Ve vyspělých průmyslových systémech – plynových turbínách, dohřívací pece, chemické reaktory a letecký hardware – od materiálů se běžně očekává, že přežijí extrémní tepelná a chemická prostředí a zároveň si zachovají pevnost, rozměrová stálost a odolnost proti oxidaci nebo korozi.
Výběr správné vysokoteplotní slitiny je proto zásadním technickým rozhodnutím, které vyvažuje maximální provozní teplotu, mechanické chování (včetně nízké teploty), odolnost proti oxidaci a nauhličování, Výroba, svařitelnost a náklady životního cyklu.
1. Proč jsou nutné vysokoteplotní slitiny
Standardní oceli a nízkolegované materiály rychle ztrácejí mez kluzu, trpí nadměrnou oxidací, nauhličování nebo sulfidace, a při dlouhodobém vystavení vysokým teplotám nebo agresivnímu chemickému prostředí může zkřehnout.
Vysokoteplotní slitiny řeší tyto způsoby porušení řízeným legováním (V, Cr, CO, Mo, Nb/Ta, W, A, Al) a mikrostruktury na míru (pevný roztok vs. srážky posíleny).
Výběr musí být vyvážený: (A) tepelná schopnost (kontinuální vs krátkodobý vrchol), (b) chemická odolnost (oxidace / Karburizační karburizace / sulfidace / halogenový útok), (C) mechanický požadavek (tahové, plíží se, únava), a (d) výrobní omezení (Formovatelnost, svařování, náklady).
Rozhodujícím základem pro návrh životnosti při zvýšené teplotě jsou údaje výrobce o roztržení/tečení – nikoli tahová čísla při pokojové teplotě.
2. Šest vysokoteplotních slitin
Inconel® 600 (US N06600)
Klasifikace & Standardní soulad
Inconel 600 je nikl-chromová austenitická slitina zpevněná pevným roztokem běžně dodávaná jako tvářená deska, list, tyč a potrubí.
Vyrábí se podle průmyslových specifikací pro tvářené výrobky pro vysokoteplotní korozivzdorné slitiny a je široce používán ve formách vhodných pro svařování a výrobu.
Klíčové chemické složení (Wt.%)
Nikl (V) ~72,0–78,0; Chromium (Cr) ~14,0–17,0; Železo (Fe) ~6,0–10,0; Uhlík (C) ≤0,15; Mangan (Mn) ≤1,0; Křemík (A) ≤0,5.
Chemie klade důraz na vysoký obsah niklu pro tepelnou stabilitu a chrom pro ochranu proti oxidaci.
Teplotní výkon
Praktické nepřetržité servisní vedení do přibližně 2000 °F (≈1093°C) pro nenamáhané nebo středně namáhané součásti; U nekonstrukčních částí jsou možné krátké přechodové výchylky mírně nad tuto teplotu.
Slitina si zachovává dobrou tažnost až do kryogenních teplot.
Hlavní výhody
Vyvážená odolnost proti korozi v oxidačních a mnoha redukčních prostředích; dobrá obecná odolnost proti oxidaci;
vynikající tvarovatelnost a svařitelnost ve srovnání s mnoha vysokoteplotními slitinami; široká dostupnost v mnoha formách produktů, což zjednodušuje nákup a výrobu.
Upozornění
Nevytvrzený precipitací – pevnosti při zvýšené teplotě se dosahuje pevným roztokem a prací za studena; dlouhodobé nosné aplikace vyžadují vyhodnocení dotvarování.
Náchylné na korozní praskání v agresivním chloridovém nebo žíravém prostředí, pokud zbytková nebo aplikovaná napětí nejsou kontrolována.
Navrhněte tak, aby se zabránilo samozhutnitelnému betonu, a tam, kde je to nutné, aplikujte vhodné uvolnění napětí po těžké výrobě.
Typické aplikace
Zařizovací předměty pece a topná tělesa, součásti chemického procesu a potrubí, některé letecké výfukové a pomocné součásti, a další aplikace, kde je vyžadována vyvážená odolnost proti oxidaci/korozi s dobrou vyrobitelností.
Inconel® 601 (US N06601)
Klasifikace & Standardní soulad
Slitina nikl-chrom-železo vyvinutá jako upgrade odolný vůči oxidaci k obecným slitinám Ni-Cr; běžně dostupné v listu, trubice a tyče a používá se tam, kde je klíčovým problémem cyklická oxidace a adheze okují při opakovaném tepelném cyklování.
