يتم تصنيف سبائك النيكل بناءً على تكوينها وخصائصها وتطبيقاتها. تشمل الأنواع الرئيسية:
سبائك النيكل الحديد: يحتوي على 30-70 ٪ من النيكل مع الحديد كعنصر ثانوي ، غالبًا مع إضافات مثل الكروم أو الموليبدينوم أو النحاس. ومن الأمثلة على ذلك Invar (64 ٪ NI ، 36 ٪ Fe) ، والمعروفة بالتوسع الحراري المنخفض ، و permalloy (78 ٪ NI ، 22 ٪ Fe) ، المستخدمة في التطبيقات المغناطيسية.
سبائك النيكل copper: يتكون عادة من 60 إلى 70 ٪ من النيكل والنحاس 20-30 ٪ ، مع عناصر ثانوية مثل الحديد أو المنغنيز. Monel 400 (67 ٪ NI ، 30 ٪ CU) هو مثال رئيسي ، يقدر مقاومة التآكل في البيئات البحرية والكيميائية.
سبائك النيكل كروميوم: ميزة الكروم العالي (10-30 ٪) لمقاومة الأكسدة ، مع النيكل كقاعدة. يستخدم Inconel 600 (76 ٪ NI ، 16 ٪ CR ، 8 ٪ Fe) على نطاق واسع في إعدادات درجة الحرارة العالية مثل الأفران والمبادلات الحرارية.
سبائك النيكل molybdenum: غني بالموليبدينوم (15-30 ٪) لمقاومة التآكل بواسطة الأحماض (على سبيل المثال ، حمض الهيدروكلوريك). Hastelloy B-2 (62 ٪ NI ، 28 ٪ MO) هو مثال رئيسي ، يستخدم في المعالجة الكيميائية.
سبائك النيكل والموليبدينوم: الجمع بين الكروم والموليبدينوم من أجل الأكسدة المتوازنة ومقاومة التآكل. Hastelloy C-276 (57 ٪ NI ، 16 ٪ CR ، 16 ٪ MO) يتفوق في بيئات قاسية مثل الحلول الغنية بالكلوريد.
سبائك النيكل تيتانيوم (سبائك الذاكرة): مثل nitinol (55 ٪ NI ، 45 ٪ TI) ، والتي تظهر تأثيرات ذاكرة الشكل والمرونة الفائقة ، المستخدمة في الأجهزة الطبية (الدعامات) ومكونات الفضاء.
النيكل superalloys: سبائك عالية الأداء مع النيكل كقاعدة (30-70 ٪) ، معززة من قبل عناصر مثل الكروم ، الكوبالت ، الألومنيوم ، التيتانيوم لقوة درجات الحرارة العالية الشديدة. ومن الأمثلة على ذلك Inconel 718 وسبائك الكريستال أحادية الكريستال مثل CMSX-4.
تعتمد الخواص المغناطيسية لـ Nickel Superalloys على تكوينها ، وخاصة محتوى النيكل وعناصر صناعة السبائك.
النيكل نفسه مغناطيسي(ينجذب إلى المغناطيس) في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك ، فإن العديد من النيكل superalloysغير مغناطيسي أو مغناطيسي ضعيفبسبب إضافات السبائك التي تعطل الترتيب المغناطيسي.
على سبيل المثال:
Inconel 718 ، التي تحتوي على 52 ٪ Ni جنبا إلى جنب مع الكروم ، niobium ، و molybdenum ، غير مغناطيسية بشكل عام في حالتها الصلب أو المسنين.
Alloys with higher nickel content (e.g., >80 ٪) قد يحتفظ بالضعف المغناطيسي الضعيف ، ولكن هذا أمر نادر الحدوث في Superalloys ، حيث غالباً ما يثبط الكروم والعناصر الأخرى السلوك المغناطيسي.
والسبب الرئيسي هو أن عناصر مثل الكروم والموليبدينوم والكوبالت يمكن أن تقلل من درجة حرارة الكوري المغناطيسية من النيكل ، مما يجعل السبائك غير المغناطيسية في درجة حرارة الغرفة. هذه الخاصية مفيدة في التطبيقات الفضائية والتطبيقات الكهربائية حيث يجب تقليل التداخل المغناطيسي.
تعد كربيدات رواسب مهمة في ألواح النيكل الفائقة ، التي تتكون من رد فعل الكربون مع المعادن الحرارية. أنها تعزز قوة درجات الحرارة العالية ، ومقاومة الزحف ، واستقرار حدود الحبوب. تشمل الكربيد الشائعة:
MC Carbides: كربيد مكعب بهيكل من نوع كلوريد الصوديوم ، حيث يمثل "M" معادن مثل التيتانيوم (TIC) أو tantalum (TAC) أو niobium (NBC) أو hafnium (HFC). هذه الشكل أثناء التصلب وغالبًا ما يتم العثور عليها كجزيئات منفصلة ، مما يعزز المصفوفة وتثبط نمو الحبوب.
كربيدات m₂₃c₆: carbides المعقدة (على سبيل المثال ، cr₂₃c₆ ، (cr ، mo) ₂₃c₆) التي تترسب عند حدود الحبوب. أنها تعمل على تحسين قوة حدود الحبوب ، مما يقلل من التكسير بين الخلايا تحت ضغط درجات الحرارة العالية. الكروم هو المعدن الأساسي في m₂₃c₆ ، مع استبدال الموليبدينوم أو التنغستن في بعض الحالات.
