Τι είναι τα υπερκράματα; Κατασκευή & Εφαρμογές

Τι είναι τα υπερκράματα;

Τα υπερκράματα είναι μια ομάδα μετάλλων που προσφέρουν καλύτερη αντοχή σε ερπυσμό, οξείδωση και διάβρωση από τα παραδοσιακά κράματα, ενώ διατηρούν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Κατά μία έννοια, λειτουργούν ως κράματα υψηλής απόδοσης.

Τα υπερκράματα που χρησιμοποιούνται συνήθως στην αεροδιαστημική βιομηχανία για εξαρτήματα σε κινητήρες αεριοστροβίλων, χρησιμοποιούν βάση νικελίου, κοβαλτίου ή σιδήρου για να προσφέρουν πολύ ανώτερες ιδιότητες έναντι των παραδοσιακών κραμάτων χάλυβα ή αλουμινίου.

Ενώ τα περισσότερα παραδοσιακά κράματα με βάση το σίδηρο αρχίζουν να παρουσιάζουν σημαντική μείωση της αντοχής του υλικού στους 400 βαθμούς Κελσίου (με τα κράματα αλουμινίου ακόμη χαμηλότερα), πολλά υπερκράματα παρουσιάζουν στην πραγματικότητα μια αύξηση της αντοχής μεταξύ  750 και 900 βαθμών .

Γιατί είναι σημαντικά;

Ανά λίβρα, τα υπερκράματα είναι πιο ακριβά από τον χάλυβα, το αλουμίνιο ή τους ανοξείδωτους χάλυβες. είναι επίσης πιο περίπλοκα στην εργασία και τη διαμόρφωση σε ένα επιθυμητό σχήμα. Γιατί λοιπόν χρησιμοποιούνται τόσο ευρέως σε ορισμένες εφαρμογές;

Αντοχή σε ερπυσμό

Ο ερπυσμός είναι ένας τρόπος αστοχίας υλικού όπου ένα εξάρτημα παραμορφώνεται σε επίπεδο τάσης πολύ χαμηλότερο από την τελική του αντοχή σε εφελκυσμό.

Όταν ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά, ήταν γνωστά πολλά για την τελική αντοχή σε εφελκυσμό, την καταπόνηση/καταπόνηση και την κόπωση, αλλά αυτό το νέο φαινόμενο φαινόταν να αψηφά την παραδοσιακή μεταλλουργία.

Μετά από σημαντικές δοκιμές και αναλύσεις, διαπιστώθηκε ότι μια παρατεταμένη (αν και σχετικά ήπια) πίεση σε ένα μέρος θα μπορούσε να προκαλέσει αυτό που είναι επίσης γνωστό ως «ψυχρή ροή» – το εξάρτημα θα παραμορφωνόταν πλαστικά σε λιγότερο από το μισό UTS του. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το creep, ανατρέξτε ΕΔΩ

Ανακαλύφθηκε περαιτέρω ότι η θερμότητα, από οποιαδήποτε πηγή, επιταχύνει τον ερπυσμό. Για εξαρτήματα σε κινητήρες αεριωθουμένων αυτό είναι ένα δυνητικά καταστροφικό ζήτημα. Τα υπερκράματα επιτρέπουν σε μέρη όπως τα πτερύγια του στροβίλου να λειτουργούν στα άκρα της κεντρομόλου δύναμης και θερμότητας, διατηρώντας παράλληλα τη δύναμή τους και το πιο σημαντικό, το σχήμα τους.

Πριν από τη χρήση υπερκραμάτων, μακροχρόνιες δοκιμές μη ερπυστικών υλικών κατέληξαν σε ενδιαφέροντα αποτελέσματα, με τα πτερύγια του στροβίλου να επιμηκύνονται ενώ περιστρέφονται, προκαλώντας παρεμβολές στα περιβλήματα του κινητήρα.

Αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες

Σε εφαρμογές όπως οι αεροδιαστημικοί κινητήρες και οι αεριοστρόβιλοι, η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες είναι απαραίτητη. Όχι μόνο τα υπερκράματα έχουν καλή απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες, σε ορισμένες περιπτώσεις το UTS του υλικού μπορεί να αυξηθεί, επιτρέποντας ακόμη υψηλότερες καταπονήσεις λειτουργίας ή μικρότερη μάζα. Και τα δύο σημεία είναι ένα πλεονέκτημα για την αεροπορία.

