Введение

Остенитные никель-хромные сверхсплавы

Инконель – это сверхсплав на основе никеля и хрома, часто используемый в экстремальных условиях, где компоненты подвергаются воздействию высоких температур, давления или механических нагрузок. Сплавы инконеля обладают устойчивостью к окислению и коррозии. При нагревании инконель формирует толстый, стабильный, пассивирующий оксидный слой, защищающий поверхность от дальнейшего разрушения. Инконель сохраняет прочность в широком диапазоне температур, что делает его привлекательным для высокотемпературных применений, где алюминий и сталь подвержены ползучести из-за термоиндуцированных дефектов кристаллической решетки. Высокотемпературная прочность инконеля достигается за счет упрочнения твердыми растворами или осадочного упрочнения, в зависимости от сплава. Сплавы инконеля обычно используются в высокотемпературных приложениях. Распространенные торговые названия сплава Inconel Alloy 625 включают: Inconel 625, Chronin 625, Altemp 625, Haynes 625, Nickelvac 625, Nicrofer 6020 и обозначение UNS N06625. Сплав Inconel Alloy 600 включает: NA14, BS3076, 2.4816, NiCr15Fe (FR), NiCr15Fe (EU), NiCr15Fe8 (DE) и обозначение UNS N06600. Сплав Inconel 718 включает: Nicrofer 5219, Superimphy 718, Haynes 718, Pyromet 718, Supermet 718, Udimet 718 и обозначение UNS N07718.

История

Семейство сплавов Inconel было впервые разработано до декабря 1932 года, когда товарный знак был зарегистрирован американской компанией International Nickel Company of Delaware и Нью-Йорка. Важное раннее применение было найдено при поддержке разработки реактивного двигателя Уиттла в 1940-х годах исследовательскими группами компании Henry Wiggin & Co в Херефорде, Англия, которая являлась дочерней компанией Mond Nickel Company, объединившейся с Inco в 1928 году. В 1998 году компания Hereford Works и ее активы, включая товарный знак Inconel, были приобретены компанией Special Metals Corporation.

Состав

Сплавы инконеля значительно различаются по своему составу, но все они преимущественно состоят из никеля, а вторым элементом является хром. Инконел Элемент, процентное содержание по массе (%) Ni Cr Fe Mo Nb & Ta Co Mn Cu Al Ti Si C S P B 600 ≥72.0 14.0–17.0 6.0–10.0 ≤1.0 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.15 ≤0.015 617 44.2–61.0 20.0–24.0 ≤3.0 8.0–10.0 10.0–15.0 ≤0.5 0.8–1.5 ≤0.6 ≤0.5 0.05–0.15 ≤0.015 ≤0.006 625 ≥58.0 20.0–23.0 ≤5.0 8.0–10.0 3.15–4.15 ≤1.0 ≤0.5 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.5 ≤0.1 ≤0.015 ≤0.015 690 ≥58 27–31 7–11 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.05 ≤0.015 Ядерный сорт 690 ≥70.0 14.0–17.0 5.0–9.0 0.7–1.2 ≤1.0 ≤1.0 ≤0.5 0.4–1.0 2.25–2.75 ≤0.5 ≤0.08 ≤0.01

Свойства

При нагревании Inconel образует толстый и стабильный пассивирующий оксидный слой, защищающий поверхность от дальнейшего разрушения. Inconel сохраняет прочность в широком температурном диапазоне, что делает его привлекательным для высокотемпературных применений, где алюминий и сталь подвергались бы ползучести из-за термически индуцированных дефектов кристаллической решетки (см. уравнение Аррениуса). Высокотемпературная прочность Inconel достигается за счет упрочнения твердыми растворами или упрочнения выделениями, в зависимости от сплава. В составах, упрочняемых старением или выделениями, небольшое количество ниобия соединяется с никелем, образуя интерметаллид Ni3Nb или гамма-двойной штрих (γ″). Гамма-двойной штрих формирует мелкие кубические кристаллы, которые эффективно препятствуют сдвигу и ползучести при повышенных температурах. Формирование кристаллов гамма-двойного штриха увеличивается со временем, особенно после трех часов воздействия при 850 °C (1562 °F), и продолжает расти после 72 часов воздействия.

Усиливающие механизмы

Наиболее распространенными механизмами упрочнения сплавов Inconel являются упрочнение выделениями и упрочнение твердым раствором. В сплавах Inconel один из этих двух механизмов часто преобладает. Для сплавов, таких как Inconel 718, основным механизмом упрочнения является упрочнение выделениями. Большая часть упрочнения обеспечивается наличием вторичных выделений гамма-двойной штрих (γ″). Сплавы Inconel имеют γ-матричную фазу с гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой. Выделения γ″ состоят из Ni и Nb, в частности, имеют состав Ni3Nb. Эти выделения представляют собой мелкие, когерентные, дисковидные интерметаллические частицы с тетрагональной структурой. Вторичное упрочнение выделениями обеспечивается выделениями гамма-штрих (γ'). Фаза γ' может существовать в различных составах, например, Ni3(Al, Ti). Поскольку фаза γ″ является метастабильной, передержка может привести к превращению выделений фазы γ″ в выделения фазы дельта (δ) – их стабильные аналоги. Участки с большим количеством фазы Лавеса склонны к развитию трещин из-за их повышенного потенциала концентрации напряжений.