Klíčové chemické složení (Wt.%)
Nikl (V) ~58,0–63,0; Chromium (Cr) ~21,0–25,0; Železo (Fe) ~10,0–15,0; Hliník (Al) ~0,6–1,8 (malý Al podporuje tvorbu oxidu hlinitého); Uhlík (C) ≤0,15.
Kombinace Cr a Al je metalurgickým základem pro vynikající tvorbu okují a adhezi.
Teplotní výkon
Výjimečná odolnost proti cyklické oxidaci a stabilita vodního kamene až do středních až vysokých 1100 s °C (≈2100–2200°F) jako charakteristika odolnosti proti oxidaci; Při navrhování nosných dílů zacházejte odděleně s limity oxidace/okují a konstrukčními přípustnými teplotami.
Hlavní výhody
Vynikající výkon v cyklických oxidačních atmosférách a v situacích, kdy by odlupování vodního kamene jinak omezovalo životnost; zlepšená odolnost vůči nauhličování a tepelnému cyklování ve srovnání s mnoha slitinami Ni v pevném roztoku; ještě přiměřeně tvarovatelné a svařitelné.
Upozornění
Vysoký oxidační limit odráží chování okují spíše než zaručenou dlouhodobou pevnost konstrukce – vlastnosti při tečení a lomu při těchto teplotách musí být zkontrolovány u nosných prvků.
Standardní svařovací praxe je přijatelná, ale pozornost k interpass teplotám a manipulaci po svařování zlepšuje dlouhodobý výkon.
Typické aplikace
Zářivé trubice, spalovací vložky, zařízení pro žíhání a tepelné zpracování, součásti chemických závodů vystavené cyklické oxidační atmosféře, a jakékoli aplikace, kde je prvořadé přilnutí vodního kamene při opakovaném zahřívání a chlazení.
Inconel® 718 (US N07718)
Klasifikace & Standardní soulad
Inconel 718 je precipitačně vytvrzovaná superslitina na bázi niklu široce používaná pro náročné konstrukční aplikace; dodáváno jako bar, výkony, talíř, plechy a odlitky s vysokou pevností, je vyžadována odolnost proti tečení a kryogenní houževnatost.
Klíčové chemické složení (Wt.%)
Nikl (V) ~50,0–55,0; Chromium (Cr) ~17,0–21,0; Niobium (NB) + Tantalum (Tváří v tvář) ~4,75–5,50; Titan (Z) ~0,65–1,15; Hliník (Al) ~0,20–0,80; Molybden (Mo) a železo (Fe) dorovnat rovnováhu.
Síla vzniká řízenou precipitací γ′/γ″ fází během stárnutí.
Teplotní výkon
Strukturálně se používá až do zhruba 1200–1300 °F (≈650–704 °C) pro dlouhodobé zatížení; zachovává si vynikající mechanické vlastnosti při kryogenních teplotách (až -423 °F / -253 °C);
odolnost proti oxidaci je použitelná až do téměř 1800 °F (pro nestrukturální expozice), ale přípustný design při zvýšené T se řídí ohledy na dotvarování.
Hlavní výhody
Vysoká kluznost a pevnost v tahu ve starém stavu, vynikající odolnost proti tečení pro konstrukční díly se střední teplotou, a neobvykle dobrá houževnatost při nízkých teplotách – díky tomu je vhodná tam, kde jeden materiál musí tolerovat kryogenní i zvýšené teploty.
Upozornění
Výkon je velmi závislý na přesném tepelném zpracování (žíhání řešení + definované cykly stárnutí).
Svařování může vyžadovat stárnutí po svařování nebo jiné tepelné zpracování pro obnovení plných vlastností; nesprávné tepelné cykly mohou zhoršit mechanické vlastnosti.
Pro trvalé vysokoteplotní zatížení použijte spíše údaje o dotvarování/roztržení než hodnoty statického tahu.
Typické aplikace
Letecké rotační a statické komponenty plynových turbín, vysokopevnostní spojovací prvky a kování, kryogenní nádoby a zařízení, vysokotlaké ventily, a další aplikace, kde je vyžadována kombinace kryogenní houževnatosti a pevnosti při zvýšených teplotách.
Hastelloy® X (US N06002)
Klasifikace & Standardní soulad
Slitina pevného roztoku nikl-chrom-železo-molybden navržená pro vynikající strukturální pevnost a odolnost proti oxidaci při extrémních teplotách;
typicky vyráběné v tvářených formách pro vysokoteplotní konstrukční a pecní aplikace.