Επειδή τα υπερκράματα αντέχουν στη θερμότητα καλύτερα από τα παραδοσιακά κράματα, έχουν γίνει πολλές βελτιώσεις στον σχεδιασμό των κινητήρων αεριοστροβίλου.

Οι αεριοστρόβιλοι μπορούν να δημιουργήσουν τόσο υψηλά επίπεδα ώσης λόγω της συμπίεσης του αέρα εισαγωγής και του καυσίμου. Όσο μεγαλύτερη είναι η συμπίεση, τόσο περισσότερη ισχύς μπορεί να παράγει ο κινητήρας. Καθώς αυξάνεται η πίεση και ο ρυθμός καύσης, αυξάνεται και η παραγόμενη θερμότητα.

Ευτυχώς, η αντίσταση των υπερκράματα στη θερμότητα και τον ερπυσμό επέτρεψαν υψηλότερες πιέσεις καύσης, αυξάνοντας σημαντικά την απόδοση. Πόσο? Με περισσότερα από  760 δισεκατομμύρια αεροπορικά μίλια επιβατών  που καλύπτονται το 2019, μόνο στις ΗΠΑ, η μικρή απόδοση μπορεί να ισοδυναμεί με μεγάλη εξοικονόμηση καυσίμων.

Τι τους κάνει μοναδικούς

Τα υπερκράματα ξεχωρίζουν από τα περισσότερα άλλα μέταλλα ως εξωτικά, χρησιμοποιούνται μόνο για πολύ συγκεκριμένες εφαρμογές. Τι τους κάνει όμως πραγματικά ξεχωριστούς;

Δομή δικτυωτού πλέγματος και σκλήρυνση με καθίζηση

Σε ατομικό επίπεδο, τα στοιχεία που αποτελούν τα μέταλλα σχηματίζουν δικτυωμένες δομές. Τι σημαίνει αυτό? Τα άτομα είναι διατεταγμένα σε κάθετες σειρές και πλέγματα, σε αντίθεση με τα πλαστικά. Η φυσική τάση των μετάλλων να σχηματίζουν δικτυωτές δομές είναι και ευεργετική και εμπόδιο, προσδίδοντάς τους αντοχή, αλλά μόνο σε ορισμένα επίπεδα.

Το κράμα ενός μετάλλου (μαζί με άλλα οφέλη, όπως η αντίσταση στην οξείδωση) βοηθά στη στερεοποίηση αυτής της δομής πλέγματος και αυξάνει τη δύναμη που απαιτείται για την ολίσθηση των ατομικών επιπέδων, εμποδίζοντας αυτά τα  επίπεδα ολίσθησης .

Τα υπερκράματα, ιδιαίτερα τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο, προχωρούν ένα βήμα παραπέρα. Ο σχηματισμός μιας μικροδομής ισορροπίας δύο φάσεων επηρεάζει τον τρόπο διαρρύθμισης των στοιχείων κράματος και τους παρέχει προστασία από πολλαπλούς διαφορετικούς τρόπους αστοχίας.

Αυτή η  τεχνική για τη σκλήρυνση των υλικών  είναι γνωστή ως σκλήρυνση με καθίζηση και χρησιμοποιείται σε πολλά κράματα αλουμινίου, ανοξείδωτου χάλυβα και νικελίου.

Παραδείγματα υπερκραμάτων

Το νικέλιο, ο σίδηρος και το κοβάλτιο είναι οι κύριες κατηγορίες υπερκραμάτων, με πολλά υποτμήματα μέσα στο καθένα. Ας ρίξουμε μια γρήγορη ματιά σε μερικά:

Υπερκράματα με βάση το νικέλιο – Hastelloy

Αυτό το κράμα είναι ένας συνδυασμός μολυβδαινίου και χρωμίου, δημιουργώντας εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση, καθώς και διατηρώντας καλή συγκολλησιμότητα και αντοχή στο οξύ.

Υπάρχουν πολλές διαθέσιμες παραλλαγές του Hastelloy, συμπεριλαμβανομένων των C276, Hastelloy B, B-2 και ούτω καθεξής. Κάθε κατηγορία έχει ελαφρώς διαφορετικά χαρακτηριστικά και επίπεδα στοιχείων κράματος για να φιλοξενήσει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών

Για περισσότερα σχετικά με το Hastelloy, διαβάστε τον πλήρη οδηγό ΕΔΩ

Inconel

Το Inconel χρησιμοποιείται μερικές φορές ως εναλλακτική λύση υψηλής θερμοκρασίας έναντι του ανοξείδωτου χάλυβα. Βελτιώνει τον ανοξείδωτο χάλυβα με την ικανότητά του να παραμένει ανθεκτικό στα οξέα και στη διάβρωση έως και σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.

