IZBOR MATERIJALA U UVJETIMA POVIŠENIH I VISOKIH TEMPERATURA

Izbor materijala, 3+3, 2012.

Prof. dr. sc. T. Filetin

POJAVE PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA

Promjena mehaničkih svojstava Puzanje Viskotemperaturna oksidacija Procesi pougljičavanja, razugljičavanja i sl. Toplinske dilatacije Toplinski šok Toplinski umor

ORIJENTACIJA ZA PRIMJENU MATERIJALA PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA

Keramika

Keramički kompoziti

POLIMERNI MATERIJALI PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA

Dijagram naprezanje-istezanje za ABS –različite temperature i trajanja ispitivanja

Pojava puzanja pri relativno malo povišenim temperaturama

Kriterij za temperaturnu osjetljivost polimera služi temperatura postojanosti oblika ((HDTHDT – HHeat eat DDeflection eflection TTemperatureemperature).

HDTHDT je temperatura pri kojoj dolazi do zadanog progiba pri definiranom savojnom opterećenju, a ispituje se prema ASTM D648.

HDTHDT-vrijednosti za neke plastomere

- duromeri iskazuju višu temperaturnu postojanost oblika od plastomera,

- duroplastični poliimidi rabe se u kompozitima s ugljičnim vlaknima u području od 260 do 290 C, a novije vrste koriste se i do 340 C,

- plastomerni poliimidi mogu izdržati 260 do 290 C, a ostali plastomeri iskoristivi su od 140 do 230 C.

Skupine materijala za povišene i visoke temperature1. ČELICI I LJEVOVI NA BAZI Fe

- nelegirani i niskolegirani,- Cr-visokolegirani,- Ni-Cr (+) austenitni,- Vatrootporni čelici.

2. LEGURE na bazi Ni i Co3. VISOKOTALJIVI METALI: W, Ta, Mo, Nb, Cr4. SINTERIRANI Al i Ni5. TOPLINSKI POSTOJANI (ČVRSTI) TVRDI METALI6. STAKLO i STAKLO-KERAMIKA7. VISOKOTEMPERATURNI EMAJL8. OKSIDNA I NEOKSIDNA KERAMIKA i CMC9. ŠAMOT

10. UGLJIČNI MATERIJALI i C/C KOMPOZITI

11. INTERMETALNI SPOJEVI

niski sadržaji kisika, dušika i vodika; visoka otpornost na oksidaciju na zraku ili pri izlaganju

pari pod tlakom ili pri povišenim temperaturama; mali pad čvrstoće pri povišenim temperaturama; visoka otpornost na promjene temperatura pri

zagrijavanju ili ohlađivanju; visoka dinamička izdržljivost pri povišenim temp.; visoka granica puzanja pri povišenim temperaturama; što viši E pri radnoj temp. i/ili niska topl. rastezljivost što

rezultira manjim promjenama dimenzija; dovoljna zavarljivost i umjerena veličina zrna da se povisi čvrstoća.

ZAHTJEVI NA SVOJSTVA (POSEBNO ZA METALNE MATERIJALE)

Fe-MATERIJALI I NEŽELJEZNE LEGURE ZA DUGOTRAJAN RAD PRI POVIŠENIM I VISOKIM

TEMPERATURAMA

Prijedlog ruskih autora:

- niske temperature: Tr < 0,25Tt

- povišene temperature: 0,25Tr < Tt < 0,4Tr

- visoke: > 450º C: Tr > 0,4Tt

NISKA, POVIŠENA I VISOKA TEMPERATURA

Za Fe-legure vrijedi:- niske temperature: < 180 ºC- povišene temperature: 180º C…450 ºC- visoke: > 450 ºC

Tr, K... radna temperatura

Tt, K... talište osnovnog metala

Za ostale tehnički važne metale vrijedi:

420160...4201601455Ni505215...5052151672Ti27066...270661084,5Cu100-40...100-40660,37Al

Visoke temp. > ºC

Povišene temp. od... do ºC

Niske temp. < ºCTalište ºCMetal

PRIMJERI PRIMJENERad pri povišenim i visokim temperaturama aktualan je: za toplinske strojeve i uređaje; u kemijskoj i procesnoj industriji; u termo i nuklearnim elektranama; u raketama i svemirskim brodovima alati za oblikovanje metala o keramike .