Klíčové chemické složení (Wt.%)
Nikl (V) ~47,0–50,0; Chromium (Cr) ~21,0–23,5; Železo (Fe) ~18,0–21,0; Molybden (Mo) ~8,0–10,0; minoritní kobalt (CO) a wolfram (W) doplňky.
Slitina vyvažuje prvky, které poskytují jak odolnost proti vodnímu kameni, tak zpevnění pevného roztoku při vysokých teplotách.
Teplotní výkon
Navrženo pro nepřetržitý konstrukční a oxidační provoz blížící se ~2200°F (≈1204°C) pod mírným stresem;
krátkodobé odchylky mohou být vyšší, ale dlouhodobé dovolené napětí podstatně klesají s rostoucí teplotou a dobou expozice.
Hlavní výhody
Vynikající odolnost proti roztržení a tečení za vysokých teplot ve srovnání s mnoha slitinami Ni-Cr, s robustní odolností proti oxidaci/karburizaci.
Dobrá svařitelnost a tvarovatelnost pro vysokoteplotní slitinu ji činí atraktivní pro složité součásti, které musí nést zatížení při extrémních T.
Upozornění
Dlouhodobá odolnost proti přetržení klesá s teplotou a dobou působení, takže návrh musí být ukotven k datům protržení při tečení (hodiny až roky) spíše než vlastnosti při pokojové teplotě.
Svařování, zpracování za tepla a tepelné zpracování se musí řídit doporučenými postupy, aby se zabránilo škodlivým sraženinám a místnímu oslabení.
Typické aplikace
Komponenty vysokoteplotních pecí, vložky spalovací komory, potrubí pro turbíny a další zařízení pro plynové turbíny, komponenty petrochemického reaktoru, kde je vyžadována odolnost proti oxidaci a strukturální integrita při vysoké teplotě.
Slitina 330 (US N08330)
Klasifikace & Standardní soulad
Austenitická slitina nikl-chrom-železo-křemík optimalizovaná pro odolnost proti oxidaci a nauhličování v průmyslových pecích a tepelném zpracování; dodáváno v hadičce, plechy a vyrobené tvary pro zařízení pro tepelné zpracování.
Klíčové chemické složení (Wt.%)
Nikl (V) ~34,0–37,0; Chromium (Cr) ~17,0–20,0; Železo (Fe) váhy (cca. 38–46 %); Křemík (A) ~1,0–2,5; Uhlík (C) nízký (0.05–0,15).
Křemík a poměr Cr/Ni zvyšují tvorbu okují a odolnost proti nauhličování.
Teplotní výkon
Doporučeno pro oxidaci a nauhličování až do zhruba 2100–2200 °F (≈1150–1200°C), s dobrým krátkodobým chováním na vyšších exkurzích.
Hvězdný výkon v nauhličovacích atmosférách, kde je problémem vnitřní nauhličování součástí.
Hlavní výhody
Vynikající odolnost proti oxidaci a nauhličování v prostředí pece; nákladově efektivní ve srovnání s mnoha vysoce niklovými superslitinami; zachovává austenitickou mikrostrukturu při provozních teplotách, vyhnout se nástrahám fázové nestability.
Upozornění
Není určeno jako konstrukční slitina s vysokým tečením při absolutních horních teplotních extrémech – použijte údaje o tečení pro nosné díly; tepelná únava a cyklické prohýbání jsou způsoby porušení tenkých profilů a pásů, takže mechanický design s nimi musí počítat.
Zkontrolujte kompatibilitu se všemi halogenovanými nebo silně redukujícími chemikáliemi v procesním plynu.
Typické aplikace
Zářivé trubice, pecní pásy, koše na tepelné zpracování, části kotle a kouřovodu, a další vnitřní části pece vystavené střídavým oxidačním a nauhličovacím atmosférám.
Slitina 35-19Cb (rodina síťovaných pásů, US N06350)
Klasifikace & Standardní soulad
Rodina niobu (kolumbium)-stabilizované nikl-chromové austenitické slitiny navržené pro aplikace s tenkým průřezem, jako je drát, pletivo a dopravníkové pásy v průběžných pecích.
Klíčové chemické složení (Wt.%)
Nikl (V) ~34,0–37,0; Chromium (Cr) ~18,0–20,0; Železo (Fe) váhy (≈35–40 %); Niobium (NB) ~1,0–1,5; Uhlík (C) ≤0,10.
Niob stabilizuje karbidy a zlepšuje pevnost v tahu při vysokých teplotách pro geometrie drátu a pletiva.