Το χρώμιο είναι το πιο άφθονο στοιχείο κραμάτων στα Inconel, αλλά όπως τα περισσότερα υπερκράματα, υπάρχουν πολλές διαφορετικές παραλλαγές διαθέσιμες.

Για περισσότερα σχετικά με το Inconel, διαβάστε τον πλήρη οδηγό μας ΕΔΩ

Ιδιότητες υπερκραμάτων

Ο στενός έλεγχος τόσο των στοιχείων κράματος όσο και της θερμικής επεξεργασίας μπορεί να προσφέρει στους μεταλλουργούς ακρίβεια στον προσδιορισμό των ιδιοτήτων ενός υλικού. Το ίδιο ισχύει και για τα υπερκράματα, με κάθε υποομάδα να έχει συχνά μια εκπληκτική διακύμανση στις μηχανικές ή χημικές ιδιότητες. θα καλύψουμε μόνο μερικά από τα γενικά.

Υπερκράματα με βάση το νικέλιο

Μηχανικές/χημικές ιδιότητες:

• Υψηλή θερμική αντοχή
• Ισχυρή αντοχή στη διάβρωση
• Υψηλή αντοχή

Δυνατότητα εργασίας:

• Καλή μηχανική ικανότητα
• Συγκολλησιμότητα σε ορισμένες περιπτώσεις
• Μνήμη σχήματος
• Χαμηλή θερμική διαστολή

Υπερκράματα με βάση το κοβάλτιο

Μηχανικές/χημικές ιδιότητες:

• Ανώτερη θερμική αντοχή από τα κράματα με βάση το νικέλιο
• Υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση εν θερμώ σε σύγκριση με τα κράματα νικελίου και σιδήρου
• Μεγαλύτερη αντοχή στη θερμική κόπωση σε υψηλές θερμοκρασίες

Δυνατότητα εργασίας:

• Καλύτερη συγκολλησιμότητα
• Κακή μηχανική ικανότητα σε ορισμένα κράματα

Υπερκράματα με βάση το σίδηρο

Μηχανικές/χημικές ιδιότητες:

• Χαμηλή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες σε σύγκριση με κράματα με βάση το νικέλιο
• Εξαιρετική αντοχή στη φθορά σε σύγκριση με το νικέλιο
• Καλή αντίσταση ερπυσμού

Δυνατότητα εργασίας:

• Γενικά καλύτερη συγκολλησιμότητα
• Καλή μηχανική ικανότητα

Σύνθεση υπερκραμάτων

Υπερκράματα με βάση το νικέλιο

Το Hastelloy, ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο υπερκράμα νικελίου, έχει πολλές παραλλαγές της χημικής σύνθεσης ανάλογα με την απαραίτητη εφαρμογή.

Το Hastelloy C22 έχει την ακόλουθη σύνθεση:

• 56% νικέλιο
• 22% χρώμιο
• 13% μολυβδαίνιο
• Άλλα: χαμηλότερες ποσότητες σιδήρου, βολφραμίου και κοβαλτίου

Το Inconel 625 διαφέρει από ένα τυπικό Inconel, καθώς περιέχει περισσότερο νικέλιο και λιγότερο μολυβδαίνιο. έχει την εξής σύνθεση:

• 58-71% νικέλιο
• 21-23% χρώμιο
• 8-10% μολυβδαίνιο
• 5% σίδηρος
• Άλλα: χαμηλότερες ποσότητες νιοβίου, κοβαλτίου και μαγγανίου

Υπερκράματα με βάση το κοβάλτιο

Τα υπερκράματα με βάση το κοβάλτιο αποτελούνται συνήθως από κοβάλτιο και χρώμιο. Το X-40, ένα κράμα μη σιδηρούχου κοβαλτίου χρησιμοποιείται κυρίως για την εξαιρετική του αντοχή σε ερπυσμό.

