نعم ، تكون Superalloys المستندة إلى النيكل باهظة الثمن بشكل عام ، وغالبًا ما تكون أكثر تكلفة من السبائك التقليدية أو حتى مواد أخرى عالية الأداء. تنبع تكلفتها العالية من عدة عوامل:
مواد خام قسط: النيكل ، العنصر الأساسي ، أغلى بكثير من الحديد (قاعدة الصلب) أو الألومنيوم. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي Superalloys المستندة إلى النيكل على مستويات عالية من عناصر صناعة السبائك الباهظة مثل الكروم ، الموليبدينوم ، التنغستن ، تانتالوم ، وعناصر الرينيوم التي لها حرج لقوة درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل. على سبيل المثال ، يمكن أن تكلف Rhenium (المستخدمة في درجات الطيران المتقدمة) آلاف الدولارات لكل كيلوغرام.
عمليات التصنيع المعقدة: يتطلب إنتاج Superalloys المستندة إلى النيكل تحكمًا دقيقًا في الذوبان (على سبيل المثال ، إعادة صياغة قوس الفراغ أو ذوبان شعاع الإلكترون) ، والصب (بما في ذلك نمو البلورة الواحدة لشفرات التوربينات) ، والمعالجة الحرارية. هذه الخطوات كثيفة للطاقة وتتطلب معدات متخصصة لتجنب التلوث ، وزيادة تكاليف زيادة التكاليف.
إنتاج منخفض الحجم: يتم تصنيعها عادة بكميات صغيرة للتطبيقات المتخصصة ، عالية المخاطر (على سبيل المثال ، الفضاء ، الطاقة) ، بدلاً من إنتاجها بالجملة ، والتي تحد من اقتصادات الحجم.
في الممارسة العملية ، يمكن أن تكلف Superalloys المستندة إلى النيكل 5-10 مرات أكثر من الفولاذ المقاوم للصدأ و 2-3 مرات أكثر من سبائك النيكل القياسية.
تعتبر Superalloys المستندة إلى النيكل سبيكة متعددة العناصر مع النيكل كمكون أساسي (عادة 50-70 ٪ بالوزن). تم تصميم مؤلفاتهم لموازنة قوة درجات الحرارة العالية ، ومقاومة التآكل ، والاستقرار المجهرية ، مع عناصر السبائك الرئيسية بما في ذلك:
النيكل (ني ، 50-70 ٪): المعدن الأساسي ، الذي يوفر مصفوفة مكعبة (FCC) المتمحورة حول الوجه والتي تحتفظ بالليونة في درجات حرارة عالية.
الكروم (CR ، 10-25 ٪): يعزز مقاومة الأكسدة والتهاب عن طريق تشكيل طبقة أكسيد الكروم الواقي (CR₂O₃) ، حاسمة للغازات الساخنة في التوربينات أو البيئات الكيميائية.
الألومنيوم (AL ، 1–6 ٪) وتيتانيوم (TI ، 1-5 ٪): تعزيز تكوين رواسب γ 'γ' (ni₃ (al ، ti)) ، والتي يتم تفريقها في جميع أنحاء المصفوفة لمنع حركة خلع ، وزيادة قوة بشكل كبير في درجات حرارة عالية.
الموليبدينوم (MO ، 1-10 ٪) والتنجستن (W ، 1-10 ٪): المساهمة في تعزيز الحل الصلبة لمصفوفة النيكل ، وتحسين مقاومة الزحف عالية الحرارة (مقاومة للتشوه البطيء تحت الإجهاد).
niobium (NB ، 1–5 ٪) أو tantalum (TA ، 1-5 ٪): إضافة إلى النموذج γ "ترسب (على سبيل المثال ، ni₃nb في Inconel 718) أو كربيد ، مما يعزز القوة ومقاومة الزحف.
عناصر ثانوية: Small amounts of carbon (C), boron (B), zirconium (Zr), or hafnium (Hf) are often included to strengthen grain boundaries, reducing the risk of high-temperature failure. Rhenium (Re) is added to advanced grades (e.g., CMSX-4) to improve creep resistance at extreme temperatures (>1000 درجة مئوية).
أمثلة على التراكيب النموذجية:
Inconel 718: ~ 52 ٪ ni ، 19 ٪ cr ، 18.5 ٪ fe ، 5 ٪ nb ، 3 ٪ mo ، 0.9 ٪ ti ، 0.5 ٪ al.
رينيه 88dt: ~ 61 ٪ NI ، 16 ٪ CR ، 13 ٪ CO ، 4 ٪ MO ، 3.7 ٪ AL ، 2.1 ٪ TI ، 0.7 ٪ NB ، 0.3 ٪ C.
تشتهر Superalloys المستندة إلى النيكل بقوتها الاستثنائية ، وخاصة في درجات الحرارة المرتفعة حيث تضعف معظم المعادن. تختلف قوتها حسب الدرجة والمعالجة الحرارية ودرجة الحرارة ولكنها تشمل بشكل عام:
قوة شد في درجة حرارة الغرفة: معظم نقاط قوة الشد في نهاية المطاف (UTS) التي تستند إلى النيكل (UTS) تتراوح بين 900-1600 ميجا باسكال (130،000-230،000 رطل) ونقاط قوة من 600-1،200 ميجا باسكال (87000 إلى 174000 رطل). على سبيل المثال:
Inconel 718: UTS ~ 1،300 MPa ، قوة العائد ~ 1،100 ميجا باسكال.
René 95: UTS ~ 1600 ميجا باسكال ، قوة العائد ~ 1200 ميجا باسكال (واحدة من أقوى درجة حرارة الغرفة).
قوة درجة الحرارة العالية: ميزة تحديدها هي الحفاظ على قوة كبيرة عند 650-1200 درجة مئوية (1200-200 درجة فهرنهايت) ، حيث تليين السبائك التقليدية بشكل كبير. على سبيل المثال:
عند 650 درجة مئوية ، يحافظ Inconel 718 على UTS ~ 1000 ميجا باسكال (مقابل 200 ميجا باسكال لـ 316 من الفولاذ المقاوم للصدأ).
تحتفظ SuperAlloys أحادية البلورة مثل CMSX-4 ~ 700 ميجا باسكال UTS عند 1000 درجة مئوية ، وهو أمر بالغ الأهمية لشفرات توربينات المحرك النفاثة.
مقاومة زحف: يقاومون الزحف (بطيئة ، تشوه دائم تحت الضغط المستمر) في درجات حرارة عالية. على سبيل المثال ، يعرض René 88DT الحد الأدنى من الزحف (<0.1% strain) after 1,000 hours under 200 MPa stress at 850°C-far outperforming other alloys.
قوة التعب: يقاومون الإجهاد الدوري بشكل جيد ، حتى في درجات الحرارة العالية. Inconel 718 ، على سبيل المثال ، لديه قوة التعب حوالي 500 ميجا باسكال عند 650 درجة مئوية تحت 10⁷ دورات ، مما يجعلها مناسبة للمكونات الدوارة مثل أقراص التوربينات.
هذا المزيج من القوة عبر نطاق درجات الحرارة الواسع يجعل من superalloys المستندة إلى النيكل لا يمكن الاستغناء عنها في تطبيقات مثل توربينات الطيران ، والمفاعلات النووية ، والآلات الصناعية عالية الأداء.