Teplotní výkon
Navrženo pro trvalý provoz pece s mřížkou až do cca 1100°C (≈2012°F) s prokázanými přednostmi životnosti (snížené prohýbání a prodloužená životnost) ve srovnání s nestabilizovanými slitinami ve stejném prostředí.
Hlavní výhody
Vysoká pevnost v tahu a tečení u tenkých profilů; stabilizace niobu zabraňuje tvorbě mezikrystalového karbidu a zlepšuje odolnost proti vyčerpání hranic zrn a křehnutí; optimalizované pro cyklické zatížení pásu a tepelnou únavu.
Upozornění
Použití je specializované – primárně pro síťovinu, drát a tenké části. Postupy spojování a opravy síťových pásů se liší od hromadného svařování a vyžadují specializované techniky.
Mechanické provedení musí počítat s prověšením pásu, tepelná roztažnost a geometrie podpory, aby se zabránilo předčasnému mechanickému selhání.
Typické aplikace
Síťové pásy kontinuální žíhací pece, dopravníkové řetězy a tenkostěnné dopravní prvky v linkách tepelného zpracování a zpracování kovů.
Haynes® 25 / L-605 (US R30605)
Klasifikace & Standardní soulad
Vysoce výkonná slitina na bázi kobaltu vyráběná jako tvářená tyč, plechové a přesné součásti.
Je to hlavní kobaltová volba pro prostředí vyžadující výjimečnou sulfidaci, halogen a odolnost proti opotřebení při vysokých teplotách.
Klíčové chemické složení (Wt.%)
Kobalt (CO) ~50,0–55,0; Chromium (Cr) ~19,0–21,0; Wolfram (W) ~14,0–16,0; Nikl (V) ~9,0–11,0; Železo (Fe) ≤ 3,0.
Vysoký obsah wolframu a chrómu poskytuje pevnost a odolnost proti oxidaci, zatímco kobalt tvoří vysokoteplotní matrici.
Teplotní výkon
Běžně specifikováno pro nepřetržitý provoz do přibližně 1800 °F (≈980 °C); zachovává si užitečnou pevnost při vyšších krátkodobých expozicích až do rozsahu nízkých -2150°F (≈1177°C) v závislosti na zatížení a době při teplotě.
Výjimečná odolnost vůči agresivnímu chemickému napadení je určující vlastností.
Hlavní výhody
Vynikající odolnost proti sulfidaci, mokré chlorování a mnoho agresivních chemických prostředí, kde jsou niklové slitiny nedostatečné; silné opotřebení, odolnost proti zadření a kontaktní únavě díky wolframu; některé varianty vykazují biokompatibilitu pro lékařské aplikace.
Upozornění
Vyšší cena a vyšší hustota ve srovnání se slitinami na bázi niklu; dodací lhůty a vlastnosti obrábění se liší od slitin Ni; vyberte pouze tehdy, když chemické nebo tribologické výhody jasně odůvodňují prémii.
Svařování a tepelné zpracování vyžadují pozornost, aby nedošlo ke ztrátě majetku.
Typické aplikace
Vysokoteplotní ložiska, těsnění a hřídele, komponenty spalovací komory ve vysoce korozivních atmosférách, některé petrochemické ventily a čerpadla vystavené sulfidizačnímu provozu, a specializované komponenty lékařských implantátů v biokompatibilních třídách.
3. Srovnávací tabulka
Tato tabulka poskytuje stručný přehled, inženýrsky zaměřené srovnání šesti slitin odolných vůči vysokým teplotám diskutovaných v této příručce. Teploty jsou uvedeny ve °F i °C (převedeny přesně).