Μια τυπική σύνθεση Alloy X-40 είναι:

• 54% κοβάλτιο
• 24% χρώμιο
• 10% νικέλιο
• 7,5% βολφράμιο
• 0,5% άνθρακας

Υπερκράματα με βάση το σίδηρο

Το A-286 είναι ένα συχνά χρησιμοποιούμενο υπερκράμα με βάση το σίδηρο. Μπορεί να θεωρηθεί ως εξέλιξη του ανοξείδωτου χάλυβα, που προσφέρει τη συνήθη αντίσταση στη διάβρωση, μόνο μέχρι ένα άκρο των 700 βαθμών Κελσίου.

Το A-286 είναι όπως όλοι οι ανοξείδωτοι χάλυβες καθώς αποτελείται κυρίως από σίδηρο και χρώμιο. Αυτά είναι τα άλλα στοιχεία που υπάρχουν:

• 53% σίδηρος
• 26% νικέλιο
• 15% χρώμιο
• 7,5% βολφράμιο
• 2,15% αλουμίνιο

Επεξεργασία υπερκραμάτων

Για να δημιουργηθούν αυτά τα νέα πολυφασικά υλικά, έπρεπε να γίνουν πολλές αλλαγές στις συνήθεις διαδικασίες κατασκευής χάλυβα και κραμάτων. Εκτός από τη νέα επεξεργασία, ήταν απαραίτητος αυστηρότερος έλεγχος των παραμέτρων της διαδικασίας.

Τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο χυτεύονται συνήθως σε ένα χρησιμοποιήσιμο σχήμα. Υπάρχει ένας περιορισμένος αριθμός εφαρμογών που σχηματίζονται ψυχρά από σχήματα από πλινθώματα, αλλά αυτά γενικά παρέχουν μικρότερες ιδιότητες υλικού κατά τη διαδικασία χύτευσης.

Κατευθυντικά στερεοποιημένη χύτευση (DS)

Αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1960, αυτός ο τύπος χύτευσης διαφέρει δραματικά από την παραδοσιακή χύτευση αλουμινίου ή σιδήρου.

Πρώτον, οι εκχύσεις ολοκληρώνονται μέσα σε έναν κλίβανο, επιτρέποντας τον στενό έλεγχο της θερμοκρασίας. Στη συνέχεια, τα καλούπια απομακρύνονται αργά από την υψηλή θερμοκρασία σύμφωνα με τις προδιαγραφές του υλικού και τις απαιτήσεις ιδιοτήτων.

Τα κατευθυντικά στερεοποιημένα καλούπια έχουν σχεδιαστεί για να ενσωματώνουν μια εσωτερική όψη σημαντικά πιο κρύα από τα υπόλοιπα. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας υδρόψυκτους εναλλάκτες θερμότητας.

Ο σκοπός αυτής της πολύπλοκης διαδικασίας είναι να ελέγξει από πού και προς ποια κατεύθυνση σχηματίζονται οι κόκκοι. Η ψυχρή όψη του καλουπιού, συνήθως το κάτω μέρος, αναγκάζει ολόκληρο το τμήμα να κρυώσει από κάτω προς τα πάνω.

Η δυνατότητα ελέγχου της κατεύθυνσης των ορίων των κόκκων επιτρέπει στους μηχανικούς και τους μεταλλουργούς να δημιουργούν εξαρτήματα που είναι εξαιρετικά ισχυρά σε ορισμένες κατευθύνσεις. Αυτό είναι ένα εξαιρετικά χρήσιμο εργαλείο στην αεροδιαστημική βιομηχανία κατά την κατασκευή εξαρτημάτων κινητήρα αεριοστροβίλου.

Τα πρώτα Directionally Solidified πτερύγια τουρμπίνας κατασκευάστηκαν από τους  Pratt και Whitney το 1969 – αυτά χρησιμοποιήθηκαν στους κινητήρες του διάσημου SR-71 Blackbird!

Χύτευση μονοκρυστάλλου (SC)

Σε συνέχεια των πλεονεκτημάτων της χύτευσης συνεχούς ρεύματος, η χύτευση μονού κρυστάλλου παρακολουθεί τη διαδικασία με ακόμη μεγαλύτερη περιπλοκότητα, με αποτέλεσμα σχεδόν το  95%  του εξαρτήματος να σχηματίζεται από έναν μοναδικό μεταλλικό κρύσταλλο.

