Τα κράματα με βάση το νικέλιο είναι μια κατηγορία κραμάτων που διαθέτουν υψηλή αντοχή και ορισμένη αντοχή στην οξείδωση και τη διάβρωση σε υψηλές θερμοκρασίες 650–1000℃. Με βάση τις κύριες ιδιότητές τους, τα κράματα με βάση το νικέλιο μπορούν περαιτέρω να υποδιαιρεθούν σε κράματα με βάση το νικέλιο ανθεκτικά στη θερμότητα, κράματα με βάση το νικέλιο ανθεκτικά στη διάβρωση, κράματα με βάση το νικέλιο ανθεκτικά στη φθορά, κράματα με βάση το νικέλιο ακριβείας και κράματα με βάση το νικέλιο με μνήμη σχήματος. Τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας ταξινομούνται ανάλογα με τα υλικά μήτρας τους σε κράματα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το σίδηρο, κράματα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το νικέλιο και κράματα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το κοβάλτιο. Τα κράματα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το νικέλιο συνήθως αναφέρονται απλώς ως κράματα με βάση το νικέλιο.
Προέλευση και Ανάπτυξη
Η έρευνα και η ανάπτυξη κραμάτων με βάση το νικέλιο ξεκίνησε στα τέλη της δεκαετίας του 1930. Το Ηνωμένο Βασίλειο παρήγαγε για πρώτη φορά Nimonic 75 (Ni-20Cr-0.4Ti) το 1941. Για τη βελτίωση της αντοχής ερπυσμού, προστέθηκε αλουμίνιο, με αποτέλεσμα το κράμα Nimonic 80 με βάση το νικέλιο (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al). Οι Ηνωμένες Πολιτείες στα μέσα της δεκαετίας του 1940, η Σοβιετική Ένωση στα τέλη της δεκαετίας του 1940 και η Κίνα στα μέσα της δεκαετίας του 1950 ανέπτυξαν επίσης διαδοχικά κράματα με βάση το νικέλιο. Η ανάπτυξη κραμάτων με βάση το νικέλιο περιλαμβάνει δύο πτυχές: βελτιώσεις στη σύνθεση του κράματος και καινοτομίες στην τεχνολογία παραγωγής. Για παράδειγμα, η ανάπτυξη της τεχνολογίας τήξης υπό κενό στις αρχές της δεκαετίας του 1950 δημιούργησε συνθήκες για τον καθαρισμό κραμάτων με βάση το νικέλιο με υψηλή περιεκτικότητα σε αλουμίνιο και τιτάνιο, βελτιώνοντας σημαντικά την αντοχή και τη θερμοκρασία λειτουργίας τους. Στα τέλη της δεκαετίας του 1950, η αυξανόμενη θερμοκρασία λειτουργίας των πτερυγίων του στροβίλου έθεσε υψηλότερες απαιτήσεις για την αντοχή των κραμάτων σε υψηλή θερμοκρασία. Ωστόσο, η υψηλή αντοχή έκανε την παραμόρφωση δύσκολη ή ακόμα και αδύνατη, οδηγώντας στην ανάπτυξη μιας σειράς κραμάτων χύτευσης με καλή αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία χρησιμοποιώντας τεχνολογία χύτευσης ακριβείας. Στα μέσα της δεκαετίας του 1960, η απόδοση των κατευθυντικά στερεοποιημένων και μονοκρυστάλλων κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας, καθώς και των κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας μεταλλουργίας σκόνης, βελτιώθηκε. Για την κάλυψη των αναγκών θαλάσσιων και βιομηχανικών αεριοστροβίλων, από τη δεκαετία του 1960, έχει αναπτυχθεί μια σειρά κραμάτων με βάση το νικέλιο υψηλής περιεκτικότητας σε χρώμιο με καλή αντοχή στη διάβρωση σε υψηλές θερμοκρασίες και σταθερές μικροδομές. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1940 έως τα τέλη της δεκαετίας του 1970, για περίπου 40 χρόνια, η θερμοκρασία λειτουργίας των κραμάτων με βάση το νικέλιο αυξήθηκε από 700℃ σε 1100℃, μια μέση αύξηση περίπου 10℃ ετησίως. Σήμερα, η θερμοκρασία λειτουργίας των κραμάτων με βάση το νικέλιο υπερβαίνει τους 1100℃. Από το αρχικά απλό κράμα Nimonic 75 έως το κράμα MA6000 που αναπτύχθηκε πρόσφατα, το οποίο διαθέτει αντοχή εφελκυσμού 2220 MPa και αντοχή διαρροής 192 MPa στους 1100°C, η αντοχή ερπυσμού του στους 1100°C/137 MPa είναι περίπου 1000 ώρες, γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για μηχανισμό αεροπλάνου 1000 ώρες.
