Superaliaje cu baza Nichel

IntroducereÎn ultimele decenii, cererile din ce în ce mai mari de motoare cu turbină pentru avioane (comerciale sau militare ) cât şi pentru turbine industriale, au motivat căutarea asiduă a unor materiale noi. În toată această perioadă, tehnologia de material a preîntâmpinat cerinţele severe (de proprietăţi la temperaturi înalte în medii puternic corozive ) cu superaliaje îmbunătăţite continuu, care sunt folosite tot mai mult şi la alte aplicaţii datorită temperaturii de lucru din ce în ce mai ridicată.

De multe ori s-a apreciat că oportunităţile superaliajelor sunt depăşite, astfel încât au fost studiate şi alte materiale cu punct de topire mai ridicat, cum sunt: materiale ceramice, materiale refractare şi aliaje cu bază crom. În unele cazuri, soluţionarea problemelor impuse de aceste materiale a depăşit eforturilor cercetătorilor, aceştia negăsind, încă soluţiile optime de înlocuire, în totalitate, a superaliajelor pentru motoarele cu turbină, aşa cum s-ar dori, de exemplu, cu materiale ceramice. În plus, datorită cercetărilor intense sunt fabricate superaliaje din ce în ce mai performante, încadrate într-o diversitate de sisteme de aliaje.

Obiectivul fundamental al cerecetărilor în domeniul superaliajelor este de a ajunge la o înţelegere avansată a metalurgiei fizice şi coroziunii, a metodelor de durificare şi procesare a aliajelor, în vederea controlului structurii şi implicit a propietăţilor, creearea unor noi structurii metalurgice care să preîntâmpine cerinţele viitorului prin inovaţii în metalurgie.

Definitia superaliajelorUn superaliaj reprezintă un aliaj pe bază de metale din grupa VIII A, dezvoltat pentru

funcţionarea la temperature înalte, în condiţiile unor tensiuni mecanice ridicate şi a unei

înalte stabilităţi sperficiale.

Termenul de superaliaj a fost utilizat imediat după cel de-al doilea Război Mondial,

pentru a descrie un grup de aliaje utilizate la turbocompresoare şi motoare de tip turbină,

cărora li se impunea o performanţă ridicată la temperaturi înalte.

Aceste materiale constau din aliaje pe bază de Fe, Ni, Co şi Cr, cu diverse cantităţi de

W, V, Ta, Nb, Ti, Al, la care se pot adăuga mici cantităţi de B, Zr şi Hf care măresc rezistenţa

la fluaj şi ductilitatea prin finisarea granulaţiei.

În superaliaje, carbonul este prezent în cantităţi relativ mici:

sub 0,03 % la superaliajele pe bază de Ni şi Fe puţin mai mari la superaliajele pe bază de cobalt care se durifică prin formarea de

carburi.Superaliajele sunt aliajele pe bază de Ni, Fe, Co sau Cr, care sunt folosite la temperaturi de lucru ridicate, de peste 8000C. Fe, Co, Ni şi Cr sunt metale de tranziţie cu poziţii consecutive în tabelul periodic al elemenetelor. Superaliajele bază Fe sunt deformabile, în timp ce superaliajele bază Ni sau Co pot fi deformabile sau de turnătorie, în funcţie de aplicaţia / compoziţia dorită.

Proprietăţile controlate din punct de vedere chimic, rezistenţa excelentă la temperatură mare, precum şi prelucrarea (inclusiv tratamentul termic ) contribuie la producerea pieselor de calitate superioară. Cele mai importante proprietăţi ale superaliajelor sunt:

- rezistenţa la expunere îndelungată la temperaturi mai mari de 6500C;- rezistenţa la coroziune şi eroziune la cald.

Principalele clase de superaliaje sunt:

1. Superaliaje pe bază de Fe care conţin Cr şi Ni2. Superaliaje complexe de tip Fe-Ni-Cr-Co3. Superaliaje pe bază de Co, durificate prin carburi4. Superaliaje pe bază de Ni durificate prin călire punere în soluţie5. Superaliaje pe bază de Ni durificate prin precipitare sau dispersiePentru funcţionarea la temperaturi foarte înalte, au fost testate: metalele refractare din

grupele V (V, Nb, Ta) şi VI (Cr, Mo, W) materialele ceramice şi aliajele pe bază de titan.

Metalele refractare prezintă rezistenţă scăzută la oxidare ® sunt limitate numai la utilizarea

în medii neoxidante. Materialele ceramice nu posedă suficientă rezistenţă la şoc (rezilienţă),

ceea ce le conferă o aplicabilitate foarte limitată. Aliajele pe bază de titan nu pot fi utilizate la

temperaturi înalte din cauza afinităţii lor foarte ridicate pentru elementele interstiţiale şi a

rezistenţei scăzute la fluaj. În aceste condiţii, singurele care îndeplinesc condiţiile de

rezistenţă şi temperatură rămân superaliajele.

Clasificarea superaliajelorO sumară clasificare a superaliajelor poate fi făcută luând în considerare următoarele criterii:

1. După metoda de obţinere: superaliaje obţinute prin retopire; superaliaje obţinute prin metalurgia pulberilor.

2.După destinaţie:

superaliaje de turnătorie; superaliaje deformabile.

3.După compoziţie chimică:

aliaje bază Ni (în cadrul acestora, ca o grupă distinctă, intră aliajele bază Ni - Fe); aliaje bază cobalt; aliaje bază crom.

