Nimonic 115
Einführung in Nimonic 115
Nimonic 115 ist eine hochfeste Nickel-Chrom-Kobalt-Superlegierung, die für extreme Hochtemperaturanwendungen entwickelt wurde – insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie der Energieerzeugung. Die Legierung ist darauf ausgelegt, ihre strukturelle Integrität bis zu 1050°C zu erhalten, und zeichnet sich durch einen hohen Gamma-Prime-(γ′)-Gehalt sowie eine hervorragende Kriechbeständigkeit aus. Sie wird häufig für Turbinenschaufeln, Leitschaufeln (Nozzle Guide Vanes) und Scheibenbauteile eingesetzt, bei denen eine langfristige thermische und mechanische Belastung kritisch ist.
Aufgrund der anspruchsvollen Einsatzbedingungen werden Bauteile aus Nimonic 115 typischerweise über CNC-Bearbeitungsdienstleistungen gefertigt, um enge Toleranzen und eine hohe Wiederholgenauigkeit sicherzustellen. CNC-Bearbeitung ermöglicht die präzise Formgebung komplexer Geometrien in diesem schwer zerspanbaren Werkstoff und liefert die erforderliche Maßkontrolle für leistungs- und sicherheitskritische Baugruppen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Nimonic 115
Nimonic 115 (UNS N19115 / W.Nr. 2.4639) ist eine ausscheidungsgehärtete, vakuumgegossene Superlegierung, die für Langzeitfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei kontinuierlichem Betrieb in Hochtemperaturumgebungen entwickelt wurde.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Balance (≥50,0) | Matrixstabilität und Korrosionsbeständigkeit |
Chrom (Cr) | 14,0–16,0 | Erhöht Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit |
Kobalt (Co) | 14,0–16,0 | Steigert Festigkeit und Thermoermüdungsbeständigkeit |
Molybdän (Mo) | 3,0–5,0 | Kriechverfestigung durch Mischkristallhärtung |
Aluminium (Al) | 5,0–6,0 | Bildet Ni₃Al-γ′-Phase zur Erhöhung der Hochtemperaturfestigkeit |
Titan (Ti) | 1,0–2,0 | Trägt zur γ′-Phasenbildung für Ausscheidungsverfestigung bei |
Kohlenstoff (C) | ≤0,15 | Karbidausscheidungen verbessern Kriech- und Zeitstandfestigkeit |
Bor (B) | ≤0,015 | Korngrenzenverfestigung |
Zirkonium (Zr) | ≤0,15 | Erhöht die Kriechbruchlebensdauer |
Eisen (Fe) | ≤1,0 | Restbestandteil |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Verbessert Warmumformeigenschaften |
Silizium (Si) | ≤1,0 | Oxidationsunterstützende Wirkung |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,40 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1335–1385°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,5 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,12 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Thermische Ausdehnung | 13,3 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 440 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 | 1180–1350 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 880–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Härte | 280–310 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | 240 MPa bei 950°C (1000 h) | ASTM E139 |
Ermüdungsbeständigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E466 |
Haupteigenschaften von Nimonic 115
Hohe Festigkeit bei extremen Temperaturen Liefert eine Zugfestigkeit über 1180 MPa und eine Streckgrenze über 880 MPa bei Temperaturen bis 950°C.
Gamma-Prime-Verstärkung Ein hoher Volumenanteil der γ′-Phase sorgt für ausgezeichnete Festigkeitserhaltung und Widerstand gegen thermische Alterung über lange Zeit.
Überlegene Oxidationsbeständigkeit Chrom- und Aluminiumzusätze bilden eine stabile Oxidschicht, die Oberflächenabbau bis 1050°C verhindert.
Kriech- und Ermüdungsleistung Eine Kriechbruchfestigkeit von 240 MPa bei 950°C über 1000 Stunden gewährleistet eine lange Lebensdauer von rotierenden Turbinenbauteilen.
Maßstabilität bei thermischer Zyklierung Mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 13,3 µm/m·°C widersteht die Legierung Verzug und Verformung bei zyklischer Erwärmung.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Nimonic 115
Bearbeitungsherausforderungen
Schnelle Werkzeugdegradation
Die Kombination aus hoher Härte und γ′-Phasenpartikeln führt zu schnellem Verschleiß konventioneller Werkzeuge.
Geringe Wärmeleitfähigkeit
Staut Wärme in der Schnittzone, erhöht die Schneidkantentemperatur und steigert das Risiko von Maßabweichungen.
Kaltverfestigung
Erfordert gleichmäßigen Eingriff und scharfe Werkzeuge, um die Bildung verfestigter Randschichten zu vermeiden.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Hartmetall (K30), Keramik-Wendeschneidplatten zum Schlichten | Bewahrt Härte bei hohen Temperaturen |
Beschichtung | AlCrN oder TiSiN PVD (3–5 µm) | Wärmeschutz und Verschleißreduzierung |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (6–10°), verrundete Schneidkante (~0,05 mm) | Kontrolliert Kräfte und Oberflächengüte |
Schnittparameter (ISO 3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlmitteldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 10–15 | 0,15–0,25 | 1,5–2,5 | 100–120 |
Schlichten | 25–35 | 0,05–0,10 | 0,3–0,8 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Nimonic-115-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP reduziert innere Porosität und erhöht die Ermüdungsfestigkeit um mehr als 25%, insbesondere bei rotierenden Komponenten.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst Lösungsglühen (~1145°C) und anschließendes kontrolliertes Auslagern, um die γ′-Ausscheidung für maximale Festigkeit zu optimieren.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen mit ERNiCrCoMo-Zusatzwerkstoffen gewährleistet rissfreie Verbindungen und hält ≥90% der mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffs.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung senkt die Substrattemperatur in Leitschaufeln und Turbinenschaufeln um bis zu 200°C.
Funkenerodieren (EDM)
EDM wird zur Herstellung eng tolerierter Kühllöcher mit ±0,005 mm Genauigkeit eingesetzt, ohne thermischen Einfluss auf die Bauteilspannung.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erreicht eine Oberflächenrauheit Ra < 1,6 µm und eine Koaxialität innerhalb 0,3 mm/m bei Bauteilen mit L/D >30:1.
Materialprüfung und -analyse
Materialprüfung umfasst Kriech-, Zug-, XRD-, SEM- sowie Ultraschallprüfungen nach ASME- und ASTM-Standards.
Industrielle Anwendungen von Nimonic-115-Komponenten
Luftfahrt-Turbinenantriebe: Turbinenschaufeln, Scheiben und Brennkammerbauteile, die extremer Hitze ausgesetzt sind.
Energieerzeugung: Hochtemperatur-Dampfturbinen-Leitschaufeln und Befestigungselemente.
Kerntechnik-Systeme: Komponenten, die thermischer Belastung und Strahlung ausgesetzt sind.
Automobil-Rennmotoren: Auslassventile, Turboladerlaufräder und Ventilführungen.
Industrielle Gasturbinen: Rotoren und Leitschaufeln in Verbrennungszonen mit thermischer Zyklierung.
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