Od materijala za visoke temperature izrađuju se: - dijelovi parnih kotlova - dijelovi uređaja za preradu nafte;

- kolektori pare kotlova i turbina;- dijelovi parnih i plinskih turbina: osovine i rotori, lopatice;- cijevi i oplate pregrijača pare; - toplinski čvrsti vijci i matice;- dijelovi motora s unutarnjim izgaranjem (posebno brodskih).

OVISNOST FIZIKALNIH SVOJSTAVA O TEMP. -TOPLINSKA RASTEZLJIVOST, , mm/mm

TOPLINSKA VODLJIVOST, , W/mK

SPECIFIČNI TOPLINSKI KAPACITET, Cp, J/kgK

0

2

4

6

8

10

12

0 100 200 300 400 500 600 700Temperature, °C

Ther

mal

diff

usiv

ity, m

2 s-1

48CrMoV6-7

HS18-0-1

X8CrNi19-8

p

ac

, m2·s-1Toplinska difuzivnost

PROMJENA SVOJSTAVA POVIŠENJEM TEMP.Promjena statičkih kratkotrajnih mehaničkih svojstava

- sniženje Re, Rm i E- povećanje A, Z i žilavosti.

POKAZATELJI MEHANIČKIH SVOJSTAVA PRI POVIŠENIM I VISOKIM TEMPERATURAMA

Rp0,2/T - vrijednost konven. granice razvlačenja pri Tr

Rm/T - vrijednost vlačne čvrstoće pri Tr;

ET - vrijednost modula elastičnosti pri Tr;

AT - vrijednost istezljivosti pri Tr.

POJAVA PUZANJA- što je viša temperatura uz konstantno naprezanje u radu, to

je veća brzina puzanja kod jednog te istog čelika;- što je više naprezanje kod konstantne temperature, to je

veća brzina puzanja i kraće vrijeme do pojave loma.

Rp1/t/T - vrijednost granice puzanja pri nekoj temperaturi za definiranovrijeme ispitivanja 1000, 10000, 100 000 sati. To je ononaprezanje koje nakon djelovanja u definiranom trajanju (t) pridefiniranoj temp. izaziva trajnu deformaciju od 1 %;

RDVM/T - granica puzanja po DVM pri definiranoj temperaturi. To je ono vlačno naprezanje koje pri zadanoj povišenoj temperaturi izaziva brzinu puzanja od 10·10-4 %/h između 25. i 35. sata ispitivanja, a nakon 45. sata ispitivanja i rasterećenja trajno je istezanje manje od 0,2 %.

Rm/t/T - vrijednost statičke izdržljivosti pri definiranoj temp. zaodređeno vrijeme djelovanja opterećenja – 10 000, 100 000 ili200 000 sati. To je ono naprezanje koje nakon definiranog vremenadjelovanja na nekoj temperaturi izaziva lom.

SVOJSTVA ZA IZBOR MATERIJALA I PRORAČUN U UVJETIMA PUZANJA

Promjena savojne dinamičke izdržljivosti austenitnogčelika X10NiCrWTi36-15 povišenjem temperature

SMANJENJE DINAMIČKE IZDRŽLJIVOSTI

Povišenjem temperature dinamička izdržljivost se smanjuje ili uopće ne postoji, tj. dolazi do loma kod određenog broja promjena opterećenja.

OVISNOSTI MEHANIČKIH SVOJSTAVA O RADNOJ TEMPERATURI

Prikaz rezultata ispitivanja mehaničkih svojstava pri povišenim i visokim temperaturama

brzina puzanja

= const.krivulja vremenskog loma:(____) Rm/t, N/mm2

(-------) Rp1/t , N/mm2

(-.-.-.-) Rp0,2/t, N/mm2

brojke: A5/t, %

Primjer:Rm/1000 = 280 N/mm2

Rm/10000 = 150 N/mm2

Rm/100000= 90 N/mm2

A5/100 = 26% uz σ = 400 N/mm2

A5/1000 = 14 % uz σ = 300 N/mm2

A5/10000= 2 % uz σ = 150 N/mm2

Rp0,2/1000 = 120 N/mm2

Rp1/1000 = 200 N/mm2

Rp1/10000 = 130 N/mm2

Statička izdržljivost Rm/t nekih čelikaR

m/1

0000

0, N

/mm

2

Rm

/100

000,

N/m

m2

UTVRĐIVANJE TRAJNOSTI POMOĆU LARSON-MILLER-OVA PARAMETRA

Za predviđanje trajnosti, na osnovi podataka o puzavosti pri kraćim vremenima i pri višim temp. ispitivanja od radne, služi Larson-Millerov parametar:

P =P = T T (( C + logC + log tt ))pri čemu je:

P - parametar

T - Temperatura, K

C - konstanta ~20

t – trajanje, h

Primjer: lopatica plinske turbine izrađena je iz Ni-superlegure Nimonic 115 sastava:

0,16 %C; 15 %Cr; 15 %Co; 3,5 %Mo; 4 %Ti; 5 %Al; 0,04 %Zr; 0,014 %B, ostatak Ni.

Statička izdržljivost iznosi: Rm/10000/810 = 150 N/mm2.

Koje je očekivano vrijeme rada pri 750 C?

P = (810 + 273)(20 + log10000) = 25992

25992 = (750 + 273)(20 + log t)

iz čega slijedi:

log t = (25992/1023) 20

t = 255638 sati ~ 88 god.

SMJERNICE ZA POBOLJŠANJE MEHANIČKE METALAOTPORNOSTI PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA

2. Čelici se legiraju takvim elementima (Cr, Mo, W, V, Ti) koji tvoreteško topive stabilne spojeve – karbide, nitride i intermetalnefaze ("mješavina" faza) koji u obliku sitno disperziranih česticaotežavaju gibanje dislokacija,

Poželjno je da čelici imaju grublje zrno jer je tada ukupna površina granica zrna manja, što znači i ukupno kraća mjesta niže čvrstoće.

1. Čelici trebaju po mogućnosti sadržavati u kristalu mješanculegirne elemente koji koče pokretljivost atoma – npr. Mo i Co;

3. Austenitna mikrostruktura s gusto složenom FCC rešetkom dajemanju pokretljivost atoma nego feritna (BCC) pa je veći otporsklizanju atoma i otežan proces difuzije (koeficijent difuzije niži zaFCC rešetku).

Bainitna mikrostruktura daje optimalnu otpornost na puzanje prioko 500 ºC.

ČELICI MEHANIČKI OTPORNI PRI POVIŠENIM TEMPERATURAMA

1. Ugljični (nelegirani) čelici – za kotlovske limove

2. Niskolegirani čelici – Cr i Mo (V) - čelici za dijelove termoenergetskih postrojenja

3. Super 12 %Cr martenzitni čelici

4. Austenitni Cr-Ni+(Mo, W, V, Ti i Nb)… čelici

UGLJIČNI (NELEGIRANI) ČELICI

Radna temperatura: < 470 ºC Tipična primjena: čelici za kotlovske limove i cijevi Zahtjevi: zadovoljavajuća duktilnost (žilavost) kako bi se plastičnom

deformacijom razgradila lokalna koncentracija naprezanja iliiznenadna preopterećenja,

otpornost na starenje radi toga što čelik može biti hladno očvrsnuttijekom oblikovanja čelika,

umjerena postojanost prema vodi, vodenoj pari i lužinama kao i otpornost na interkristalnu koroziju, vrlo dobra zavarljivost.

(50)80120140210260440...5300,550,22Č1206

(40)60100120180240410...5000,500,20Č1204P265GH

(30)5090100160210350...4500,400,16Č1202P235GH

47545040040020020Mn minC maks

RDVM, N/mm2

pri CRp0,2 min, N/mm2

pri CRm,

N/mm2Kemijski sastav, %Oznaka čelikaEN stara

HRN

Primjer vrsta čelika:

NISKOLEGIRANI ČELICI

Radna temperatura: od 450 ºC do 580 ºC Tipična primjena: čelici za termoenergetska postrojenja Zbog zavarljivosti nizak %C (< 0,25 %C) Legirani sa Mo i Cr:

Mo2C i Cr7C3 karbidi: usporavaju puzanje, povećavaju prokaljivost i otpornost na popuštanje;

Mo: spriječava pojavu krhkosti popuštanja, povisuje temp. rekristalizacije;

Cr: povisuje mehaničku otpornost, istezljivost i oksidacijsku postojanost.