Principalele clase de superaliaje sunt:

1. Superaliaje pe bază de Fe care conţin Cr şi Ni;2. Superaliaje complexe de tip Fe-Ni-Cr-Co;3. Superaliaje pe bază de Co, durificate prin carburi;4. Superaliaje pe bază de Ni durificate prin călire punere în soluţie;5. Superaliaje pe bază de Ni durificate prin precipitare sau dispersie.Pentru funcţionarea la temperaturi foarte înalte, au fost testate: metalele refractare din

grupele V (V, Nb, Ta) şi VI (Cr, Mo, W) materialele ceramice şi aliajele pe bază de titan.

Metalele refractare prezintă rezistenţă scăzută la oxidare sunt limitate numai la utilizarea

în medii neoxidante. Materialele ceramice nu posedă suficientă rezistenţă la şoc (rezilienţă),

ceea ce le conferă o aplicabilitate foarte limitată. Aliajele pe bază de titan nu pot fi utilizate la

temperaturi înalte din cauza afinităţii lor foarte ridicate pentru elementele interstiţiale şi a

rezistenţei scăzute la fluaj. În aceste condiţii, singurele care îndeplinesc condiţiile de

rezistenţă si temperatură rămân superaliajele.

Superaliaje pe bază de nichelSuperaliajele pe bază de nichel au acest element în proporţie maximă (30-75 %), în

compoziţia chimică unde se mai găsesc cantităţi semnificative de Cr (până la 30 %), însoţit de

Fe (până la max. 35 %), Mo, W şi Ta. Durificarea acestor superaliaje se face prin alierea

soluţiei solide sau prin precipitarea secundară de compuşi intermetalici. Elementele care

formează compuşi intermetalici sunt Al, Ti şi Nb. Pentru îmbunătăţirea rezistenţei mecanice şi

la coroziune se adaugă mici cantităţi de Al, Ti, Nb, Mo şi W.

Combinaţia de Ni şi Cr conferă acestor aliaje o remarcabilă rezistenţă la oxidare,

superioară oţelurilor inoxidabile, în special la temperaturi mai mari de 6500C.

a – Superaliajele durificate prin alierea soluţiei solide sunt utilizate după recoacere:

joasă, între 870 şi 9800C, pentru obţinerea celor mai mari valori ale rezistenţei la tracţiune şi la oboseală;

înaltă, între 1120 şi 12000C, pentru obţinerea unor valori optime ale rezistenţei la oboseală şi la fluaj,peste 6000C b - Superaliajele durificate prin precipitare conţin Al, Ti sau Nb. Compuşii intermetalici care precipită pot fi γ’ [Ni3(Al, Ti)] sau γ” (Ni3Nb). Călirea de precipitare constă din punerea în soluţie între 970 şi 11750C urmată de una sau mai multe reveniri între 600 şi 8150C. Unele mărci de superaliaje pe bază de nichel, la care durificarea se realizează prin alierea soluţiei solide sau precipitare.

Consideraţii teoretice privind compoziţia chimică, structura şi proprietaţile superaliajelor bază NiCercetările metalurgice în domeniul obţinerii de noi mărci de superaliaje au contribuit în mare măsură la progresele importante realizate de industria aerospaţială.

Aliajele pentru utilizarea la fabricare a turbinelor cu gaze trebuie să satisfacă criteriile stringente privitoare la rezistenţa şi alungirea la tracţiune, rezistenţa şi alungirea la fluajul cu/fără rupere şi rezistenţa la anduranţă la oboseală oligociclică, pentru a menţiona doar câteva caracteristici. Alte câteva caracteristici fizice controlate de obicei sunt: densitatea, conductivitatea termică şi dilatarea termică.

În orice caz, superaliajele au importantă vitală şi în schimbătoarele de căldură de înaltă temperatură pentru aplicaţii în domeniul energetic, precum şi în alte diverse aplicaţii cu funcţionare în condiţii dure.

Compozitia chimica a superaliajelor cu baza NiCele mai des utilizate superaliaje sunt cele bază Ni şi cele bază Co.

Superaliajelor bază Ni li s-au adăugat proporţii de fier, în cantitaţii diferite, pentru a reduce costul aliajelor utilizabile pentru piesele forjate mari, separându-se astfel două grupe importante de superaliaje: cele bază Ni - Fe şi cele cu bază Fe.

O listă reprezentativă a superaliajelor şi a compoziţiilor este reprezentată în tabelul de mai jos.Toate sistemele de superaliajele sunt subdivizate în superaliaje de turnătorie şi superaliaje deformabile.

Compoziţia chimică a unor superaliaje reprezentativeAliaje Cr Ni Co Mo W Nb Ti Al Fe C Altele

