Nimonic 81
Einführung in Nimonic 81
Nimonic 81 ist eine hochfeste Nickel-Chrom-Superlegierung, die mit Aluminium und Titan verstärkt wird und für ausgezeichnete mechanische Festigkeit, Kriechbeständigkeit und Oberflächenstabilität in aggressiven Hochtemperaturumgebungen ausgelegt ist. Sie ist ausscheidungsgehärtet und für Anwendungen konzipiert, die einen langfristigen Einsatz bei erhöhten Temperaturen erfordern, wodurch sie sich besonders für Komponenten in der Luft- und Raumfahrt, der Kerntechnik und der Energieerzeugung eignet.
Mit einer Einsatzfähigkeit bis zu 870°C kombiniert Nimonic 81 eine überlegene thermische Ermüdungsbeständigkeit mit hoher Oxidationsbeständigkeit. Der Werkstoff wird typischerweise im lösungsgeglühten und ausgehärteten Zustand geliefert und mittels CNC-Bearbeitung verarbeitet, um Turbinenschaufeln, Strukturbefestiger, Federn und hochpräzise Bauteile herzustellen, die enge Maßtoleranzen und hervorragende Oberflächenqualitäten erfordern.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Nimonic 81
Nimonic 81 (UNS N07081 / W.Nr. 2.4635 / ISO 15156-3) ist eine ausscheidungsgehärtete Nickellegierung mit einer Gamma-Prime-(γ′)-Phase, die die mechanischen Eigenschaften unter Belastung und thermischer Einwirkung verbessert.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Balance (≥70,0) | Basiselement für Hochtemperatur-Oxidations- und Kriechbeständigkeit |
Chrom (Cr) | 19,0–22,0 | Verbessert Korrosions- und Zunderbeständigkeit |
Titan (Ti) | 2,0–2,8 | Bildet die Ni₃Ti-γ′-Phase zur Ausscheidungshärtung |
Aluminium (Al) | 1,0–1,5 | Verstärkt die γ′-Matrix für thermische Ermüdungsbeständigkeit |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Verbessert die Hochtemperatur-Kriechfestigkeit durch Karbidbildung |
Eisen (Fe) | ≤3,0 | Restbestandteil; erhöht die Festigkeit |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Unterstützt die Warmumformbarkeit |
Silizium (Si) | ≤1,0 | Verbessert die Oxidationsbeständigkeit |
Kupfer (Cu) | ≤0,2 | Begrenzt, um Heißbrüchigkeit zu reduzieren |
Schwefel (S) | ≤0,015 | Kontrolliert für Schweißbarkeit und Heißrissbeständigkeit |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm/Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,15 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1320–1380°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 11,2 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 | 430 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 200 GPa bei 20°C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (lösungsgeglüht + ausgehärtet)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 1000–1150 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 700–800 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥18% | ASTM E8/E8M |
Härte | 220–250 HB | ASTM E10 |
Kriechbruchfestigkeit | 200 MPa bei 750°C (1000 h) | ASTM E139 |
Thermische Ermüdungslebensdauer | Ausgezeichnet | ASTM E606 |
Haupteigenschaften von Nimonic 81
Hohe Kriechfestigkeit: Der Gamma-Prime-Verstärkungsmechanismus gewährleistet mechanische Zuverlässigkeit unter langandauernder Belastung bis zu 870°C.
Oxidations- und Zunderbeständigkeit: Die chromangereicherte Matrix bildet eine stabile Cr₂O₃-Schicht, die Bauteile in oxidierenden Atmosphären schützt.
Ermüdungsbeständigkeit unter thermischen Zyklen: Behält Gefügestabilität und Maßgenauigkeit auch nach Tausenden von Temperaturwechselzyklen bei.
Gute Schweißbarkeit und Fertigbarkeit: Kann geschweißt und mit kontrollierten Parametern CNC-bearbeitet werden, um kritische Teile mit engen Toleranzen herzustellen.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Nimonic 81
Bearbeitungsherausforderungen
Hohe Kaltverfestigungsrate
Die Oberflächenhärte steigt während der Bearbeitung schnell an, insbesondere im ausgehärteten Zustand, was Werkzeugverschleiß und inkonsistente Bauteiltoleranzen verursacht.
Abrasive Karbidpartikel
Karbide und γ′-Ausscheidungen beschleunigen den Verschleiß unbeschichteter Hartmetall- und Schnellarbeitsstahlwerkzeuge.
Geringe Wärmeleitfähigkeit
Wärmeaufbau an der Schneidkante führt zu thermischer Erweichung und Schneidkanten-Ausbrüchen, insbesondere bei Trockenbearbeitung oder unzureichender Kühlung.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Hartmetall (K20–K30) zum Schruppen, CBN zum Schlichten | Widersteht Abrasion und thermischen Lasten |
Beschichtung | AlCrN oder TiSiN (3–5 µm PVD) | Reduziert Oxidation und die Bildung von Aufbauschneiden (BUE) |
Geometrie | Positiver Spanwinkel, verrundete Schneidkante (0,05 mm) | Minimiert Schnittdruck und Vibrationen |
Schnittparameter (ISO 3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühlmitteldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 10–18 | 0,20–0,25 | 1,5–2,0 | 100–120 |
Schlichten | 30–45 | 0,05–0,10 | 0,3–1,0 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Nimonic-81-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verbessert Kriechfestigkeit und Strukturhomogenität, indem Mikrohohlräume in gegossenen oder AM-Teilen eliminiert werden.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung aktiviert die Gamma-Prime-Ausscheidung und erhöht die Hochtemperatur-Ermüdungsbeständigkeit.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen ermöglicht starke, oxidationsbeständige Verbindungen für Hardware in der Kerntechnik und Luft- und Raumfahrt.
Thermische Barrierebeschichtung (TBC)
TBC-Beschichtung bietet thermischen Schutz für Turbinenschaufeln, Brennringe und Heißgas-Komponenten.
Funkenerodieren (EDM)
EDM gewährleistet Präzision an gehärteten Merkmalen wie Kühlbohrungen, Kerben oder Dichtflächen.
Tieflochbohren
Tieflochbohren unterstützt die Fertigung von Kühlkanälen oder Injektorkanälen mit hohen Längen-Durchmesser-Verhältnissen.
Materialprüfung und -analyse
Materialprüfung umfasst Mikrohärteprofilierung, Korngrößenanalyse, Zeitstand-/Kriechbruchprüfungen sowie zerstörungsfreie Prüfungen (ZfP/NDT).
Industrielle Anwendungen von Nimonic-81-Komponenten
Luftfahrt-Triebwerkskomponenten
TurbinenScheiben, Schaufelwurzeln und Details der Brennkammer, die hoher Hitze und zyklischer Belastung ausgesetzt sind.
Kernreaktor-Systeme
Brennstoffstab-Abstandhalter, Schraubverbindungen und Federn arbeiten unter Neutronenfluss und erhöhtem Druck.
Energieerzeugung
Befestiger, Wärmetauscher-Träger und Turbinendichtungen im Betrieb oberhalb von 700°C.
Automobil-Turbolader und Abgasanlage
Federringe und hochbelastete Halterungen, die für ermüdungskritische Zonen ausgelegt sind.
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