Nimonic 105
Einführung in Nimonic 105
Nimonic 105 ist eine Superlegierung auf Nickelbasis, die für ihre außergewöhnliche Hochtemperaturfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und strukturelle Stabilität unter extremen Betriebsbedingungen bekannt ist. Sie wird durch einen hohen Volumenanteil an Gamma-Prime-(γ′)-Ausscheidungen sowie Mischkristallverfestigungselemente wie Kobalt und Molybdän verstärkt. Diese Legierung arbeitet zuverlässig bei Temperaturen bis zu 1050°C und ist damit ideal für Gasturbinenscheiben, Triebwerkskomponenten und Verbindungselemente, die langfristiger thermischer Belastung ausgesetzt sind.
Nimonic 105 wird typischerweise über CNC-Bearbeitungsdienstleistungen verarbeitet, um die engen Toleranzen zu erreichen, die in Luft- und Raumfahrt- sowie Energiesystemen erforderlich sind. CNC-Bearbeitung bietet die Präzision und Wiederholgenauigkeit, die notwendig sind, um komplexe Geometrien und kritische Bauteile aus diesem hochfesten Werkstoff herzustellen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Nimonic 105
Nimonic 105 (UNS N13021 / W.Nr. 2.4634 / BS HR6) ist eine ausscheidungsgehärtete, hochfeste Nickellegierung, die häufig für hochbelastete rotierende Bauteile bei erhöhten Temperaturen eingesetzt wird.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Balance (≥50,0) | Sorgt für Korrosionsbeständigkeit und Stabilität der Matrix |
Kobalt (Co) | 19,0–21,0 | Erhöht Festigkeit und Ermüdungslebensdauer |
Chrom (Cr) | 14,0–16,0 | Bietet Oxidationsbeständigkeit bis 1050°C |
Molybdän (Mo) | 4,5–5,5 | Mischkristallverfestigung und Kriechbeständigkeit |
Titan (Ti) | 1,0–1,5 | γ′-Ausscheidungsverfestigung |
Aluminium (Al) | 4,5–5,5 | γ′-Phasenbildung, verbessert die Hochtemperaturfestigkeit |
Kohlenstoff (C) | ≤0,12 | Bildet Karbide zur Kriechbeständigkeit |
Eisen (Fe) | ≤1,0 | Restbestandteil |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Verbessert Warmumformeigenschaften |
Silizium (Si) | ≤1,0 | Unterstützt die Oxidationsbeständigkeit |
Bor (B) | ≤0,01 | Verbessert den Zusammenhalt an Korngrenzen |
Zirkonium (Zr) | ≤0,15 | Verfeinert Korngrenzen und steigert die Kriechfestigkeit |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,25 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1335–1380°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,8 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,10 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Thermische Ausdehnung | 13,2 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 435 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 210 GPa bei 20°C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (lösungsgeglüht + ausgehärtet)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 1100–1300 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 850–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Härte | 260–290 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | 230 MPa bei 950°C (1000 h) | ASTM E139 |
Ermüdungsbeständigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E466 |
Haupteigenschaften von Nimonic 105
Außergewöhnliche Hochtemperaturfestigkeit Hält eine Zugfestigkeit über 1100 MPa und eine Streckgrenze über 850 MPa bei Betriebstemperaturen bis zu 950°C aufrecht.
Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit Die Kriechbruchfestigkeit übersteigt 230 MPa bei 950°C über 1000 Stunden und gewährleistet langfristige Stabilität unter thermischer und mechanischer Belastung.
Gamma-Prime-Verfestigung Ein hoher Volumenanteil der Ni₃(Al,Ti)-γ′-Phase verbessert die Festigkeitserhaltung bei erhöhten Temperaturen und widersteht mikrostrukturellem Abbau.
Oxidationsbeständigkeit Eine schützende Cr₂O₃-Oxidschicht ermöglicht langfristige Beständigkeit gegen Oxidation und Zunderbildung in Turbinenumgebungen bis 1050°C.
Maßstabilität Ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (13,2 µm/m·°C) minimiert thermische Verzüge bei zyklischer Erwärmung.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Nimonic 105
Bearbeitungsherausforderungen
Werkzeugverschleiß und -bruch
γ′-Ausscheidungen und Mo-reiche Phasen verursachen starken Freiflächenverschleiß und Kolkverschleiß bei unbeschichteten Werkzeugen.
Wärmeretention
Die geringe Wärmeleitfähigkeit führt zu erhöhten Werkzeugtemperaturen und schnellem Schneidkantenversagen bei aggressiver Zerspanung.
Verformungshärtung
Die Oberflächenhärte steigt während der Bearbeitung deutlich an und erschwert mehrstufige Schlichtoperationen.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Hartmetall (K20–K30), Keramik oder CBN zum Schlichten | Hohe Warmhärte und Zähigkeit |
Beschichtung | TiAlN oder AlCrN (3–5 µm) | Reduziert Verschleiß und Wärmeeintrag |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (6–8°), verrundete Schneidkante (~0,05 mm) | Kontrolliert Spanlast und Durchbiegung |
Schnittparameter (ISO 3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlmitteldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 12–18 | 0,15–0,25 | 2,0–3,0 | 100–120 |
Schlichten | 25–35 | 0,05–0,10 | 0,5–1,0 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Nimonic-105-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP beseitigt Porosität und erhöht die Ermüdungslebensdauer um >20%, besonders kritisch für Turbinenscheiben und Brennkammerteile.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst ein Lösungsglühen bei ~1140°C, gefolgt von einer Alterung bei 850°C, um eine optimale γ′-Ausscheidung zu fördern.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen mit Zusatzwerkstoff ERNiCrCoMo-1 liefert Verbindungen mit >90% Grundwerkstofffestigkeit und minimaler Mikroseigerung.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung bringt eine 100–300 µm YSZ-Schicht auf, um die Wärmeaufnahme in Turbinenschaufeln zu reduzieren.
Funkenerodieren (EDM)
EDM ermöglicht Mikro-Merkmale bis ±0,005 mm, ohne gehärtete Zonen thermisch zu schädigen.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erreicht L/D >30:1 mit einer Koaxialitätsabweichung <0,3 mm/m für Kühlkanäle und Kraftstoffleitungen.
Materialprüfung und -analyse
Materialprüfung umfasst Kriechbruchprüfungen bei 950°C, SEM-Gefügevalidierung sowie Ultraschall-Fehlerprüfung, um fehlerfreie kritische Komponenten sicherzustellen.
Industrielle Anwendungen von Nimonic-105-Komponenten
Luftfahrt-Turbinenantriebe: Turbinenscheiben, Abgasdüsen und Schaufelwurzeln in Strahlantriebssystemen.
Energieerzeugung: Turbinenwellen, Schrauben und Dichtungen für Hochtemperatur-Dampfprozesse.
Kernreaktoren: Hochdruck-, strahlungsbeständige Befestigungssysteme und Halterungen.
Automobil-Performance: Turboladerkomponenten, Wärmeschilde und Ventilsitze.
Industrielle Gasturbinen: Hochdrehende rotierende Komponenten, die thermischen Zyklen und Vibrationen ausgesetzt sind.
Verwandte Blogs erkunden