Primjeri primjene: 15Mo3 (Č7100) – oplate kotlova, kotlovske cijevi i cijevi pregrijača;

13CrMo4-5 (Č7400) – kolektori pare, kotlovske cijevi, cijevi pregrijača;

24CrMoV5-5 (Č7432) – vijci, matice, svornjaci, prirubnice, turbinskelopatice, veliki otkivci.

Primjeri vrsta čelika:

SUPER 12 %Cr MARTENZITNI ČELICI

- Radna temperatura: do 600 ºC- Tipična primjena: dugotrajni rad na temp. 550-600 C uz

visoku postojanost na opću koroziju- Legirani sa 1 %Mo i 12 %Cr i eventualno V:

- kaljenje: martenzitna mikrostruktura;

- popuštanje: 550 do 750º C – izlučivanje karbida Mo, C i V doprinosi povišenju otpornosti na puzanje;

- Otporni su na djelovanje vodika i na sulfidnu napetosnukoroziju.

Primjeri vrsta čelika:

Primjeri primjene:

lopatice, rotori i kućišta parnih turbina, brodske propeleri, cijevi pregrijača pare, dijelovi izloženi djelovanju morske vode i komprimiranom vodiku, dijelovi uređaja u industriji papira, umjetnih vlakana, celuloze nafte i plina.

AUSTENITNI ČELICI

- Tipična primjena: dugotrajni rad na temp. 600-750 C;- Legirani sa Mo, W, V, Ti i Nb;- Visoka temp. rekristalizacije od 900 ºC do 1000 ºC;- Vrlo dobra kemijska postojanost;

- Toplinsko-mehaničke obrade s ciljem povišenja čvrstoće: gašenje, toplo/hladno valjanje, starenje.

Primjeri primjene:cjevovodi, tlačne posude, dijelovi parnih i plinskih turbina, rotori turbopuhala i turbina, lopatice, prirubnice, ventili, sapnice, komore izgaranja itd.

Dijagram postupka toplinske obrade četiriju skupina austenitnih toplinski visokopostojanih čelika

Primjer vrsta čelika:

ČELICI OTPORNI NA KEMIJSKO DJELOVANJE PRI VISOKIM TEMPERATURAMA

- Pri temp. > 550 ºC nastupa čista kemijska korozija koja se još naziva plinskom

- Najčešći uzročnici:

- vlaga, zrak, kisik;

- SO2 i SO3 (stvaranje H2SO4 i H2SO3);

- djelovanje CO2 i H2S.

Nastali spojevi kod nelegiranih čelika:

FeO - wüstit, Fe3O4 - magnetit, Fe2O3 - hematit

VATROOTPORNI ČELICIČelik je vatrootporan ako gubitak mase nije veći od 1 g/m2h (pri definiranoj temp.) ili maks. 2 g/m2h (pri 50 ºC višoj T) uz120 sati izloženosti struji plinova koji sadrže kisik.

Svaka 24 sata ispitni uzorak se hladi i s njega skida ogorina(oksid).

Tražena svojstva:

- visoka otpornost na oksidaciju (> 550 C), u okolini vrućeg zraka, vodene pare, agresivnih plinova, plamena i sl. –uvjeti kemijske (plinske) korozije izazvane intenzivnom oksidacijom);

- otpornost na puzanje Rp1 za 1000 h.

Legiranje: s elementima koji imaju viši afinitet prema kisiku

– Cr, Si, Al

- nastali oksidi Cr2O3, SiO2 i Al2O3 su kompaktni i štite čelik od stvaranja ogorine u obliku ljuski

- na vatrootpornost najpovoljnije djeluje legiranje s Cr

Primjeri vrsta čelika:

Primjeri primjene:- dijelovi ložišta generatora pare koji su u dodiru s vatrom i

vrućim plinovima – cijevi, rešetke ložišta, pregrijači zraka,

- dijelovi metalurških peći – žarne komore, lonci za žarenje,

- rešetke i košare za šaržiranje dijelova u pećima zatoplinsku obradu itd.