Deformabile

Bază Fe

A286

Incoloy 903

Bază Fe–Cr

17-40 CuMo

19-9DL

Bază Co

Hynes 25

Satelite 6B

Bază Ni

Inconel 625

Nimonic 75

ÎN 100

Rene 95

Turnate

Bază Ni

ÎN 713C

Inconel 718

Udimet 500

Bază Co

MAR-M 302

AiResist 213

Bază Cr

Chrome-90S

C-207

15

<0,1

16

19

20

30

21,5

19,5

10

14

12,5

19

18

21,5

20

92,5

91

26

38

14

9,0

10

1

61

75

60

61

74

53

53

-

0,5

-

-

-

15

-

-

50

61,5

-

-

15

8

-

-

17

58

64

-

-

1,2

0,1

2,5

1,25

-

-

9

-

3

3,5

4,2

3

4

-

-

-

-

-

-

-

11,5

15

4,5

-

-

-

3,5

-

-

-

10

4,5

-

7,5

-

3,0

0,4

0,4

-

-

3,6

-

-

3,5

0,9

5

-

-

-

-

0,8Z

2,0

1,4

0,3

0,3

-

-

0,2

0,4

4,7

2,5

0,8

0,9

3

-

-

0,5

0,2

0,2

0,7

-

-

-

-

0,2

0,15

5,5

3,5

6

0,5

3

-

3,5

2,5V

-

55

41

62,5

66,8

3

1

2,5

2,5

<0,6

<0,3

-

18

2

0,5

0,5

1Si

-

0,0

4

0,0

4

0,1

2

0,3

0,1

1

0,0

5

0,1

2

0,1

5

0,1

6

0,1

2

B,V

-

Mn,Si,Cu

Mn,Si

1,5Mn

-

-0

0,25Cu

V,Zr,B

B,Zr

1,75Ta,B

0,1Cu

-

9Ta,0,2Zr,

B

6,5Ta,Zr,Y

3MgO

Din tabel se constată că superaliajele au o compoziţie foarte complexă şi după elementele componente se pot clasifica:

elemente de bază. Ni, Cr, Al, Ti;elemente de adaos: Co, Mo, W, Ta, Zr, B,V;elemente însoţitoare: Mn, Si, P, S, O, N, Fe;elemente nocive: Sn, Bi, Pb, Ag, Cu.

Elementele importante în constituirea aliajelor pe bază de NiDin gruparea acestor elemenete după cum se observă că ele tind sistematic spre anumite grupe din tabelul lui Mendeleev.

Astfel, în prima categorie intră elemenetele din grupa V, VI, VIII(Ni, Co, Fe, Cr, Mo, W, V) care alcătuiesc matricea austenitică (cfc). Din a doua categorie fac parte elementele din grupele III, IV şi V (Ti,Co,Ta) care alcătuiesc precipitalul (Ni3Al) şi care pot înlocui Al din precipitat. Din a treia categorie fac parte elementele din grupele II, III şi IV (Mg, B, C şi Zr) care segregă la limetele de grăunte.

Din alt punct de vedere, elementele de aliaj se pot clasifica în:

elementele ce formează carburi (carburigene): Cr, Mo, W, V, Nb, Ta şi Ti; elementele ce formează oxizi rezistenţi la difuzie şi deci protector pentru atacul

mediului înconjurător (Cr, Al).

Macro şi microstructurta superaliajelor baza Ni în stare turnată

În prezent sunt cunoscute superaliaje cu diferite structuri cristaline cum ar fi:

aliaje cu structuri echiaxe, care se obţin în absenţa răcirii dirijate şi au grăunţii axiali (aproximativ identic dezvoltaţi faţă de centru).

Nivelul rezistenţei şi refractarităţii superaliajelor cu o astfel de structură depinde de perfecţiunea limitelor grăunţilor, ce poate fi controlată prin microaliere şi de condiţiile de solidificare care asigură uniformitatea granulaţiei. Limitele grăunţilor reprezintă cel mai vulnerabil loc al aliajelor cu structură echiaxă.

-aliaje cu structură direcţională care constau în grăunţi dezvoltaţi pe direcţia acţinuii forţei de bază (ex: gradientul de temperatură în timpul răcirii dirijiate).

-aliaje cu structură monocristalinăDacă la o cristalizare direcţionată se asigură condiţii de solidificare dintr-un centru (ex. : folosirea unui agent de cristalizare monocristalin) se obţine o structură monocristalină.

Constituenţi structurali în superaliaje bază nichelDatorită numărului mare de lemente de aliere, superaliaje pe bază de nichel au o microstructură extrem de complexă.

Microstructura acestora constă, în principal, din matricea de bază - faza ( (cfc), în care au precipitat: o fază fină, uniform dispersată, numită faza ’ (cfc), unul sau mai multe tipuri de carburi şi faze minore de tipul: nitrurilor, carbonitrurilor, borurilor, faze Laves, , .

Matricea de austenită În superaliajele bază nichel, matricea (faza ) este o soluţie solidă de elemente de aliere dizolvate în Ni. La răcirea din starea lichidă încep să precipite carburile (în apropierea liniei solidus ), iar la temperaturi mai joase începe să precipite faza ’. Compoziţia soluţiei solide în nichel este foarte mult modificată în urma răcirii şi mai ales în urma aplicării diferitelor tratamente termice (determină creşterea fazei ’ şi a carburilor), astfel încât soluţia se poate îmbogăţii în Co şi Cr.

Unele elemente de aliere ca: W, Mo, Cr durifică matricea, fiind de asemenea importante şi în formarea carburilor; carburile au rol determinant în asigurarea unei stabilităţi structurale. Prezenţa Cr asigură o bună rezistenţă la coroziune. Co creşte solubilitatea fazei ( cu temperatura, ceea ce face să crească temperatura maximă la care poate fi utilizat aliajul. Al şi Ti sunt foarte importante datorită tendinţei lor de a forma o fază fină.

În superaliajul turnat, faza se prezintă ca o soluţie solidă suprasaturată de Ni din care, în urma tratamentului termic, precipită faza ’ şi carburi complexe conform reacţiei: Elementele dizolvate în Ni duc la mărirea parametrului de reţea.

