Stopy żarowytrzymałe - Nadstopy

Stopy żarowytrzymałe (nadstopy)

Obecnie napędy lotnicze opierają się przede wszystkim na silnikach turboodrzutowych (turbinowych). Wobec tego, iż największa sprawność cieplna i moc turbiny gazowej uzyskiwana jest, gdy temperatura gazów na wyjściu turbiny jest najwyższa.

Co więcej, poza wysokimi temperaturami dochodzącymi nawet do powyżej 1150^oC, elementy silnika, takie jak łopatki wirujące, wał czy tarcze wirnika narażane są na bardzo duże obciążenia dynamiczne oraz naprężenia.

Stopami, które wytrzymują znaczne temperatury, obciążenia dynamiczne i naprężenia w lotnictwie są stopy żarowytrzymałe – tzw. nadstopy.

Podział stopów żarowytrzymałych

Do nadstopów, które przeznaczone są do pracy w temperaturach wyższych od 650^oC, zalicza się:

• Stopy na osnowie żelazowo-niklowej, kobaltowej oraz niklowej, które mogą pracować w temperaturach nawet 1100oC (najbardziej wytrzymałe są stopy niklowe i kobaltowe).
• Stopy na osnowie wysokotopliwych metali, np.: chromu, wanadu, tantalu, wolframu, niobu i molibdenu, odznaczające się znaczną wytrzymałością podczas długotrwałej pracy w temperaturach od 1000 do 1600^oC. Ich podstawową wadą jest niska żaroodporność, przez co konieczne jest stosowanie dodatkowej ochrony powierzchni przed korozją gazową.

Więcej o podziale stopów żarowytrzymałych napisaliśmy w tym artykule.

Stopy na osnowie żelazowo-niklowej, kobaltowej i niklowej zazwyczaj są stopami wieloskładnikowymi, dzięki czemu odznaczają się one dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi zarówno w wysokich, jak i normalnych temperaturach, zwłaszcza gdy poddane zostaną obróbce cieplnej przez przesycenie i starzenie.

W stopach na osnowie żelazowo-niklowej, kobaltowej i niklowej podczas obróbki cieplnej tworzone są fazy wspomagające wytrzymałość nadstopu. Fazami tymi są:

• Faza międzymetaliczna Ni₃Al,Ti lub Ni₃Al, która występuje głównie w stopach na osnowie niklu lub w stopach o dużej zawartości tytanu i aluminium.
• Węgliki pierwotne typu MC (TiC, NbC, TaC, ZrC itd.), jak i węgliki wtórne typu M₇C₃, M₂₃C₆ oraz M₆C, któe tworzą się jako złożone i proste węgliki chromu.
• Wydzielenia Fe₂W oraz Fe₂Mo (tzw. faza Lavesa), które występują przede wszystkim w stopach na osnowie żelazowo-niklowej z domieszką molibdenu i wolframu lub w stopach na osnowie żelaza.
• Związki boru typu M₃B, M₃B₂ oraz M₅B₃, które powstają przy domieszce boru do stopu w ilości, która prowadzi do przesycenia borem.

Optymalna ilość dyspersyjnych cząstek międzymetalicznych w objętości ziarna stopu powinna oscylować w granicach od 40 do 60%, a odległość między nimi powinna zapewniać optymalne hamowanie ruchu dyslokacji.

Szkodliwe domieszki w nadstopach

Do szkodliwych domieszek niepożądanych w stopach żarowytrzymałych zalicza się: ołów, antymon, bizmut, cynk i cynę, a także inne eutektyki i związki tworzące niskotopliwe związki. Do szkodliwych domieszek zalicza się również: tlen, wodór i azot. Zmniejszają one bowiem żarowytrzymałość stopu. Stąd też przy produkcji nadstopów wykorzystuje się bardzo czyste materiały wsadowe – np. metale uzyskiwane z procesów elektrolitycznych.