كربيدات M₆C: كربيدات سداسية أو مكعبة (على سبيل المثال ، (MO ، W ، Ni) ₆C) التي تتشكل في درجات حرارة وسيطة. غالبًا ما يتم العثور عليها في السبائك الغنية بالموليبدينوم أو التنغستن (على سبيل المثال ، Hastelloy X) وتساهم في مقاومة الزحف عن طريق تثبيت خلع.
كربيدات m₇c₃: أقل شيوعًا ولكن لوحظ في بعض السبائك ، يمكن أن تتشكل هذه الكربيدات (على سبيل المثال ، cr₇c₃) أثناء المعالجة الحرارية وقد تتحول إلى m₂₃c₆ في درجات حرارة أعلى.
يتم التحكم في توزيع ونوع الكربيد عبر المعالجة الحرارية ، مما يضمن الخواص الميكانيكية المثلى لخدمة درجة الحرارة العالية.
تتمتع Superalloys المستندة إلى النيكل بتوصيل حراري منخفض نسبيًا مقارنة بالمعادن مثل النحاس أو الألومنيوم ، وهي خاصية توازن بين الاحتفاظ بالحرارة والسلامة الهيكلية في تطبيقات درجات الحرارة العالية.
القيم النموذجية: تتراوح الموصلية الحرارية من10 إلى 25 واط/(م · ك)في درجة حرارة الغرفة ، يتناقص قليلاً في درجات حرارة مرتفعة. على سبيل المثال:
Inconel 718: ~ 11 W/(M · K) في 20 درجة ، ~ 16 واط/(م · ك) في 800 درجة.
CMSX-4 (Superalloy أحادي البلورة): ~ 12 واط/(م · ك) في 20 درجة ، ~ 18 واط/(م · ك) في 1000 درجة.
Hastelloy X: ~ 14 W/(M · K) في 20 درجة ، ~ 20 W/(M · K) في 800 درجة.
العوامل التي تؤثر على الموصلية: عناصر صناعة السبائك (على سبيل المثال ، الموليبدينوم والتنغستن تقلل الموصلية) ، والميزات المجهرية (على سبيل المثال ، تترسب فونونات مبعثرة ، وخفض النقل الحراري) ، ودرجة الحرارة (تزداد الموصلية قليلاً مع درجة الحرارة بسبب حركة فونون المحسنة).
أهمية الهندسة: الموصلية الحرارية المنخفضة تساعد على الاحتفاظ بالحرارة في المقاطع الساخنة من التوربينات الغازية ، وتقليل التدرجات الحرارية وتحسين الكفاءة. كما أنه يقلل من نقل الحرارة إلى مكونات أكثر برودة ، وحمايتها من ارتفاع درجة الحرارة.
تعد Superalloys المستندة إلى النيكل أمرًا بالغ الأهمية في الفضاء بسبب قدرتها على تحمل درجات الحرارة القصوى والضغط الميكانيكي والتآكل. تشمل السبائك الرئيسية وتطبيقاتها:
Inconel 718:
تعبير: ~ 52 ٪ ni ، 19 ٪ cr ، 18.5 ٪ fe ، 5 ٪ nb ، 3 ٪ mo ، 1 ٪ ti ، 0.6 ٪ al.
التطبيقات: أقراص التوربينات والشفرات والأغلفة في محركات النفاثة (على سبيل المثال ، التوربينات ذات الضغط المنخفض) ومحركات الصواريخ. إن قابلية اللحام الممتازة والقوة العالية في 650-700 درجة تجعلها متعددة الاستخدامات للمكونات الهيكلية.
Inconel 625:
تعبير: ~ 61 ٪ NI ، 21.5 ٪ CR ، 9 ٪ MO ، 3.6 ٪ NB ، 2.5 ٪ Fe.
التطبيقات: غرف الاحتراق ، أنظمة العادم ، والبطح. مقاومة الأكسدة الفائقة (ما يصل إلى 1093 درجة) وبيئات محرك مقاومة التآكل.
واسبالوي:
تعبير: ~ 58 ٪ NI ، 19 ٪ CR ، 13 ٪ CO ، 4.3 ٪ MO ، 3 ٪ TI ، 1.4 ٪ AL.
التطبيقات: أقراص التوربينات ذات الضغط العالي والشفرات في المحركات الطائرات العسكرية والتجارية. يوفر مقاومة زحف ممتازة على درجة 760-815.
Superalloys أحادية البلورة (على سبيل المثال ، CMSX-4 ، PWA 1484):
تعبير: ~ 60-65 ٪ NI ، 10-20 ٪ CR ، 5-10 ٪ CO ، 5-8 ٪ AL ، 5-10 ٪ W ، مع TA ، TI ، أو إعادة الإضافات.
التطبيقات: شفرات التوربينات ذات الضغط العالي في المحركات النفاثة المتقدمة (على سبيل المثال ، بوينج 787 ، إيرباص A350). يزيل بنية البلورة الواحدة حدود الحبوب ، مما يقلل بشكل كبير من الزحف وتحسين القوة عند 1000-1100 درجة.
هاينز 282:
تعبير: ~ 57 ٪ NI ، 20 ٪ CR ، 10 ٪ CO ، 8.5 ٪ MO ، 2.1 ٪ TI ، 1.5 ٪ AL.
التطبيقات: أقراص التوربينات والأغلفة في محركات الجيل التالي. فهو يجمع بين قوة درجات الحرارة العالية مع التحسين القابلية للنقاش مقارنة بالسبائك القديمة.
تتيح هذه السبائك محركات الطيران من العمل في درجات حرارة أعلى ، وزيادة كفاءة استهلاك الوقود والدفع مع ضمان الموثوقية على المدى الطويل.