Faza ’Este o fază durificatoare intermetalică, bazată pe compusul intermetalic Ni3Al care precipită din soluţia solidă suprasaturată (. În structura superaliajelor, atomii de Al pot fi substituiţi parţial de atomii de Ti, Nb şi Co, astfel încât faza (’ este un compus intermetalic complex de tipul Ni3(Al, Ti,Nb, Co). rezistenţa mecanică deosebită a superaliajelor pe bază de Ni este conferită de precipitarea uniformă a fazei (’ au o structură cubică cu feţe centrate, diferenţa dintre parametrii de reţea fiind de obicei sub 0,05% (aNi3Al=3,589 A, aNi = 3,524A).

CarburileSpre deosebire de aliajele neferoase în care C şi carburile sunt considerate dăunătoare, în superaliajele bază Ni, C participă la formarea carburilor cu rol în stabilizarea structurii la deformări la temperaturi mari. Stabilitatea structurală este realizată prin formarea unor reţele de carburi complexe la limita grăunţilor. Aceste elemnte inhibă deplasarea grăunţilor, îmbunătăţind proprietăţile de fluaj la rupere. Tratamentul termic caută să conducă la precipitarea uniformă şi fină, la graniţele intercristaline, a carburii M23C6.

Carbura cea mai stabilă în superaliajele bază Ni este cea de tip MC (unde M este, în principal, Ti). Morfologia carburilor de tip MC pentru aliajul turnat, depinde de viteza de răcire. Una din proorietăţile cele mai importante ale acestor carburi este posibilitatea de a se descompune în faza ’ şi carbura M23C6 conforma reacţiei prezentate în ecuaţia (1).

În carbura de tip M23C6 (cea mai frecventă carbură observată în superaliajele pe bază de Ni), M poate fi Cr, Co, Mo, Ni, Ti, W în funcţie de compoziţia şi tratamentul termic.

Carburile M23C6 sunt nişte particule discrete ale unei faze precipitate la limtia grăunţilor. De asemenea, carbura M23C6 poate precipita intragranular, sub formă de plachete marcate. În acest caz apare un efect de fragilizare. Efectul acestor precipitate conduce la fracilizarea aliajelor.

Alte carburi care pot apărea în structura superaliajelor sunt M6C şi M7C3.

Carburile M6C sunt considerate mai stabile decât carburile M23C6, dar mai puţin stabile decât carburile de tip MC. Radicalul M poate fi metal refractar (Mo, W, Nb) sau metale de tranziţie (Fe, Ni, Co).

Carburile M7C3 se găsesc în câteva superaliaje şi sunt relativ nestabile. Ele precipită atât inter cât şi intragranular, radicalul M fiind de obicei Cr. Aceste carburi apar, în general, la expunerea îndelungată la temperaturi sub 9370C prin transformarea carburilor M23C6.

Fazele minoreFazele minore (nitruri, boruri, carbonitruri, faze Laves, , ) sunt considerate în general dăunătoare performanţelor aliajelor.

Nitrurile apar deseori în superaliajele bază Ni, de obicei sub forma compusului TiN. Azotul şi carbonul au afinitate apropiată pentri titan, astfel încât cei doi compuşi, TiN şi TiC formează de obicei carbonitruri.

Borurile segregă la marginile grăunţilor sub forma M3B2 în super aliaje cu conţinut de B cuprins între 0,008 –0,005%.

Faza Laves este un compus intermetalic de forma AB2, criteriul de formare fiind ca raportul razelor atomice ale celor două elemente să fie în domeniul 1,08 – 1,032. În superaliajele bază Ni, fazele Laves precipită sub forma de plachete intragranulare.

Fazele ( şi ( au o formologie apropiată; ele apar în suprafeţe atacate sub formă aciculară. Efectul prezenţei lor asupra proprietăţilor superaliajelor nu este încă bine determinat.

Faza ’ de structură cfc, în coerenţă cu s-a dovedit a fi structura optimă a superaliajelor comerciale.

Prezenţa fazei ’ – tetragonală conduce la o structură necorespunzătoare din punct de vedere al proprietăţilor superalijului, datorită coerenţei slabe cu matricea de bază – faza .

Prin tratament termic de îmbătrânire, într-o oarecare măsură şi prin recoacere, ’ – tetragonal se poate transforma în ’ – cubic.

Proprietăţile fizico – mecanice şi de coroziune ale superaliajelor1. Proprietăţi fizice 2. Proprietăţi mecanice:

Proprietăţi la tracţiune Ruperea prin fluaj/ tensiune Rezistenţa la oboseală Rezistenţa la coroziune/ oxidare

Proprietăţi fiziceCele mai importante proprietăţi fizice ale superaliajelor sunt:

1. densitatea 2. temperatura curbei lichidus (de topire) 3. temperatura curbei solidus (de solidificare) 4. căldura specifică 5. conductivitatea electrică 6. rezistivitatea electrică 7. permeabilitatea magnetică 8. temperatura Curie

Valorile celor mai importante proprietăţi fizice

Nr.crt.