PRIMJER IZBORA ČELIKA ZA POVIŠENE TEMPERATURE - CIJEVI PAROVODA

ZAHTJEVI NA PAROVODE

Tr = 300-600 °C

Z1 visoka mehanička otpornost zbog djelovanja unutarnjeg tlaka otpornost puzanju i na pojavu loma od puzanja;

Z2 otpornost koroziji;Z3 mali gubici topline;Z4 dobra zavarljivost.

visokaocjena0,2Z4

niskavisoko

toplinska vodljivost1/

0,1Z3

niskavisoko

konstanta korozije kk

1/kk

0,2Z2

visokoRp0.2/ granica razvlačenjaRp1/t/ granica puzanjaRm/t/ statička izdržljivost

0,5Z1

CiljTražena svojstva čelikaFaktorvažnosti

Zahtjev

Debljina stijenke utvrđuje se izrazom:

2 = K2

s

D pdp

gdje je: D2 − vanjski promjer cijevi, mm; K vrijednost relevantnog mehaničkog svojstva, N/mm2; s faktor sigurnosti; p tlak pare, MPa.

Za K se uzima najniža vrijednost od triju mehaničkih svojstava navedena u prethodnoj tablici. Za granicu razvlačenja izabran je faktor sigurnosti s = 1,5, a za statičku izdržljivost s = 1,25.

Korozija se, zbog djelovanja vruće vodene pare, odvija premasljedećem mehanizmu:

3 Fe + 4 H2O Fe3O4 + 4 H2

Rast sloja Fe3O4 napreduje difuzijom po zakonitosti parabole:

ds2 = kk t

gdje je: ds debljina sloja, mm; kk konst. korozije, mm2/h; t vrijeme, h.

Vrijednost za kk ovisna je o materijalu i podaci se teško nalaze.

Zavarljivost se kvalitativno ocjenjuje:

3 dobra zavarljivost;2 dobra do uvjetna zavarljivost;1 uvjetna zavarljivost;0 – nezavarljiv.

Troškovi materijala sastoje se iz cijene cijevi i troškovamontaže.

ni

i iji=1 ijm

m nm

ii=1

XB B YUF = maks.

C C

PARAMETAR VREDNOVANJA

Um tehnička valjanost uporabe materijala "m", Cm cijena, odnosno troškovi materijala "m", q

Bij faktor važnosti za svojstvo unutar grupe svojstava, za i = konst vrijedi

q

ijp

B 1

Bi – faktor važnosti za grupu svojstava vezanu uz jedan zahtjev j

ii

B 1

Yij – pojedinačni zahtjev, za i = konst. vrijedi j = q, Yi – grupa zahtjeva, za i = konst. vrijedi i = p, Xij – vrijednost svojstva.

1

2,943,023,123,243,393,543,613,70

------1,30,4

---19698301810

160146140133120---

13CrMo4-4

300350400450500550575600

2

2,672,762,862,963,083,203,263,33

------1,91,7

---1606016--

140126120113100---

15Mo3

300350400450500550575600

2

2,562,642,742,822,94

-----

--924717

106938773-

St45-5

300350400450500

3

2,472,532,632,732,85

-----

--924717

93807360-

St35-5

300350400450500

Zavarljivostocjena

1/, 102mK/W

1/ds1/mm

Rm/200000/1,25, MPa

Rp0,2/1,5 MPaVrstačelika

,C

VRIJEDNOSTI SVOJSTAVA MATERIJALA

2

2,632,782,943,313,34

-----

--1246126

147127113100-

H 52-3

300350400450500

1

3,023,083,163,203,273,353,383,42

------2,31,6

----129776248

18017316015314087--

15 Ch1M1F

300350400450500550575600

1

4,975,035,185,265,475,625,755,92

------2,21,3

----107594633

160153147140113---

12 Ch1MF

300350400450500550575600

1

3,223,323,453,563,703,843,914,00

------1,91,1

----84433120

153146140133126---

10CrMo9-10

300350400450500550575600

Zavarlj.ocjena

1/, 102mK/W

1/ds1/mm

Rm/200000/1,25MPa

Rp0,2/1,5 MPa

Vrsta čelika,C

Faktor uporabne valjanosti u ovisnosti o temperaturi, za pD2 = 7500 N/mm

Područja optimalne primjenjivosti čelika zabešavne cijevi za rad pri povišenim temp.za različite vrijednosti pD2

NIKAL I NJEGOVE LEGURE

FCC rešetka

hladna oblikovljivost

mehanička otpornost pri visokim temperaturama

otpornost na atmosferske utjecaje, postojanost u morskoj vodi, neoksidirajućim hladnim kiselinama, lužnatim otopinama i rastaljenim jakim lužinama

Na očvrsnuće kristalima mješancima najjače djeluje

Co (>16 %).

