Stopy Niklu, Stopy kobaltu - Nadstopy

Podział stopów na osnowie

Ten artykuł jest kontynuacją wpisu o stopach żarowytrzymałych. Jeżeli chcesz dowiedzieć się o nich podstawowych informacji, kliknij tutaj. W tym artykule skupimy się na podziale stopów na osnowie: żelazowo-niklowej, niklu, kobaltu i wysokotopliwych metali.

Stopy na osnowie żelazowo-niklowej

Stopy na osnowie żelazowo-niklowej są stopami utwardzanymi poprzez wydzielanie różnych faz międzymetalicznych, o których pisaliśmy w poprzednim artykule. 

Stop ten utwardzają fazy: Lavesa, węgliki, oraz faza międzymetaliczna, jak również zgniot w temperaturze 500 – 700^oC. Stopy na osnowie żelazowo-niklowej zawierają żelazo w ilości od 30 do 50%, natomiast zawartość niklu oscyluje na poziomie 30 do 45%. Nikiel zabezpiecza stabilność i trwałość austenitycznej struktury stopu niezależnie od innych znajdujących się w nim domieszek. Co więcej, znaczna zawartość niklu chroni stop przed wydzielaniem się fazy sigma.

Dodatkowo w stopach na osnowie żelazowo-niklowej znajdziemy niewielki odsetek boru i chromu, a także wolframu i molibdenu, które chronią stop przed umocnieniem roztworu stałego, tworząc osnowę. Niob rozpuszczając się w roztworze stałym, tworzy wraz z tytanem i aluminium fazę międzymetaliczną typu Ni₃. Stopy na osnowie żelazowo-niklowej pracują zwykle w temperaturach na poziomie od 650 do 850^oC. Tworzy się z nich komponenty turbin gazowych, m.in. wirniki, kołki oraz łopatki.

Stopy na osnowie niklu

Stopy na tej osnowie utwardzane są poprzez dyspersyjne wydzielanie się fazy międzymetalicznej Ni₃. Dzięki domieszkom tantalu, molibdenu, wolframu, kobaltu i niobu umożliwia zwiększenie temperaturowego zakresu stosowania stopu. Maksymalna temperatura pracy stopów na osnowie niklu uzyskiwana jest, gdy sumaryczna zawartość tytanu i aluminium równa jest od 7 do 10%, a stosunek tytanu do aluminium wynosi od 0,5 do 1.

Dzięki zawartości chromu w stopie możliwe jest zwiększenie odporności na korozję gazową, natomiast dodatki cyrkonu, boru i cynku minimalizują potencjalne ryzyko szkodliwego oddziaływania niskotopliwych zanieczyszczeń, a także hamowanie zjawisk dyfuzyjnych.

Stopy na osnowie niklu dopiero po obróbce cieplnej wykazują odpowiednio wysokie właściwości żarowytrzymałe. Ich obróbka cieplna opiera się głównie na przesycaniu połączonemu ze starzeniem. 

Przesycanie polega na długookresowym wygrzewaniu stopu w temperaturze od 1000 do 1200^oC, zależnie od jego składu chemicznego. Długie wygrzewanie pozwala na przejście roztowru pierwotnie wydzielonych faz międzymetalicznych. Stop na osnowie niklu następnie wychładzany jest do temperatury przesycenia, a następnie podlega zabiegowi starzenia w temperaturze od 700 do 950^oC przez 10 lub więcej godzin. Zabieg ten powoduje wydzielenie się drobnej fazy międzymetalicznej.

Stopy na osnowie niklu pracują w temperaturach oscylujących w granicach 1000^oC i zwykle wykorzystywane są w szerokim zakresie techniki lotniczej.

Procentowy skład chemiczny stopów żarowytrzymałych na osnowie niklowej wg amerykańskiej nomenklatury

• Inconel X-750: 0,04 C, 0,7 Mn, 0,3 Si, 15 Cr, 0,9 Nb, 2,5 Ti, 0,8 Al, 6,8 Fe.
• Inconel 750: 0,12 C, 0,1 Mn, 0,3 Si, 15 Cr, 3,7 Mo, 2,2 Ti, 3 Al, 0,7 Fe, 28,5 Co.
• Rene 41: 0,09 C, 19 Cr, 10 Mo, 3,1 Ti, 1,5 Al, 0,01 B, 11 Co.
• Udimet 700: 0,15 C, 15 Cr, 5,2 Mo, 3,5 Ti, 4,25 Al, 0,05 B, 1 Fe, 18,5 Co.
• TD-Nikiel: 2,0 ThO2,
• Inconel 713 (o): 0,12 C, 12,5 Cr, 4,2 Mo, 2 Nb, 0,8 Ti, 6,1 Al, 0,012 B, 0,1 Zr.
• IN-100 (o): 0,18 C, 10 Cr, 3 Mo, 4,7 Ti, 5,5 Al, 0,014 B, 0,06 Zr, 15 Co.
• MAR-M200 (o): 0,15 C, 9 Cr, 12,5 W, 1 Nb, 2 Ti, 5 Al, 0,015 B, 0,05 Zr, 10 Co.

