Stopy niklu 2012-04-03 Stopy Niklu 1
Nikiel i jego stopy Al Ti Cu Ni liczba at. 13 22 29 28 struktura kryst. A1 A3/ A2 A1 A1, kg m -3 2700 4500 8930 8900 T t, C 660 1668 1085 1453, 10-6 K -1 18 8,4 26 13,3, W m -1 K-1 247 11,4 398 82,9, n m 28,2 420 16,7 68,4 E, GPa 78 115( ) 125 207 R m, MPa 45 235 209 317 R 0,2, MPa 10 140 33 59 A, % 50 54 60 30 2
Zastosowanie techniczne niklu stale odporne na korozję 57,0% stopy niklu 13,0% platerowanie 10,4% stale stopowe 9,5% odlewnictwo 4,4% stopy miedzi 2,3% inne 3,4% nikiel jest odporny na korozję atmosferyczną i w wodzie morskiej, w kwasach organicznych, nie jest odporny na działanie kwasu azotowego i fosforowego oraz związków siarki; 3
Podział stopów niklu konstrukcyjne, oporowe, o szczególnych właściwościach fizycznych (magnetycznie miękkie), odporne na korozję, żarowytrzymałe, stopy z pamięcią kształtu; 4
Stopy niklu Monele stopy z głównym dodatkiem Cu (27-34%) oraz do 2%Mn i do 2,5%Fe, o jednofazowa mikrostruktura roztworu stałego, o duża odporność na korozję (łopatki turbin parowych, aparatura chemiczna i elementy maszyn pracujących w ośrodkach korozyjnych), o zachowują swoje właściwości wytrzymałościowe do ok. 500 C (R m do 700 MPa), o NiCu30Al3Ti można utwardzać wydzieleniowo uzyskując R m > 1000 MPa; Nadstopy (superalloys) grupa żarowytrzymałych stopów niklu oraz kobaltu i żelaza umacnianych fazą (A 3 B), których temperatura pracy dochodzi do 0,9T t, tj. ok. 1000-1100 C; 5
Turbinowy silnik odrzutowy 80% produkowanych na świecie nadstopów zużywa przemysł budowy turbin gazowych dla lotnictwa, komunikacji lądowej i morskiej oraz stacjonarnych urządzeń energetycznych; 6
Turbina 7
Turbinowy silnik odrzutowy Rolls Royce Trent 800 (Boeing 777) Moc turbiny wys. ciśn. na 1 łopatkę 500kW; 50MW, > 10 000 obr/min, v k > 1200 km/h; naprężenie u podstawy łopatki: 180 MPa; przekrój poprzeczny 5 cm 2 F 90 000 N (9 ton); trwałość 3 lata, 9 h/dobę 9 mln km 200 x wokół Ziemi; 8
Materiały w silniku turbinowym stopy tytanu stopy niklu (do 50% masy) stal 9
Turbina 10
Turbina 11
Temperatura ( C) Rozwój nadstopów max. temp. powłoki powłokowe bariery cieplne max. temp. stopu 900 stopy odlewnicze stopy do przeróbki plastycznej stopy monokrystaliczne stopy krystalizowane kierunkowo Rok 12
Budowa fazowa roztwór stały Co, Fe, Cr, Mo, W w odróżnieniu od czystego niklu charakteryzuje się dużą żarowytrzymałością; faza nadstruktura A 3 B o sieci płaskocentrowanej układu regularnego, typu Cu 3 Au, A Ni, Co, Cr, Fe; B Al, Ti, Nb, Mo, Ta, V; Ni lub Al Al Ni 13
Mikrostruktura faza o koherentna z osnową, niewielka różnica parametrów sieci, uporządkowanie hamuje ruch dyslokacji umocnienie, o mała energia granic międzyfazowych cieplna, duża stabilność o rozmiar wydzieleń < 0,5µm, udział obj. od 20 do 80%; 14
Budowa fazowa faza faza o strukturze przestrzennie centrowanej układu tetragonalnego Ni 3 Nb, koherentna z osnową, o dużym niedopasowaniu parametru sieci ~2,9%, stabilna do temp. ok. 650 C, powstaje w stopach zawierających Fe; węgliki pierwotne MC (Ti, Ta, Hf, Nb, W, Mo, Cr) podczas eksploatacji mogą powstawać M 23 C 6 i/lub M 6 C, gł. na granicach ziarn; 15
Budowa fazowa faza faza o strukturze przestrzennie centrowanej układu tetragonalnego Ni 3 Nb, koherentna z osnową, o dużym niedopasowaniu parametru sieci ~2,9%, stabilna do temp. ok. 650 C, powstaje w stopach zawierających Fe; węgliki pierwotne MC (Ti, Ta, Hf, Nb, W, Mo, Cr) podczas eksploatacji mogą powstawać M 23 C 6 i/lub M 6 C, gł. na granicach ziarn; borki wydzielenia typu M 3 B o małej gęstości i dużej twardości, powstają w wyniku segregacji boru do granic ziarn o zwiększenie odporności na pełzanie, o zmniejszenie szybkości dyfuzji po granicach ziarn 16
Mikrostruktura fazy topologicznie zwarte -, i inne ( (Fe,Mo)x(Ni,Co)y x,y równe od 1 do 7) o płytkowe lub iglaste wydzielenia powstają podczas eksploatacji, obniżają wytrzymałość na pełzanie i ciągliwość stopów; 17
Wytrzymałość na pełzanie IN 625 Cr 20%, Mo 8%, Nb+Ta 3,15%, Ni reszta MAR M-247 Co 10%, W 10%, Cr 8,25%, Al 5,5%, Ta 3,0%, Hf 1,5%, Ti 1,0%, Mo 0,7%, C 0,15%, Zr 0,05%, B 0,015% 18