Όλα τα προβλήματα που προκαλούνται από τα όρια των κόκκων εξαλείφονται με αυτόν τον τρόπο, όπως η ολίσθηση, η σπηλαίωση και τα εγκλείσματα. Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα που δίνει αυτό είναι η τεράστια αύξηση της αντοχής σε ερπυσμό. Η χύτευση SC πραγματοποιείται με καλούπια ακόμη πιο περίπλοκα από τη χύτευση συνεχούς ρεύματος. Εκτός από την υδρόψυκτη πλάκα, τα καλούπια διαθέτουν μια σειρά από στροφές – σκοπός των οποίων είναι να μειωθεί η ποσότητα των σχηματισμών κρυσταλλικής δομής.

Τακτοποιώντας τα σε μια ελικοειδή σπείρα, με λεπτομέρειες με ραβδώσεις στους τοίχους, οι μηχανικοί της Pratt & Whitney άρχισαν να δημιουργούν χυτά χωρίς σχεδόν καμία δευτερεύουσα κρυστάλλωση. Η κρισιμότητα του ελέγχου θερμοκρασίας εδώ δεν μπορεί να υποτιμηθεί. Ακόμη και μια ελαφρά ανωμαλία στη θερμοκρασία του τοιχώματος του καλουπιού μπορεί να προκαλέσει πολλές θέσεις κρυστάλλωσης, καταστρέφοντας αμέσως ολόκληρη την έκχυση.

Σε τι χρησιμεύουν;

Βιομηχανίες

Η χρήση υπερκραμάτων είναι ευρέως διαδεδομένη. Ενώ τα ίδια τα υλικά χρησιμοποιούνται συχνά σε σχετικά μικρές ποσότητες, μπορούν να επιτύχουν μεγάλες βελτιώσεις στην απόδοση και την αντοχή ενός εξαρτήματος.

• Αεροδιαστημική
• Παραγωγή πυρηνικής ενέργειας
• Χημική επεξεργασία
• Θερμική επεξεργασία
• Αυτοκίνητο
• Ιατρικός

Εφαρμογές

Πιθανώς η πιο γνωστή και καλά τεκμηριωμένη χρήση υπερκραμάτων με βάση το νικέλιο είναι σε κινητήρες στροβίλου. Η αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία και η αντοχή σε ερπυσμό του υλικού έχουν φέρει επανάσταση στην αεροδιαστημική βιομηχανία, παρέχοντας απίστευτα κέρδη απόδοσης τόσο στις εμπορικές όσο και στις επιβατικές πτήσεις.

Υπάρχουν πολλές άλλες εφαρμογές παρόμοιας φύσης με τα πτερύγια των στροβίλων, όπου η αντοχή σε ερπυσμό και οξείδωση είναι απαραίτητη. Αυτά περιλαμβάνουν στροβίλους στροβιλοσυμπιεστών αυτοκινήτων, ατμοστρόβιλους σταθμών παραγωγής ενέργειας και πολλά άλλα.

Τα υπερκράματα χρησιμοποιούνται επίσης σε στατικά εξαρτήματα, με πολλά συστήματα επεξεργασίας που χρησιμοποιούν την υψηλή αντοχή και αντοχή στη διάβρωση για βαλβίδες, δοχεία, μπουλόνια και αγωγούς. Αυτά τα περιβάλλοντα είναι συχνά μέρη όπου παραδοσιακά χρησιμοποιείται ανοξείδωτος χάλυβας.

Υπερκράματα στο μέλλον

Έχοντας εδραιώσει τη φήμη τους στην αεροπορική βιομηχανία, το επόμενο λογικό βήμα για τη χρήση υπερκράματος είναι τα διαστημικά ταξίδια.

Με πολλές από τις ίδιες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η υποστρατοσφαιρική πτήση, δηλαδή η ώθηση για μείωση βάρους/απόδοση, υψηλή διακύμανση θερμοκρασίας και υψηλή καταπόνηση, οι κινητήρες που χρησιμοποιούνται στο διάστημα επωφελούνται από την εφαρμογή υπερκραμάτων.

Η δυνατότητα εξοικονόμησης βάρους μέσω ισχυρότερων υλικών είναι εξαιρετικά σημαντική. Το έχουμε ήδη δει αυτό με την κατασκευή σχεδόν  κάθε συσκευής εκτόξευσης στο διάστημα από τη δεκαετία του 1960.

Καθώς η εμπορική εξερεύνηση του διαστήματος συνεχίζει να κερδίζει έλξη με εταιρείες όπως το  SpaceX  και  το Blue Origin , η εξοικονόμηση καυσίμου και χώρου θα αυξηθεί μόνο σε σημασία.