Super aliaje pe bază de nichel
Această intrare sau secțiune despre metalurgie nu menționează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Superaliajele pe bază de nichel sunt în prezent cele mai utilizate aliaje în producția de componente care funcționează la temperaturi ridicate și sunt supuse unor solicitări intense, cum ar fi turbinele cu avioane și părțile mecanice ale motoarelor de înaltă performanță.
Nichelul este un metal de tranziție care aparține grupului 10 , caracterizat printr-un punct de topire egal cu 1455 ° C și un sistem de cristal cubic cu fețe centrate: caracteristici care, împreună cu capacitatea sa mare de a solubiliza metalele aliate și buna maleabilitate, constituie un bun început punct pentru formularea materialelor de înaltă performanță. O caracteristică nichel- superaliaje pe bază constă dintr - o matrice din aliaj de nichel (cu adaos de cobalt și , eventual , de fier ) călit prin soluție și o serie de precipitate faze ale compușilor intermetalici și carburilor care participă la o consolidare suplimentară și stabilizarea termică a metalului.
Caracteristicile matricei
Matricea acestor aliaje este în esență o soluție solidă pe bază de nichel (și, eventual, procente reduse de cobalt și fier ) care conține cantități mari de agenți de legare adăugați pentru a întări sau a îmbunătăți alte caracteristici (comportament la fluaj , rezistență la coroziune ) considerate a nu fi destul de adecvate în o ligă mai simplă.
Procesul de deformare într-un material metalic se datorează în principal așa-numitei „mișcări de luxații ”, adică deplasarea atomilor (sau grupurilor lor) în rețeaua sa cristalină : încetinirea sau obstrucționarea acestui proces conduce inevitabil la o creștere a duritatea și rezistența aliajului.
Într-o soluție solidă eutectică sau hipoeutectică, mișcarea luxațiilor este încetinită efectiv de deformări sau torsiuni ale țesutului cristalin rezultate din inserarea elementelor de aliere caracterizate printr-un diametru atomic sau o valență semnificativ diferită de cele ale metalului de bază și pentru din acest motiv, cei mai buni agenți de aliere exploatați pentru întărirea matricei unui aliaj de nichel sunt metalele refractare din grupele V, VI și VII ( tungsten , molibden , tantal și niobiu în special) deoarece sunt caracterizate de dimensiuni atomice relative foarte ridicate și capacitate redusă de a difuza în aliaj după încălzire (datorită punctului de topire ridicat al acestuia); deși aluminiul nu se încadrează în cazurile menționate anterior, este totuși capabil să ofere un efect de întărire mai mult decât semnificativ datorită valorii sale considerabile.
O altă problemă care afectează nichelul nealiat este rezistența slabă la coroziune și oxidare , în special în prezența sulfului și gazului la temperaturi ridicate. Din acest motiv, un superaliaj necesită întotdeauna adăugarea unor cantități mari de crom pentru a forma un strat protector de oxid (Cr 2 O 3 ) pe suprafața sa, prevenind infiltrarea oxigenului sau a altor agenți corozivi ai spațiilor intergranulare. Tendința acestui element de a destabiliza matricea și de a-și pierde capacitățile de protecție dacă este hiperoxidată (devenind CrO 3 ) sunt uneori un stimulent pentru a înlocui cel puțin o parte din aceasta cu aluminiu.
Aditivi suplimentari sunt itriul și hafniul (în doze mici cresc rezistența la oxidare și rupere sub stres), zirconiul (controlează dimensiunea bobului cristalin), carbonul și borul (care formează carburi și boruri foarte dure pentru a îmbunătăți rezistența aliajului). ).
Precipită intermetalice
Așa-numita „soluție solidă” de metale refractare descrisă mai sus nu este totuși singurul mijloc de întărire într-un aliaj metalic, dar există o altă și mai eficientă: așa-numita „precipitație”.
Dacă într-o soluție cantitatea de elemente dizolvate nu este suficientă pentru a atinge limita maximă de solubilizare (adică „hipoeutectică”) nu va avea tendința de a suferi modificări structurale majore dacă este încălzită la temperaturi sub punctul de topire. Pe de altă parte, atunci când un dizolvat este prezent într-o cantitate excesivă, după o supraîncălzire prelungită (sau, uneori, deja în timpul solidificării după turnare) va tinde să se separe de restul soluției (în jargon se spune că „precipită ") formând o fază o structură cristalină diferită care conține adesea aranjamente ordonate ale atomilor din diferite metale, care ia numele de" compus intermetalic ".