123

1

234

123456789

1011

Densi- Temperatura Căldura Conductivita-Aliajul tatea lichidus solidus specifică(a) tea electrică

Mg/m3 0C 0C J/kg % IACSSuperaliaje pe bază de fier

Haynes556 8,23 - - 472 -Incoloy800 7,94 1385 1355 502 1,7Incoloy801 7,94 1385 1355 452 1,7

Superaliaje pe bază de cobaltHaynes25 9,13 1410 1329 374 -

(L-605)Haynes188 9,13 1398 1302-1330 423(b) -Stellite6B 8,38 1354 1265 421 -UMC050 8,05 1395 1380 - -

Superaliaje pe bază de nichel

HastelloyB-2 9,21 - - 389(b) -HastelloyC-4 8,64 - - 426(b) -

HastelloyC-276 8,90 1371 1323 427 -HastelloyN 8,93 - - 419(b) -HastelloyS 8,76 1380 1335 427(b) -HastelloyW 9,03 1315 - - -HastelloyX 8,23 1290 1250 486 -Inconel600 8,42 1415 1354 444 1,7Inconel617 - - 1333 - -Inconel625 8,44 1350 1290 456 2,0Nimonic75 - - 1380 - -

Rezistivita-Permeabilita-Temperatura

tea electrică tea magnetică CurienΩ·m - 0C

970 - -989 1,0092 -

1012 - -

890 < 1,00 -

1,01 -910 < 1,2 -825 - -

1380(b) - -1250 - -1330 - -

1200(b) - -- - -- - -

1180 <1,002© -1030 1,010 -124

- - -869 - -

- - -

12 Nimonic80A - - 1360 - - - --

13 René41 8,25 1371 1232 452 - 1308 1,002 -14 Udimet500 8,14 1345 1260 - - 1203 - -

15 Waspaloy 8,02 1355 1339 532© - 1240 --

Densitatea este redusă sau mărită priun introducerea elementeleor de aliere uşoare (Al, Ti, Cr) respectiv grele (W, Ta).

Proprietăţi mecanice

Rezistenţa la obosealăS-a estimat că cca. 90 % dintre structurile inginereşti cad din cauza oboselii. Aceasta se datorează faptului că solicitările ciclice din timpul funcţionării, mai ales cele produse de vibraţiile rezonante, sunt mai dificil de prevăzut decât sarcinile statice iar comportarea materialelor inginereşti atunci când sunt supuse la solicitări ciclice, este determinată de caracteristicile micro şi macroscopice ale materialului.

Ca şi cele statice, ruperile la oboseală sunt clasificate în ruperile la temperatură joasă, la temperatură înaltă şi mixte. Ruperile la temperatură joasă se caracterizează prin iniţiere şi propagare intragranulară iar cele de la temperatură înaltă sunt preponderent intergranulare. Tranziţia de la comportamentul la temperatură joasă la cel la temperatură înaltă în vecinătatea punctului echicoeziv, depinde de temperatură, tensiune, viteză de deformare şi tipul superaliajului.Oboseala la temperatură joasă este caracterizată printr-un stadiu de inducere, în care se produc sub tensiune benzi de alunecare ce se dezvoltă în microfisuri. Microfisurile se progagă de-a lungul planelor de alunecare spre interior iar unirea lor duce la formarea unei macrofisuri. Urmează o perioadă de propagare lentă de-a lungul unui plan necristaligrafic, normal la direcţia tensiunii principale aplicate, care sfârşeşte cu propagarea şi ruperea rapidă. La superaliajele durificate prin alierea soluţiei solide, datorită rezistenţei ridicate la alunecare şi a înaltei capacităţi de ecruisare, rezistenţa al oboseala la temperatură joasă este scăzută. Din cauză că fazele precipitate nu sunt uniform distribuite şi nici nu sunt stabile la temperaturi ridicate, superaliajele durificate prin precipitare au o rezistenţă mai coborâtă la oboseală la temperaturi scăzute. Un efect similar îl au şi incluziunile şi golurile, care favorizează iniţierea fisurilor, precum şi carburile masive precipitate intragranular.

Oboseala la temperaturi înalte este caracterizată drept o repere prin fluajul ciclic. Odată cu creşterea temperaturii, fisurarea de-a lungul benzilor de alunecare este înlocuită prin ruperea intergranulară. O formă particulară de oboseală la temperaturi înalte este reprezentată prin oboseala termică. Aceasta constă din cicluri de încălzire sau răcire neuniformă, în urma cărora iau naştere tensiuni interne. După încălzirea neuniformă aceste tensiuni sunt de compresiune în zonele mai calde şi de întindere în zonele mai reci. După răcirea neuniformă tensiunile îşi schimbă semnul. Atunci când tensiunile ating o valoare suficient de ridicată, după repetarea lor de un număr suficient de mare, se produce o rupere localizată numită fisurare la oboseală termică.

Rezistenţa la coroziune/oxidare Superaliajele sunt supuse la efectele deterioratoare ale atmosferei de lucru, coroziunii la cald şi oxidării. Din punct de vedere al rezistenţei la acţiunea degradantă a mediului, cel mai impostant element de aliere este cromul, prezent la majoritatea superaliajelor.

Odată cu creşterea temperaturii de funcţionare a superaliajelor s-a constat că cantitatea de crom nu poate fi majorată peste o anumită limită, fără a deteriora rezistenţa mecanică. În aceste situaţii s-a recurs la acoperiri.

Una dintre cele mai importante probleme legate de oxidarea superaliajelor este influenţa acesteia asupra duratei de funcţionare a componentei respective, în urma reducerii secţiunii portante şi a introducerii concentratorilor de tensiuni care înrăutăţesc rezistenţa la oboseală.

