Газовые турбины являются одними из наиболее требовательных применений в области машиностроения, подвергая материалов экстремальным температурам, высоким центробежным силам, окислению и термическим циклическим циклами. В этой обстановке, тепловая усталость- Повторное расширение и сокращение материалов из -за колеблющихся температур - является одним из наиболее важных режимов отказа.

Нимоник 90, кованый суперсплавок на основе никеля, впервые представленный Henry Wiggin & Co., является одним из самых устоявшихся материалов, используемых для таких компонентов, как Турбинные лопасти, диски и системы сгорания высокого давленияПолем Он предлагает уникальный баланс сопротивление ползучести, устойчивость к окислению, высокая температурная сила и устойчивость к усталости.

В этой статье исследует Микроструктурные особенности, механизмы укрепления и поведение устойчивости к усталости Nimonic 90, с акцентом на его использование в условиях термической усталости, таких как лопасти газовых турбин.

Сплава сплава и фазы укрепления

Сила Nimonic 90 -х годов получена из тщательно настроенной композиции:

Его основные механизмы укрепления:

• γ ′ фаза (ni₃ (al, ti)): Этот когерентный, упорядоченный осадок в матрице FCC γ является основным источником укрепления осадков, препятствующим движению дислокации.

• Сплошное укрепление раствора: Кобальт и хром усиливают устойчивость к твердому раствору и толерантность к окислению.

• Карбид осадки (MC и M23C6): Расположенные на границах зерна, они улучшают устойчивость к ползучести и термическому усталости путем закрепления границ зерна.

Этот баланс обеспечивает Nimonic 90 с отличной стабильностью при температура до 925 ° C, подходит для высокотемпературных вращающихся деталей.

Природа тепловой усталости в турбинных применениях

Тепловая усталость отличается от обычной усталости:

• Это происходит без механической циклической нагрузки.

• Это управляется тепловые градиенты и циклические напряжения вызвано неравномерным расширением и сокращением.

• Трещины обычно инициируются на поверхностях или границах зерна, часто начинающихся как ямы с помощью окисления или микроатч.

Газовые турбины часто ездят на велосипеде между стартапом (окружающей средой) и полной нагрузкой (850–950 ° C), иногда несколько раз в день. Эти Циклические тепловые напряжения Инициировать ущерб, который накапливается более сотни или тысячи циклов.

В таких средах должен обладать материал:

• Низкое несоответствие термического расширения Чтобы уменьшить внутренние напряжения.

• Высокая фазовая стабильность под циклическим нагревом.

• Устойчивость к окислению Чтобы предотвратить начало поверхностной трещины.

• Целостность границы зерна противостоять размножению межцентрального трещин.

Тепловая обработка и контроль микроструктуры

Компоненты Nimonic 90 тепло, обработанные для оптимизации распределения осадков γ ′. Стандартная процедура включает в себя:

1. Решение отжиг При ~ 1080 ° C: растворяет существующие осадки, гомогенизирует матрицу.

2. Старение лечения При ~ 700–800 ° C: способствует контролируемому осаждению мелких γ ′ частиц.

Размер и распределение γ ′:

• Идеальный размер: ~ 30–60 нм.

• Единое распределение в зернах задерживает движение дислокации.

• Крупный γ ′ (> 100 нм) приводит к локальным мягким зонам при велосипеде.

Зерновое граничное инженерия также ключ:

• Контролируемые прокатывания и отжиг создают эквиасиасированные зерна с минимальной текстурой.

• Карбидные сети (M23C6) ингибируют границу зерна, скользящие при циклическом напряжении.

Производительность термической устойчивости к усталости

Эмпирические данные о тепловой усталосной жизни нимонических 90 показывают сильную производительность в типичных условиях:

Тепловые усталостные трещины обычно начинаются как Поверхностные трансгранулярные микротрещины, но в зонах высокого стресса (например, корни лезвий), межсетевой перелом становится более доминирующим. Присутствие стабильных карбидов на границах зерна задерживает этот процесс.