Un compus intermetalic este, prin urmare, o fază compusă din mai multe metale care, fiind aranjate în cantități și poziții ordonate și previzibile, formează o rețea cristalină diferită de cea de origine a elementelor constitutive individuale. În cadrul unui aliaj, formarea precipitatelor ordonate într-o matrice care are o structură și o compoziție mai neregulate reprezintă un obstacol puternic în mișcarea dislocărilor, deoarece traversarea acestui precipitat poate avea loc numai prin „tăierea” acestuia, adică ruperea masei sale sau depășirea acesteia („by-pass” al precipitatului), fenomene care, în toate circumstanțele, necesită formarea unor tensiuni interne considerabile și consumul consecvent de energie mecanică . În superaliaje pe bază de nichel, precipitatele principale sunt Ni 3 Al și Ni 3 Ti (cu ambele elemente înlocuibile, în cantități mici, cu niobiu, tantal, cobalt, crom și altele). Mai mult, poate apărea precipitarea unei a doua faze intermetalice Ni-Nb, care este coerentă cu matricea, dar poate precipita sub forma unei faze delta dacă este în prezența nivelurilor ridicate de Fe. Această a doua fază este incompatibilă cu matricea, iar întărirea este cauzată tocmai de tensiunile interne generate.
Eficacitatea unui precipitat în blocarea luxațiilor depinde în mod substanțial de diferențele relative de valență și mărime ale atomilor conținuți (ca la întărirea soluției solide), de diferențele de modul elastic între precipitat și matrice și de coerența („aderența”) precipitatului în matricea în sine. Într-un aliaj de bază, nichelul, cromul și molibdenul reduc coerența precipitatelor, niobiul și aluminiul cresc. Întărirea precipitațiilor devine complet inutilă atunci când temperatura sa de solubilizare este depășită și, din acest motiv, este avantajoasă adăugarea de cobalt, un metal foarte insolubil în aluminiu și care, prin urmare, crește supraviețuirea precipitatelor care îl conțin.
Carburi
Prezența carburilor metalice este un ajutor important în creșterea durității și rezistenței, dar este esențial să se efectueze un control precis al transformărilor și modificărilor lor rezultate în urma încălzirii. În special, formarea de „pelicule” subțiri de carbură pe marginea boabelor cristaline reprezintă un puternic stimulent pentru propagarea fisurilor și a rupturilor. Această problemă este rezolvată și cu adăugarea microscopică de hafniu (care creează particule subțiri de carbură de hafniu care sunt extrem de rezistente la căldură).
Stabilizarea bobului cristalin
Un factor important de luat în considerare la formularea superaliajelor este dimensiunea bobului său de cristal. De fapt, se știe că o creștere excesivă a dimensiunilor lor are efecte dăunătoare asupra durității, dar dimensiunile insuficiente ale acesteia induc consecințe la fel de nedorite. Pentru a controla crearea acestor cristale, este esențial să adăugați cantități foarte mici de zirconiu , un metal cu atomi enorme (cu 27% mai mari decât cei de nichel) care, prin urmare, tind să se depună pe marginea boabelor, reglând astfel creșterea acestora. .
La fel de utile sunt tratamentele termice pentru a modifica forma acestora, în timp ce cele mai recente cercetări s-au îndreptat către crearea aliajelor „monocristaline”, în care nu există niciun tip de diviziune în boabe , dar uniform pe toată dimensiunea sa.
Întărire prin dispersie
O altă metodă de întărire este „dispersia” de particule ceramice și inalterabile în matrice, nu deosebit de eficientă, dar capabilă să reziste la temperaturi uniforme în care toate celelalte sisteme sunt complet compromise. Cele mai frecvent utilizate substanțe sunt itriu, toriu sau alți oxizi de pământuri rare (datorită stabilității lor termodinamice ridicate).
linkuri externe
- Raport despre superaliaje pe bază de nichel , pe ing.unitn.it . Adus la 19 martie 2008 (arhivat din original la 13 mai 2006) .
