lega nichel-rame costituisce il rame, sono materiali altamente resistenti alla corrosione e l'assenza di proprietà magnetiche li rende applicabili a diverse applicazioni. | Applicazioni marine
Sistemi di tubazioni Valvole per acqua di mare Alberi delle pompe |
Monel 400
Monel R405 Monel K500
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Leghe di nichel-cromo |
Le leghe di nichel-cromo sono caratterizzate da resistenza alle alte temperature, buona resistenza elettrica ed eccellente resistenza alla corrosione a tutte le temperature. | Riscaldatori a resistenza elettrica
Tostapane Altri elementi riscaldanti |
Rene 41
Ni70Cr30 |
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Leghe di nichel-titanio |
Le leghe di nichel-titanio sono famose per la loro resistenza alla forma. Quando si deforma la forma originale del pezzo, questo ricorda la sua forma iniziale e può essere riconvertito in essa quando necessario. | Vasi a pressione
Prodotti per tubazioni ● Pompe e valvole Scambiatori di calore Valvole |
Lega B-2 |
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Leghe di nichel-molibdeno |
La presenza di molibdeno nella lega di nichel-molibdeno garantisce un'elevata resistenza chimica agli acidi riducenti, come acido solforico, acido cloridrico e acido fosforico. | Ammortizzatori in edilizia | Nitinol |
Applicazioni delle superleghe a base di nichel
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Aerospaziale
Le leghe a base di nichel ad alto tenore di Cr, con una buona resistenza alla corrosione termica e una struttura stabile, sono considerate le migliori per la produzione di navi e turbine a gas industriali. In particolare, gli aerei sono macchine complesse che richiedono molte specifiche in condizioni severe. Gli ingegneri aerospaziali dipendono principalmente dalle leghe a base di nichel per progettare componenti in grado di affrontare condizioni ambientali difficili. Queste leghe hanno la capacità di resistere a condizioni climatiche estreme per garantire un utilizzo sicuro.
Le turbine a gas sono una delle migliori applicazioni dell'industria aerospaziale. Una turbina è una ventola che ruota e utilizza una fonte di energia per generare, come una turbina eolica. Il gas pressurizzato genera l'energia necessaria per far girare la turbina.
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Camere di combustione
I materiali per le camere di combustione hanno requisiti di resistenza relativamente bassi. Tuttavia, la resistenza deve essere mantenuta fino a temperature di esercizio di 1100 °C o superiori. Inoltre, la resistenza all'ossidazione, insieme alla resistenza alla fatica termica e al buckling, è l'esigenza più critica.
Per rendere più accessibile la fabbricazione, il materiale deve avere anche una buona formabilità e saldabilità. Ecco perché le superleghe a base di nichel sono la scelta migliore per le camere di combustione.
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Lame di turbina
La sezione del profilo aerodinamico della turbina è soggetta a una temperatura compresa tra 650 e 980 °C e a una pressione di 138 MPa. A 760 °C, la radice della pala attaccata al disco subisce sollecitazioni di trazione da 276 a 552 MPa al di fuori del percorso del gas caldo. Per questo motivo, i materiali delle turbine devono avere una duttilità sufficiente per resistere alla deformazione per scorrimento. Per questo motivo, nella produzione delle pale delle turbine si utilizzano leghe a base di nichel, le cui proprietà meccaniche possono essere mantenute per un periodo prolungato.
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Turbine a vapore
Le superleghe a base di nichel sono utilizzate per produrre dischi per turbine a vapore. I dischi delle turbine necessitano di un'elevata resistenza allo scorrimento e alla trazione per garantire la protezione dalle esplosioni alle temperature di esercizio dei mozzi. Le temperature di esercizio di un disco di turbina a vapore possono raggiungere i 760 °C. Questa temperatura si verifica solo sul bordo esterno, vicino al punto in cui è attaccata la pala. Inoltre, le sollecitazioni di esercizio causate dai carichi centrifughi sono elevate sul bordo. Diventano più elevate verso il centro di questi componenti rotanti, superando i 483MPa.
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Applicazioni nucleari
Le alte temperature e gli elevati livelli di corrosione caratterizzano gli ambienti delle centrali nucleari. Le barre di controllo, i nuclei dei reattori e altri componenti sono prodotti con leghe a base di nichel. Di conseguenza, l'industria nucleare può trarre notevoli vantaggi da questa superlega.
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Parti del motore
Grazie alla loro eccellente resistenza al calore, le superleghe sono ideali per le applicazioni che generano calore, come gli scambiatori di calore. Le superleghe sono infatti utilizzate nella produzione di parti di motori. Inoltre, anche gli accessori per aerei e apparecchiature aerospaziali utilizzano superleghe a base di nichel.
Conclusione
Finalmente avete trovato una risposta logica alla vostra domanda: perché le leghe a base di nichel sono superleghe? Le caratteristiche e le applicazioni eccezionali della superlega ne fanno una superlega perfetta. In poche parole, è possibile utilizzare le superleghe a base di nichel nei casi in cui è richiesta una resistenza alle alte temperature, alla corrosione e alla forza. L'utilizzo di queste leghe come materiale di produzione per i vostri prodotti avrà effetti positivi su di essi.