Aceste efecte produc exfoliere, oxidare internă, aşchierea şi vaporizarea oxizilor. Rezistenţa la oxidare este dată de formarea unei pelicule protectoare de oxizi Cr2O3 şi Al2O3. Atunci când sulful şi sarea sunt introduse în atmosfera de funcţionare, se produce o puternică corodare la cald. Peliculele de oxizi pot face faţă acestei coroziuni.

Superaliajele au proprietăţi deosebite de rezistenţă la acţiunea factorilor corozivi externi. La temperaturi mai mici sau egale cu cca. 11450C coroziunea nu este o problemă majoră. La temperaturi mai ridicate, sub ~ 12550C, nivelul rezistenţei la oxidare este în funcţie de conţinutul de Cr (Cr2O3 se formează ca un oxid de protecţie); peste aproximativ 12550C, Cr şi Al contribuie concomitent la protecţia împotriva oxidării. Al duce la formarea unor pelicule de suprafaţă – Al2O3, cu rol protector.

Cu cât este mai mare conţinutul de Cr,cu atât este necesar mai puţin Al, pentru formarea unui strat mai mare de protecţie de Al2O3.

Unul dintre cele mai studiate procese de oxidare accelerată este coroziunea la cald (câteodată cunoscută sub numele de sulfidare). Procesul de coroziune la cald este separat în două regimuri: la temperatură mică şi la temperatură mare. Principala metodă de combatere a coroziunii la cald este folosirea unui conţinut ridicat de crom în aliajul de bază.

Superaliajele au fost comparate, în general cu alte sisteme, din punct de vedere al expuneri termice în timpul exploatării, ţinând cont de anumite diferenţe datorate naturii precipitatului ’. Majoritatea aliajelor cu faze secundare suportă o degradare a proprietăţilor, datorată coalescenţei fazelor secundare, care diminuează eficienţa aliajelor. Această comportare o au şi superaliajele; ea se manifestă prin fenomene ca aglomarea fazei ’ şi apariţia unei macrogranulaţii; de asemenea, apar precipitări ale carburilor. Această comportare o au şi superaliajelor; ea se manifestă prin fenomene ca aglomarea fazei ’ şi apariţia unei macrogranulaţii; de asemenea, apar precipitări ale carburilor. În plus, superaliajelor pot să aibe tendinţa de formare a unor faze secundare, mai puţin dorite, care reduc nivelul proprietăţilor. Formarea unor dintre aceste faze poate fi împiedicată prin aplicarea unui control compoziţional dirijat de conceptul numărului de vacanţe electronica.

Variabilele microstructurale principale ale superaliajelor sunt:

cantitatea de precipitat şi morfologia sa; mărimea şi forma grăuntelui; distribuţia carburilor.

Controlul structurii este realizat prin selectarea/modificarea compoziţiei şi prin prelucrare. La o compoziţie nominală dată, există anumite avantaje şi dezavantaje ale proprietăţilor, funcţie de structura obţinută (fie prin prelucrarea la deformare fie prin turnare).

Superaliajele cu bază Fe şi Ni au o structură tipică,constituită din faza ’ dispersată în matricea de bază , iar rezistenţa lor este funcţie de fracţia volumică ’ (Vf’) în volumul total fig.2.3.1. Valorile cele mai mici ale Vf’ apar la prima generaţie de superaliaje pe bază de Ni şi pe bază de Fe, în care Vf’ este mai mic decât 0,25% din volum. Faza ’ este de obicei sferoidală, în aliajele cu Vf’ mai mic şi adesea cuboidală în superaliajele cu bază Ni, cu Vf’ mai ridicat (>0,35).

Rezistenţa superaliajelor este controlată de distribuirea intergranulară; totuşi rezistenţa dovedită de aliajele policristaline este determinată de starea limitelor de grăunte, în special atunci când este afectată morfologia şi distribuţia carburilor.

O carbură discontinuă situată la limita intercristalină contribuie la mărirea suprafeţei şi deci, contribuie în mod drastic la reducerea duratei de rupere chiar dacă rezistenţa la tracţiune şi la fluaj pot fi relaitv neafectate.

Superaliajele deformabile bază Fe, Ni sunt prelucrate până la obţinera proprietăţilor optime la oboseală şi tracţiune. În acelaşi timp, atunci când au fost folosite aliajele deformabile pentru aplicaţiile limitate la fluaj, cum ar fi paletele de turbină cu gaz utilizate la presiune ridicată, au fost aplicate tratamente termice diferite de cele folosite pentru utilizări limitate la tracţiune.

Tratamentele termice complexe aplicate aliajelor deformabile au avut ca scop producerea unor dispersii uniforme a fazei ’ corelată cu o distributie potrivită a carburilor. Deşi tratamentele termice standard constau, în general, din trepte succesive la temperaturi micşorate, anumite regimuri prevăd una sau mai multe îmbătrâniri.

Mărimea fazei (’ poate fi influenţată de viteza de răcire, ca şi durată de menţinere la diferite temperaturi de îmbătrânire. Astfel, mărimea secţiunii devine o variabilă importantă în relaţiile proprietate/structură, în special la discurile turbinei cu gaz la care calibrele groase coexistă cu discurile de răcire subţiri în aceeaşi piesă iar vitezele de răcire obţinute sunt diferite pentru fiecare zonă.

Formarea unei faze compacte din punct de vedere topologic, cum ar fi Laves şi , este considerată ca fiind raportată la vacanţele electronice excesive din metalele de bază (Fe, Ni, sau Co).