Stopy na osnowie kobaltu

Nadstopy na osnowie kobaltu domieszkuje się znaczną ilością niklu wynoszącą 10 – 30%, który utrwala strukturę austenityczną roztworu stałego i ułatwia tworzenie się dyspersynej fazy międzymetalicznej, która utwardza stop. Dzięki domieszce tytanu, aluminium, niobu i innych dodatków stopowych nadstop uzyskuje bardzo silne utwardzenie oraz trwałość w wysokich temperaturach.

Stopy kobaltowe utwardza się również fazą węglikową, gdyż zawartość C w ich strukturze dochodzi do 1%. Stopy na osnowie kobaltu są bardziej narażone na utlenianie względem stopów na osnowie niklu, stąd też konieczne jest zwiększenie ilości chromu od 20 do 30%.

Stopy na osnowie kobaltu pracują w temperaturach oscylujących w granicach 1000^oC, przy czym ich czas eksploatacji w wysokich temperaturach jest wyższy od stopów na osnowie niklowej. Głównie wykorzystywane są one do produkcji elementów silników turboodrzutowych.

Procentowy skład chemiczny stopów żarowytrzymałych na osnowie kobaltowej wg amerykańskiej nomenklatury

• S-816: 0,38 C, 1,2 Mn, 0,4 Si, 20 Cr, 4 Mo, 4 W, 4 Nb, 4 Fe, 20 Ni.
• HS25 0,1 C, 1,5 Mn, 0,5 Si, 20 Cr, 15 W, 10 Ni.
• V36: 0,27 C, 1 Mn, 0,4 Si, 25 Cr, 4 Mo, 2 W 2 Nb, 3 Fe, 20 Ni.
• MAR-M302 (o): 0,85 C, 0,1 Mn, 0,2 Si, 21,5 Cr, 10 W, 0,005 B, 0,15 Zr, 9 Ta.
• MAR-M322 (o): 1 C, 0,1 Mn, 0,1 Si, 21,5 Cr, 9 W, 0,75 Ti, 2,25 Zr, 4,5 Ta.
• MAR-M509 (o): 0,6 C, 0,1 Mn, 0,1 Si, 21,5 Cr, 7 W, 0,2 Ti, 0,01 B, 0,5 Zr, 1 Fe, 10 Ni, 3,5 Ta.
• NASA-Co-W-Re (o): 0,4 C, 3 Cr, 25 W, 1 Ti, 1 Zr, 2,0 Re.
• X-45 (o): 0,25 C, 1 Mn, 25,5 Cr, 7 W, 0,01 B, 2 Fe, 10,5 Ni.

Stopy na osnowie wysokotopliwych metali

Metalami wysokotopliwymi są wszystkie metale, których temperatura topnienia jest wyższa od temperatury topnienia żelaza. W praktyce zalicza się do nich metale z grupy VA okresowego układu pierwiastków, czyli: niob, tantal, wanad, a także z grupy VIA – chrom, molibden i wolfram.

Metale wysokotopliwe oraz stopy na ich osnowie charakteryzują się wysoką plastycznością w temperaturach ich przeróbki i w temperaturze otoczenia. Stąd też ich przetapianie wykonywane jest głównie w łukowych piecach próżniowych, piecach elektronowych i przez rafinację strefową.

Szkodliwymi domieszkami, które zwiększają kruchość metali wysokotopliwych, są przede wszystkim: węgiel, wodór, tlen oraz azot. Na działanie szkodliwych domieszek szczególnie narażone są chrom i wolfram. Do domieszek poprawiających plastyczność metali wysokotopliwych zalicza się tor, itr oraz tantal.

Stopy na osnowie wysokotopliwych metali wymagają stosowania pokryć ochronnych, które zapobiegają utlenianiu i przenikaniu węgla oraz azotu w głąb ich struktury.

Procentowy skład chemiczny stopów żarowytrzymałych na osnowie wysokotopliwych metali

• WX-2J: 0,15 Ti, 0,2 V, 1 Y,
• F50: 15 W, 5 Mo, 5 Ti, 1 Zr,
• Cb-752:L 10 W, 2,5 Zr,
• WN-4: 0,5 Mo, 1,5 Zr, 0,3 C, 0,03 Ce.
• WM-2 0,2 Ti, 0,4 Zr, 0,2 W, 0,02 C.
• TZC: 1,25 Ti, 0,15 Zr, 0,15 C.
• CM-5: 0,5 Zr, 0,05 C.
• WM-3: 1 Ti, 0,45 Zr, 1,4 Nb, 0,4 C.
• Ta-111: 8W, 2Hf.
• Ta-10W: 10W.