В турбинных двигателях, особенно Аэровативные турбины Используемая в производстве электроэнергии и морской двигательной двигательности, высокие показатели усталости с высоким циклом Nimonic 90 напрямую приводят к более длительным интервалам между проверками и капитальным ремонтом.

Использование в дизайне турбинного лезвия

Современный дизайн лезвия турбин должен учитывать не только свойства материала, но и геометрия, Охлаждающий дизайн, и поверхностная обработкаПолем Nimonic 90 соответствует этим проблемам дизайна, включив:

• Тонкостенные отливки или поки с высокой стабильностью.

• Интеграция внутреннего охлаждения канала с минимальным тепловым искажением.

• Shot Peenging и LSP (лазерная шок -пиненирование) Совместимость для повышения устойчивости к усталости.

Например, Первая стадия турбинных лезвий Во многих устаревших реактивных двигателях, таких как Rolls-Royce Spey или GE CF6, успешно использовали Nimonic 90 из-за своей производительности имеханизм-Ключевое преимущество перед более продвинутыми однокристаллическими сплавами в чувствительных к стоимости приложений.

Достижения в области обработки: металлургия порошка и аддитивное производство

Последние достижения направлены на уточнение микроструктуры и повышение производительности усталости:

а Порошковая металлургия (PM)

• PM Nimonic 90 показывает более тонкие, более однородные зерна.

• Более низкая пористость улучшает усталостную жизнь на 20–40%.

• Лучший граничный контроль зерна.

беременный Аддитивное производство (AM)

Хотя AM с сплавами с γ'-длительным сплавами является сложной задачей из-за растрескивания и сегрегации, появляются новые подходы: появляются новые подходы:

• Builds Nimonic 90 на основе EBM Nimonic 90 достигли в ближайшей усталости после горячего изостатического прессования (бедра).

• Адаптированный Профили термической обработки Улучшение распределения γ ′ в построенных частях.

Эти методы позволяют изготовление Сложная геометрия турбины, например, лопасти с переменной настенной толщиной и многоканальные конфигурации охлаждения.

Окисление и воздействие на окружающую среду

При высоких температурах окисление и горячая коррозия могут ослабить утомляемость. Nimonic 90 хорошо работает из -за:

• Хром и алюминий обеспечение стабильной оксидной пленки.

• Низкое содержание серы Снижение внутренних рисков коррозии.

Однако в среде с Na₂so₄ + v₂o₅ Загрязняющие вещества (например, газовые турбины сжигают тяжелые топлива), горячая коррозия становится критической. Решения включают:

• Защитные покрытия (например, McRaly или алюминид).

• Обработка поверхности (например, хромизация, боридь).

Ограничения и сравнение с другими сплавами

В то время как Nimonic 90 предлагает сильное соотношение производительности и затрат, он имеет ограничения:

Таким образом, в чувствительные к стоимости приложения (Например, коммерческие турбины, морские двигатели), Nimonic 90 остается предпочтительным выбором по сравнению с более новыми сплавами с однокристаллическими или DS.

Nimonic 90-это проверенный высокопроизводительный сплав, который продолжает играть жизненно важную роль в проектировании и эксплуатации компонентов склонных к термической усталости, особенно лопасти газовых турбин. С помощью своего оптимизированного γ ′ осаждения, укрепления границ зерна и устойчивости к окислению он удовлетворяет многогранную потребность в тепловой усталости в сложных средах.

По мере развития турбинных технологий Nimonic 90 остается весьма актуальным из -за ее легкость изготовления, Отличная устойчивость к усталости, и баланс затратПолем Благодаря усовершенствованиям из порошковой металлургии и аддитивного производства, в настоящее время он перепроизведен для оборудования турбины следующего поколения, что делает его не унаследованным материалом, а перспективным.