Применение

Инконел часто встречается в экстремальных условиях. Он широко используется в лопатках, уплотнениях и камерах сгорания газовых турбин, а также в роторах и уплотнениях турбокомпрессоров, валах электродвигателей погружных насосов, высокотемпературном крепеже, оборудовании для химической обработки и сосудах под давлением, трубках теплообменников, парогенераторах и основных компонентах ядерных реакторов с водяным охлаждением, при переработке природного газа, содержащего примеси, такие как H2S и CO2, в дефлекторах взрывной волны глушителей огнестрельного оружия, а также в выхлопных системах автомобилей Формулы-1, NASCAR, NHRA и APR, LLC. Он также применяется в турбосистеме Mazda RX7 третьего поколения и в выхлопных системах мощных мотоциклов Norton с роторными двигателями Ванкеля, где температура выхлопных газов превышает 1000 °C (1832 °F). Инконел все чаще используется в котлах мусоросжигательных заводов. Вакуумные камеры токамаков Joint European Torus и DIII D изготовлены из Инконела. Инконел 718 обычно используется для криогенных резервуаров, буровых труб, устьевого оборудования и в аэрокосмической промышленности, где он является одним из основных материалов для изготовления жаропрочных турбин.

Космическая промышленность

Космический челнок использовал четыре штыря Inconel для крепления твердотопливных ракетных ускорителей к стартовой платформе, всего восемь штырей поддерживали весь вес готовой к полету системы шаттла. Восемь хрупких гаек находятся снаружи твердотопливных ракетных ускорителей, при запуске взрывчатые вещества разъединяли гайки, освобождая челнок от стартовой платформы. North American Aviation построила обшивку ракетного самолета North American X-15 из сплава Inconel X/750. Rocketdyne использовал Inconel X 750 для сопла ракетного двигателя F-1, использовавшегося в первой ступени ракеты-носителя Saturn V. SpaceX использует инконель (Inconel 718) в коллекторе своего двигателя Merlin, который приводит в действие ракету-носитель Falcon 9. Впервые для 3D-печати ракетный двигатель SpaceX SuperDraco, обеспечивающий систему аварийного спасения экипажа космического корабля Dragon V2, был полностью напечатан. В частности, камера сгорания двигателя напечатана из Inconel с использованием процесса прямого лазерного спекания металла и работает при очень высокой температуре и давлении в камере. SpaceX отливал коллекторы ракетного двигателя Raptor из SX300, а затем из SX500, которые являются монокристаллическим никелевым сплавом (улучшение по сравнению со старыми сплавами Inconel).

Автомобильная промышленность

Tesla утверждает, что использует Inconel вместо стали в главном контакторе аккумуляторной батареи своей Model S, чтобы он сохранял упругость при нагреве от высокого тока. Tesla утверждает, что это позволяет модернизированным автомобилям безопасно увеличить максимальную выходную мощность батареи с 1300 до 1500 ампер, что обеспечивает увеличение мощности (ускорения), которое Tesla называет "Ludicrous Mode" (Безумный режим). Ford Motor Company использует Inconel для изготовления турбинного колеса в турбокомпрессоре своих дизельных двигателей EcoBlue, представленных в 2016 году. Выхлопные клапаны двигателей NHRA Top Fuel и Funny Car для драг-рейсинга часто изготавливаются из Inconel. Ford Australia использовал клапаны Inconel в своих турбированных двигателях Barra. Эти клапаны доказали свою высокую надежность, выдерживая мощность более 1900 лошадиных сил. BMW впоследствии стала использовать Inconel в выхлопном коллекторе своего высокопроизводительного люксового автомобиля BMW M5 E34 с двигателем S38, обеспечивая устойчивость к более высоким температурам и снижение противодавления. Jaguar Cars оснастила свой высокопроизводительный спортивный автомобиль Jaguar F Type SVR в стандартной комплектации новой легкой выхлопной системой из Inconel и титана, которая выдерживает более высокие пиковые температуры, снижает противодавление и уменьшает массу автомобиля. DeLorean Motor Company предлагает замену из Inconel для подверженных поломкам оригинальных болтов заднего рычага подвески на DMC 12. Отказ этих болтов может привести к потере управления автомобилем. Прокатанный Inconel часто использовался в качестве носителя информации для гравировки в бортовых самописцев самолетов. Альтернативами использованию Inconel в химических применениях, таких как скрубберы, колонны, реакторы и трубопроводы, являются Hastelloy, углеродистая сталь с покрытием из перфторалкокси (PFA) или пластик, армированный волокном.