Ο ρόλος των διάφορων μετάλλων στα κράματα με βάση το νικέλιο
Για ένα συγκεκριμένο κράμα με βάση το νικέλιο, υπάρχουν πολλές μεταβλητές σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον, όπως: συγκέντρωση, θερμοκρασία, αερισμός, ρυθμός ροής υγρού (αερίου), ακαθαρσίες, φθορά και συνθήκες διεργασίας κυκλοφορίας. Αυτές οι μεταβλητές μπορούν να οδηγήσουν σε διάφορα προβλήματα διάβρωσης. Το νικέλιο και άλλα στοιχεία κραμάτων μπορούν να αντιμετωπίσουν αυτά τα προβλήματα. Το μεταλλικό νικέλιο διατηρεί μια ωστενιτική κυβική δομή με επίκεντρο το πρόσωπο πριν φτάσει στο σημείο τήξης του. Αυτό παρέχει ελευθερία για τη μετάπτωση όλκιμο-εύθραυστο και μειώνει σημαντικά τα προβλήματα κατασκευής που προκαλούνται από τη συνύπαρξη άλλων μετάλλων. Στην ηλεκτροχημική αλληλουχία, το νικέλιο είναι πιο αδρανές από τον σίδηρο αλλά πιο δραστικό από τον χαλκό. Επομένως, σε περιβάλλοντα αναγωγής, το νικέλιο είναι πιο ανθεκτικό στη διάβρωση από το σίδηρο αλλά λιγότερο ανθεκτικό στη διάβρωση από τον χαλκό. Η προσθήκη χρωμίου στο νικέλιο προσδίδει αντίσταση στην οξείδωση στο κράμα, με αποτέλεσμα μια ποικιλία κραμάτων με εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση τόσο σε αναγωγικά όσο και σε οξειδωτικά περιβάλλοντα. Σε σύγκριση με τον ανοξείδωτο χάλυβα και άλλα κράματα με βάση το σίδηρο, τα κράματα με βάση το νικέλιο μπορούν να φιλοξενήσουν μια ευρύτερη ποικιλία στοιχείων κράματος σε κατάσταση στερεού διαλύματος, διατηρώντας παράλληλα καλή μεταλλουργική σταθερότητα. Αυτές οι ιδιότητες επιτρέπουν την προσθήκη διαφόρων στοιχείων κράματος σε κράματα με βάση το νικέλιο, επιτρέποντας την ευρεία εφαρμογή τους σε ποικίλα διαβρωτικά περιβάλλοντα.
Τα κοινά στοιχεία στα κράματα με βάση το νικέλιο περιλαμβάνουν:
Νικέλιο (Ni): Παρέχει μεταλλουργική σταθερότητα, βελτιώνει τη θερμική σταθερότητα και τη συγκολλησιμότητα, ενισχύει την αντίσταση στα αναγωγικά οξέα και τις καυστικές σόδες και βελτιώνει την αντοχή στη διάβρωση λόγω καταπόνησης, ειδικά σε περιβάλλοντα χλωρίου και καυστικής σόδας.
Χρώμιο (Cr): Βελτιώνει την αντίσταση στην οξείδωση, την αντίσταση στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες, την αντίσταση στη σουλφίδωση και την αντίσταση στη διάβρωση των κοιλωμάτων και των ρωγμών.
Μολυβδαίνιο (Mo): Βελτιώνει την αντίσταση στη μείωση της όξινης διάβρωσης, ενισχύει την αντίσταση στη διάβρωση με κοιλότητες και ρωγμές σε υδατικά διαλύματα που περιέχουν χλώριο και αυξάνει την αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία.
Σίδηρος (Fe): Βελτιώνει την αντίσταση ενανθράκωσης σε υψηλή θερμοκρασία, μειώνει το κόστος του κράματος και ελέγχει τη θερμική διαστολή. Χαλκός (Cu): Βελτιώνει την αντίσταση στη μείωση της όξινης διάβρωσης (ιδιαίτερα του θειικού οξέος).