Schimbările morfologice ale fazei ’ au loc prin expunere la temperaturi mari. De obicei, faza ’ formează granule mari şi se aglomerează sub influenţa tensiunii. Supraîncălzirea poate să determine o macrogranulaţie accelerată ca şi o punere în soluţie a fazei . Proprietăţile pot fi diminuate în astfel de circumstanţe, dar atunci când supraîncălzirea a fost lină, are loc precipitarea fazei fine ’ cu o revenire la temperaturile normale şi o anumită recuperare a proprietăţilor.

Recuperarea proprietăţilor nu are loc, în cazul unei expuneri termice suplimentare a fazelor topologic compacte sau a fazelor din superaliaje.

Nici o recuperare nu este realizată prin expunere termică, după precipitarea excesivă a carburilor, aşa cum poate să aibă loc în superaliaje bază Co, sau după apariţia macrogranulaţiei fazei (’ în superaliajele bază Fe şi Ni. În aceste cazuri, este necesar tratamentul termic şi îmbătrânirea pentru refacerea nivelului prorpietăţilor.

În timp ce acest proces poate să fie satisfăcător pentru aliajele degradate prin expunere termică, expunerea în timpul exploatării sub sarcină, produce pierderi ale proprietăţilor (datorate în parte fisurării la fluaj) care nu pot fi recuperate printr-un tratament termic simplu, cel puţin în cazul superaliajelor comerciale cele mai complexe. Folosirea presării izostatice la cald combinată cu tratamente termice de îmbătrânire şi punere în soluţie a superaliajelor expuse, a demonstrat că se poate obţine o ameliorare a prorpietăţilor, în măsura în care acest proces de recuperare este viabil din punct de vedere economic.

Aliaje bază Ni Rezistenţa la rupere la fluaj 100 ore/20000 psi, 0F1400 1500 1600

17001800

Aliaje

Deformabile

Ta+Nb+

Al+Ti %

Mo+

W %

Cr

%

Co

%

Ni

%

Altele

%

INCONEL – X

750

4,2 - 15 - 73 7Fe

M – 252 3,6 10 20 10 55 -

WASPALOY 4,3 4,3 19 13 58 -

NIMONIC 115 9,0 3,5 15 15 57 -

ASTROLOY 7,9 5,2 15 15 57 -

AF2 – IDA 9,1 9,0 12 10 59 -

Aliaje de

turnare

UDIMET500 6,0 4,2 19 18 52 -

RENE 77 7,9 4,2 14,

6

18,5 58 -

713C 8,9 4,2 12,

5

- 74 -

IN 738 9,5 4,4 16 8,5 61 -

B – 1900 11 6 8 10 64 -

IN 100 10,2 3 10 15 60 0,9V

0,5Hf

NASA – TRW

VI A

15,9 7,8 6,1 7,5 61 0,3Re

Aplicatiile superaliajelor

Aplicaţii tip disc pentru temperaturi ridicate

Criteriile principale de proiectare a discurilor pentru temperaturi înalte sunt rezistenţa la curgere, ardere, oboseală şi fluaj. Fluajul joacă rolul predominant din cauza creşterii continue a temperaturilor de funcţionare a discurilor.

Dacă se compară evoluţia proprietăţilor aliajului cu creşterile temperaturii de ieşire se poate observa cu uşurinţă că materialele convenţionale nu mai fac faţă. Utilizarea metalurgiei pulberilor pentru compoziţiile modificate de superaliaj IN-100 a permis atingerea unei îmbunătăţiri substanţiale a raportului rezistenţa/ densitate.

Aplicaţii tip arzător

Arzătorul este un dispozitiv simplu unde se eliberează cantităţi foarte mari de căldură într-un volum redus, ceea ce duce la o creştere locală însemnată de temperatură. Principalele criterii de proiectare a arzătoarelor sunt rezistenţa la oboseală termică, toleranţa la supraîncălziri locale, rezistenţa la coroziune-eroziune şi rezistenţa la fluaj. De-a lungul anilor a existat o tendinţă de creştere a capacităţii aliajelor de a rezista la

temperaturi înalte dar nu suficientă pentru a ţine pasul cu progresul temperaturilor de combustie. Deficitul este completat prin soluţii constructive noi cum ar fi răcirea cu aer.

Aplicaţii tip aerofolie pentru temperaturi ridicate

Pentru aplicaţiile de tip aerofolie pentru temperaturi ridicate cele mai importante criterii de alegere a materialului sunt rezistenţa la fluaj, rezistenţa la rupere, rezistenţa la oboseală termică şi la deteriorarea palelor de către mediu (pentru aerofoliile rotative).

Din punct de vedere istoric, superaliajele pe bază de nichel durificate prin precipitare au fost exploatate cu succes pentru contrucţia aerofoliilor de turbine. Perfecţionările succesive ale ajiajelor nu au putut face faţă creşterile de temperatură generate de evoluţia motoarelor de tip turbină. Din acest motiv, aerofoliile s-au facut la început din materiale forjate, apoi prin turnare şi în fine s-au adoptat soluţiie de răcire cu aer capabile să asigure o durabilitate satisfăcătoare în timpul fucnţionării.