| Slitina (běžné jméno) | NÁS | Nepřetržitá teplota služby (typ.) | Krátkodobá špičková teplota (typ.) | Hlavní přednosti (shrnutí) | Typické aplikace |
| Inconel® 600 | N06600 | ≈2000°F / 1093° C. | ≈2100°F / 1149° C. | Vyvážená odolnost proti korozi; dobrá oxidační odolnost; vynikající zpracovatelnost a svařitelnost; stabilní mikrostruktura pevného roztoku | Zařizovací předměty pece, zařízení na chemické zpracování, topné prvky, hardware na zpracování potravin, komponenty výfuku |
| Inconel® 601 | N06601 | ≈2100–2200°F / 1149–1204 °C (řízený oxidací) | ≈2200°F / 1204° C. | Vynikající oxidace a přilnavost okují díky synergii Al-Cr; silná odolnost proti tepelným cyklům a nauhličování | Zářivé trubice, spalovací komory, žíhací pece, rotační pece, zařízení pro tepelné zpracování |
Inconel® 718 |
N07718 | ≈1200–1300°F / 649–704 °C (strukturální); až -423 °F / -253 °C | Odolnost proti oxidaci do ≈1800°F / 982° C. | Výjimečná kluznost a pevnost v tahu; vynikající odolnost proti tečení a únavě; bezkonkurenční všestrannost od kryogenního až po vysoké teploty | Součásti proudového motoru, plynové turbíny, kryogenní nádrže, vysokotlaké ventily, letecký a energetický hardware |
| Hastelloy® X | N06002 | ≈2200°F / 1204° C. | ≈2300°F / 1260° C. | Velmi vysoká pevnost při extrémních teplotách; vynikající oxidace, Karburizační karburizace, a SCC odpor; robustní odolnost proti tečení | Plynové turbínové spalovače, vložky pecí, Afterburners, vysokoteplotní petrochemické reaktory |
Slitina 330 |
N08330 | ≈2100–2200°F / 1150–1204 °C | ≈2300°F / 1260° C. | Vynikající odolnost proti oxidaci a nauhličování; stabilní austenitická struktura; široce používaná pecní slitina | Zářivé trubice, pecní pásy a koše, komponenty kotle, vedení spalin |
| Haynes® 25 (L-605) | R30605 | ≈1800°F / 982° C. | ≈2150°F / 1178° C. | Slitina na bázi kobaltu s vynikající sulfidací, halogen, a opotřebení odporu; vynikající tepelná stabilita a biokompatibilita | Vysokoteplotní ložiska, spalovací vložky, letecký hardware, korozní servisní ventily, lékařské implantáty |
4. Jak používat tuto příručku ve strojírenské praxi
Začněte s tepelným profilem, ani jedna teplota.
Zadejte maximální stálou teplotu, krátkodobé vrcholy, frekvence tepelného cyklu, a očekávaný celkový počet hodin při teplotě.
Použijte nejdelší expozice a nejvyšší napětí na velikost součástí. (Pro zamýšlenou hodinovou životnost použijte tabulky tečení od dodavatele.)
Specifikujte chemii atmosféry.
Nauhličování → preferujte slitiny s vysokým obsahem Si/Ni (Slitina 330, Inconel 601). Sulfidizující/halogenované → zvažte slitiny kobaltu (Haynes 25) nebo speciální třídy Hastelloy.
Oxidační cyklický servis → Inconel 601 nebo 330 pro přilnavost vodního kamene; Hastelloy X, když je primární pevnost konstrukce.
Rozhodněte zatěžovací stav: tah vs tečení vs únava.
Pro krátkodobě zatížené díly použijte tahové vlastnosti; pro dlouhodobě zatížené díly použijte křivky tečení/roztržení; pro cyklické mechanické/tepelné zatížení použijte údaje o únavě/tepelné únavě (pokud je k dispozici). Nenahrazujte RT čísla v tahu pro návrh dotvarování.
Omezení výroby:
potvrdit dostupné formuláře produktů (drát pro síťované pásy, plech pro sálavé trubice, tyč/kování pro konstrukční díly), a požadavky na svařování/tepelné zpracování po svařování.
718 potřebuje řízené cykly řešení/stáří k dosažení pevnosti návrhu; mnoho slitin Ni potřebuje odlehčení pnutí, aby se zabránilo SCC při vystavení žíravinám.
Předpověď života & testování:
kdykoli jsou navrženy komponenty s omezenou životností, spustit kupony nebo testy komponent (oxidace, Karburizační karburizace, plíží se, svařovací zkoušky) v reprezentativní atmosféře. Údaje o dodavateli jsou vodítkem – ověřte pro svůj konkrétní pracovní cyklus.
5. Závěr
Žádná jednotlivá vysokoteplotní slitina není univerzálně optimální; každý představuje obchodní prostor mezi maximální provozní teplotou, oxidační/karburační chování, mechanická pevnost v celém rozsahu provozních teplot, odolnost proti korozi ve specifických chemikáliích, a výroba.
Použijte tuto příručku pro zúžení kandidátů, poté ověřte konečný výběr pomocí testů na úrovni komponent (oxidace, Karburizační karburizace, plíží se, svařovací zkoušky) a datové listy dodavatelů, na které se zde odkazuje při navrhování kritických aplikací nebo aplikací s omezenou životností.