Ewolucja mikrostruktury ziarna równoosiowe monokryształ izotropowe właściwości mechaniczne; ziarna kolumnowe poprawa właściwości mechanicznych w kierunku osi łopatki; wyjątkowo duża odporność na pełzanie; 19
Krystalizacja kierunkowa odlew monokrystalicznej łopatki z widocznym selektorem ziarna; 21
Mikrostruktura przekrój wzdłużny tekstura 001 przekrój poprzeczny Stopy Niklu 2012-04-03 22
Właściwości 23
Łopatki turbiny materiał nadstopy na osnowie niklu chłodzenie łopatek powłoki ochronne (TBC thermal barrier coatings) 24
Powłokowe bariery cieplne ZrO 2 stabilizowany przez Y 2 O 3 (YSZ yttria stabilised zirconia) =2-300 m =11-13x10-6 K -1 (Ni: =13,3x10-6 K -1 ) =2,3 W m-1 K-1 w temp. 1000 C (Ni: =82,9 W m -1 K-1 ) metoda: EBPVD (electron beam physical vapour deposition) 25
Stopy z pamięcią kształtu 1932r. Arne Olader, szwedzki naukowiec zaobserwował zjawisko pamięci kształtu w stopie Au-Cd, stopy Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Co-Ni-Al, Fe-Mn-Si i in., Nitinol (Ni + 38-50% Ti), 1962r. William Bueher, David Goldstein (Naval Ordnance Laboratory); 26
Nitinol Temperatura, C W stopach z pamięcią kształtu występują dwie fazy: austenit w wyższej temperaturze (struktura układu regularnego), martenzyt w niższej temperaturze (struktura o niższej symetrii), A s Temp. pokojowa Stopy Niklu Zaw. Ni, % 2012-04-03 27
Stopy z pamięcią kształtu Mikrostruktura stopu NbRu (TEM) Mikrostruktura stopu NiTi (TEM) 28
Pseudosprężystość pseudosprężystość występowanie znacznego (kilka %), odwracalnego odkształcenia bez wystąpienia odkształceń plastycznych, (w większości metali odkształcenie sprężyste nie przekracza 0,2%) (T > A f ); 29
Naprężenie Pseudosprężystość T > A f obciążanie odkształcenie sprężyste aktywowana naprężeniem przemiana martenzytyczna odkształcenie sprężyste odciążanie Odkształcenie przyczyną jest aktywowana naprężeniem bezdyfuzyjna, odwracalna przemiana fazy austenitycznej w fazę martenzytyczną; Stopy Niklu 2012-04-03 30
Efekt pamięci kształtu efekt pamięci kształtu, jednokierunkowy, T < M f T < M f T > A f T < M f dwukierunkowy, T < M f T > A f 31
Temperatura Efekt pamięci kształtu AUSTENIT chłodzenie nagrzewanie odkształcanie MARTENZYT Odkształcenie 32
Naprężenie Odkształcanie martenzytu T < M f odkształcenie sprężyste odkształcenie plastyczne (poślizg) odkształcenie sprężyste obciążanie odciążanie zmiana orientacji bliźniaków (odkształcenie trwałe) Odkształcenie 33
Wpływ liczby cykli Wielkość naprężeń i odwracalnych odkształceń zmniejsza się wraz ze wzrostem liczby cykli obciążenia: w jednym cyklu do 8% ( max = 500 MPa), 100 do 4% ( max = 275 MPa), 10 000 do 2% ( max = 140 MPa), 100 000 do 1% ( max = 70 MPa), 34
Zalety nitinolu bardzo duże naprężenie przy odzyskiwaniu kształtu, możliwość kształtowania właściwości mechanicznych oraz temperatury przemiany, duża ciągliwość, możliwość uzyskiwania różnych kształtów i rozmiarów, łatwość nagrzewania oporowego, łatwość integracji z laminatami kompozytowymi; 35
Wady nitinolu długi czas reakcji nieefektywne przy dużej częstotliwości, mała sprawność konwersji energii, utrudnione stosowanie w warunkach znacznych wahań temperatury, niespawalny i drogi, nieliniowe właściwości cieplno-mechaniczne mogą ograniczać dokładność; 36
Zastosowania medyczne stenty stosowane w chirurgii plastycznej naczyń (nitinol + PTFE); 37
Zastosowania medyczne filtry wychwytujące skrzepy w żyle głównej; 38
Zastosowania medyczne wszczepy do naprawy ściany przedsionka serca; druty ortodontyczne i wszczepy do scalania kości; 39
Profile o zmiennej krzywiźnie 40
Profile o zmiennej krzywiźnie łopaty wirnika, skrzydła, pokrycie drut SMA (zimny) żebro usztywniające sprężyna drut SMA (gorący) 41
Połączenia rurowe np. przewodów instalacji hydraulicznej, T > A f T < M f odkształcenie T > A f 42
Tłumienie drgań widmo drgań własnych utwierdzonej belki z laminatu epoksydowego z umieszczonymi w niej wstępnie odkształconymi włóknami nitinolu o średnicy 300 m; amplituda amplituda przed nagrzaniem włókien po nagrzaniu włókien częstotliwość, Stopy Hz Niklu 2012-04-03 43
Inne zastosowania czujniki temperatury, pożaru itp., podnośniki, manipulatory, przełączniki, mikrosprzęgła, itp., akcesoria odporne na zginanie (anteny telefonów, okulary ), 44
Zastosowanie sonda Pathfinder 45