Chiar şi în condiţiile răcirii cu aer, condiţiile de majorare a rezistenţei au crescut, ceea ce a impus şi majorarea caracteristicilor superaliajului. Această ultimă condiţie a impus utilizarea turnării cu solificare dirijată, prin intermediul căreia se obţin piese care conţin grăunţi axiali orientaţi sau chiar monocristale, care nu conţin de loc limite de grăunţi.

Solidificarea direcţională şi procedeele de obţinere a monocristalelor îmbunătăţesc rezistenţa la oboseală termică şi ductilitatea superaliajului. În felul acesta se pot fi utilizate în aplicaţii practice compoziţii chimice de superaliaje care sunt exterm de fragile atunci când se folosesc în structuri turnate convenţionale.

Aplicaţii criogenice

Deşi superaliajele sunt destinate aplicaţiilor la temperaturi înalte, anumite compoziţii de superaliaje pe bază de nichel păstrează caracteristici mecanice excelente la temperaturi scăzute. În mod normal, toate materialele convenţionale suferă scăderi drastice ale caracteristicilor atunci când sunt răcite sub 00C, cînd devin fragile.

Drept aplicaţii criogenice pot fi considerate aeronavele, rachetele (proiectilele), containerele de stocare şi conducetele de transport a gazelor lichefiate (oxigen, hidrogen, azot şi heliu) şi vehiculele spaţiale. Toate aceste materiale sunt limitate prin raporturile rezistenţă/ densitate.

Datorită apariţiei fenomenului de supraconductibilitate la temperaturi mai mici de 2600C a fost nevoie să se dezvolte dispozitive care să poată fi răcite latemperatura heliului lichid, sub formă de mecanisme supraconductoare, magneţi şi sistemedetransmisie.Pentru a face faţă cerinţelor legate de rezistenţă şi rezilienţă ridicată,concomitent cu păstrarea unei plasticităţi acceptabile, în scopul dezvoltării aplicaţiilor criogenice, s-au dezvoltat superaliaje pe bază de nichel.

Nichelul este un metal cfc care păstrează o rezilienţă şi o ductilitate acceptabilă atunci când este răcit la temperaturi crigenice. Prin alierea nichelului s-a reuşit mărirea rezistenţei la temperaturi criogenice.

Aplicaţii aerospaţiale

Ponderea superaliajelor, în componenţa motoarelor cu reacţie, a crescut de la 10 %în 1950, la 50 % în 1985 atingând 60 % în 1993. Odată cu evoluţia tehnicilor de prelucrare, s-a remarcat o tendinţă de eliminare a tehnicilor clasice de turnare, cum ar fi topirea în aer şi chiar topirea în vid, optându-se pentru utilizarea metalurgiei pulberilor pentru producerea pieselor din superaliaje utilizate în aplicaţii aerospaţiale.

În ciuda avantajelor oferite de metalurgia pulberilor, există mai multe probleme legate de acest tip de prelucrare care îi limitează utilizarea. Printre acestea se numără: - reducerea rezistenţei la oboseală din cauza prezenţei incluziunilor melalice şţi nemetalice;

inexistenţa unui model de simulare a atomizării metalului topit, în cadrul prcesului de obţinere a pulberilor, face foarte dificil controlul mărimii, formei şi distribuţiei acestora;

inexistenţa unui model adecvat de evaluare a rolului crăpăturilor asupra rezistenţei la oboseală

lipsa unor metode eficace de determinare a mărimii şi numărului de pori; Principalele piese, din cadrul aplicaţiilor spaţiale, care se confecţionează din superaliaje, sunt: 1. discuri; 2. bolţuri; 3. arbori; 4. carcase; 5. lame; 6. supape; 7. camere de ardere.

Aplicaţii de tip motoare cu reacţie

Cererea de îmbunătăţire a eficienţei şi performanţei motoarelor cu reacţie a dus la îmbunătăţirea continuă a superaliajelor. Această evoluţie este însoţită de o scădere semnificativă a prelucrabilităţii la cald. În aceste condiţii, singura soluţie rămâne metalurgia pulberilor, care este capabilă să asigure o microstructură omogenă şi uniformă.

Pentru îmbunătăţirea perfomanţelor discurilor de turbine din componenţa motoarelor cu reacţie, s-au utilizat aliaje duplex. Prin intermediul acestei tehnologii, s-a putut asigura proprietăţi diferite în diferite zone ale discului de turbină. Astfel:

prin metalurgia pulberilor s-a obţinut o granulaţie redusă în miezul discului, care asigură păstrarea unei rezistenţe ridicate la tracţiune, concomitent cu o bună rezistenţă la oboseala la număr redus de cicluri;

prin solidificare direcţională, obţinerea de monocristale, ranforsarea cu fibre sau alierea mecanică s-a asigurat, pentru pentru palele discului o rezistenţă ridicată la fluaj şi la oboseala termică.

Una dintre tehnologiile duplex, de obţinere a discurilor de turbină, presupune:

1. confecţionarea inelului prin sudarea prin puncte a mai multor lamele monocristaline; 2. prinderea inelului între două semimatriţe ceramice; 3. umpelrea matriţei cu pulbere de superaliaj prealiat; 4. presarea izostatică la cald a ansamblului pentru a asigura consolidarea pulberiişi

fixarea acesteia de lamele. O altă tehnică de obţinere a discurilor de turbină, cu proprietăţi duplex presupune utilizarea unui butuc preconsolidat, presat izostatic prin metalurgia pulberilor şi un inelcu lame solidificate direcţional. Cele două componente sunt îmbinate prin presare izostatică la cald.