Nimonic 90

Einführung in Nimonic 90

Nimonic 90 ist eine Hochleistungs-Superlegierung auf Nickelbasis, die hauptsächlich aus Nickel, Chrom und Titan besteht und für außergewöhnliche Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit sowie langfristige thermische Stabilität ausgelegt ist. Ein Einsatztemperaturbereich bis 950°C eignet sich besonders für Bauteile, die hohen mechanischen Spannungen und korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind, darunter Gasturbinen, Energieerzeugung und Luft- und Raumfahrtanwendungen. Die einzigartige Kombination von Legierungselementen wie Aluminium, Titan und Molybdän sorgt für hervorragende Kriech- und Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen.

Aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften wird Nimonic 90 häufig über CNC-Bearbeitungsdienstleistungen verarbeitet, um die strengen Anforderungen der Luft- und Raumfahrt, der Energieerzeugung und der Kerntechnik zu erfüllen. Dieses Verfahren ist ideal, um die engen Toleranzen zu erreichen, die für Turbinenschaufeln, Brennkammern und andere kritische Komponenten erforderlich sind. Darüber hinaus gewährleistet CNC-Bearbeitung eine hohe Präzision bei Teilen, die extremen Umgebungen ausgesetzt sind, und sorgt für strukturelle Integrität sowie langlebige Performance.

Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Nimonic 90

Nimonic 90 (UNS N07090 / W.Nr. 2.4632 / AMS 5586) ist eine ausscheidungsgehärtete Superlegierung, die durch die Bildung von Gamma-Prime-(γ′)-Ausscheidungen verstärkt wird. Dadurch werden Festigkeit, Kriechbeständigkeit und thermische Stabilität der Legierung erhöht, insbesondere bei Anwendungen mit langfristiger Exposition gegenüber hohen Temperaturen.

Chemische Zusammensetzung (typisch)

Physikalische Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften (lösungsgeglüht + ausgehärtet)

Haupteigenschaften von Nimonic 90

• Erhalt der Hochtemperaturfestigkeit Behält eine Zugfestigkeit >1050 MPa und eine Streckgrenze >760 MPa bei 850°C und liefert damit zuverlässige Leistung in Turbinenantrieben und anderen Hochtemperatursystemen.

• Kriechbeständigkeit Zeigt eine Kriechbruchfestigkeit von 250 MPa bei 850°C über 1000 Stunden, nach ASTM E139 verifiziert, und gewährleistet langfristige Stabilität in Luftfahrt- und Kraftwerkskomponenten.

• Oxidationsbeständigkeit Beständig gegen Oxidation bis 950°C; bildet eine stabile Cr₂O₃-Oxidschicht, die Masseverlust und Oberflächendegradation in Hochtemperaturumgebungen minimiert.

• Thermische Ermüdungsbeständigkeit Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient von 13,5 µm/m·°C minimiert Spannungsaufbau in Bauteilen, die wiederholten Heiz- und Kühlzyklen ausgesetzt sind.

• Erhöhte strukturelle Stabilität Verfestigt durch γ′-Ausscheidungen und Mo-reiche Karbide, wodurch die Beständigkeit gegen Kriechen und Ermüdung in rotierenden Teilen und Verbindungselementen unter hoher mechanischer und thermischer Belastung verbessert wird.

Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Nimonic 90

Bearbeitungsherausforderungen

Hohe Härte und Abrasivität

• Gamma-Prime und andere harte Phasen führen zu schnellem Werkzeugverschleiß, insbesondere bei unbeschichteten Hartmetallwerkzeugen.

Schlechte Wärmeabfuhr

• Nimonic 90 hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was zu hohen Temperaturen in der Schneidzone führen kann und Maßabweichungen sowie thermische Rissbildung begünstigt.

Kaltverfestigung

• Die Legierung verfestigt sich während der Bearbeitung schnell, wodurch präzise Schnittparameter und scharfe Werkzeuge erforderlich sind, um Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit zu sichern.

Optimierte Bearbeitungsstrategien

Werkzeugauswahl

Schnittparameter (ISO 3685-konform)

Oberflächenbehandlung für bearbeitete Nimonic-90-Teile

Heißisostatisches Pressen (HIP)

HIP verbessert die Ermüdungsfestigkeit um >20% und eliminiert innere Porosität. Typische Prozessbedingungen umfassen 1100°C und 100–150 MPa für 2–4 Stunden und gewährleisten eine 100%ige Verdichtung für Strukturkomponenten.

Wärmebehandlung

Wärmebehandlung umfasst ein Lösungsglühen bei ~1120°C, gefolgt von einer Alterung bei 850–870°C zur Maximierung der γ′-Ausscheidung. Dieser Prozess verbessert die Kriechbeständigkeit und Maßstabilität im Langzeiteinsatz.

Superlegierungs-Schweißen

Superlegierungs-Schweißen mit passendem Zusatzwerkstoff (z. B. ERNiCrCoMo-1) stellt eine Schweißfestigkeit von >90% des Grundwerkstoffs sowie minimale Rissbildung in drucktragenden Verbindungen sicher.

Thermische Barrierebeschichtung (TBC)

TBC-Beschichtung bringt eine 100–300 µm Yttriumoxid-stabilisierte Zirkonoxid-(YSZ)-Schicht mittels APS- oder EB-PVD-Verfahren auf und senkt die Substrattemperaturen in Turbinenbauteilen um bis zu 200°C.

Funkenerodieren (EDM)

EDM ermöglicht Merkmaltoleranzen von ±0,005 mm an ausgehärteten Bereichen ohne Einbringung thermischer Spannungen, ideal für Kühlbohrungen und dünnwandige Strukturen.

Tieflochbohren

Tieflochbohren mit L/D-Verhältnissen >30:1 gewährleistet eine Geradheit <0,3 mm/m und Ra <1,6 µm und eignet sich für Kühlkanäle in Hochtemperatur-Hardware.

Materialprüfung und -analyse

Materialprüfung umfasst Kriechbruchvalidierung bei 850°C/1000 h, XRD-Phasenanalyse, SEM-Gefügeauswertung sowie Ultraschall-Fehlerprüfung nach ASME-Standards.

Industrielle Anwendungen von Nimonic-90-Komponenten

• Luftfahrt-Turbinenantriebe: Turbinenschaufeln, Leitschaufeln und Scheibenkomponenten, die extremer thermischer und mechanischer Belastung ausgesetzt sind.

• Energieerzeugung: Brennkammern, Übergangskanäle und Strukturverschraubungen in Gasturbinen sowie hocheffizienten Abhitzesystemen.

• Kernenergiesysteme: Federn, Ventilinnenteile und Abstandhalter für Hochstrahlungs- und Hochdruck-Reaktorumgebungen.

• Automobil-Performance-Systeme: Abgashalterungen, Turbokomponenten und Wärmeschilde mit Anforderungen an Oxidations- und Ermüdungsbeständigkeit.

• Industrielle Heizanlagen: Retorten, Strahlrohre und Wärmebehandlungsvorrichtungen, die Temperaturen bis zu 1000°C ausgesetzt sind.