Na očvrsnuće precipitacijom djeluju:

– Cr uz otapanje u austenitnoj matrici i stvaranjem Cr23C6,

– Mo, Nb, Ta i V stvaranjem karbida– Al i Ti stvaranjem intermetalnih spojeva: Ni3Al i Ni3Ti,

MEHANIČKA OTPORNOST PRI VISOKIM TEMP. - NAČINI OČVRSNUĆA "SUPERLEGURA"

Dijagram precipitacijskog očvršćivanja Ni-Cr-Ti-Al legure

Skupina Trgovačko ime1

1. Ni-Cu Monel (Nicorros)Ni-Cr Nimonic (Nicrofer)

2. Ni-Mo-Cr Hastelloy (Nimofer)3. Ni-Cr-Fe Inconel (Nicrofer)

Ni-Fe-Cr Incoloy (Nicrofer)4. Ni-Cr + (A)2 Al-Ti Različite vrste legura pod

+ (B)2 Co-W-Mo skupnim imenom “SUPERLEGURE”+ (C)2 C

1 Zaštićene oznake: Nicorros, Nicrofer i Nimofer (VDM -Vereinigte DeutscheMetallwerke AG); Monel, Nimonic, Inconel i Incoloy (Inco Alloys); Hastelloy (Haynes);

2 A - precipitacijski očvrstljive, B - očvrstljive kristalima mješancima, C - očvrstljive karbidima.

VRSTE LEGURA

LOPATICE TURBINA

GRIJAČINi-Cd BATERIJEKOVANICE

PRIMJERI PRIMJENA

KOBALT I NJEGOVE LEGURE

SVOJSTVA

Ispod 1495 °C FCC - modifikacija, a ispod 417 °C u stabilna HP - modifikaciju (preklopni mehanizam)

Ograničeno hladno oblikovljiv i dobro toplo

oblikovljiv

Legure su otporne pri visokim T do 1000 °C.

Toplinski otporan lijev

Kovane i sinterirane superlegure - slične namjenekao i toplinski otporne Ni-legure

Dobro livljive i zavarljive, otporne na koroziju i umaranje.

Co-LEGURE

Sastav:

30-65 %Co, 15-30 %Cr, < 20 %Fe, < 32 %Ni i < 1,1 %C+ W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr i B

stvaranje karbida i karbonitrida:

TiC, NbC, TaC, BC, ZrC, Cr7C3, Cr23C6, Mo6C i W6C

OČVRSNUĆE JE POSLJEDICA IZLUČIVANJA KARBIDA

Dijagram precipitacijskog očvršćivanja Co-Cr-W-Ni-Fe legure

Za nerotirajuće dijelove plinskih turbina i mlaznihmotora Tr < 1000 ºC

Legure za navarivanje ("stelit" i dr.)

PRIMJENA

NEKE VRSTE LEGURA

dijelovi otpornina abrazijskotrošenje

4122071060 Co; 30 Cr; 4,5 W

Stellite 6B

mlazni motori6093045050 Co;20 Cr; 15 W; 10 Ni

Haynes 25

PrimjenaA5%~

RmN/mm2

~

Rp0,2N/mm2

~

Osnovnisastav,maseni %

Trgovačkoime

Usporedba granice razvlačenja i granice puzanja Ni i Cosuperlegura u ovisnosti o temperaturi

mala toplinska rastezljivost

TITAN (Ti) I NJEGOVE LEGURE

visoko postojan u različitim agresivnim medijima (Cl- morska voda, kiseline) - stvara se oksidni sloj

velik afinitet prema O2, C, N2 i H2, naročito > 950 ºC

visoko talište

+ legure

Najvažnija legura: TiAl6V450 % proizvodnje svih Ti-legura

- povišenje čvrstoće toplinskom obradom.

-legure- relativno slabo hladno oblikovljive (HCP);- čvrstoća pri višim temperaturama (370-500 ºC) → za dijelove motora

- neočvrstljive toplinskom obradom.

dobra čvrstoća do 300 ºC uz kratkotrajno mehaničkoopterećenje (dijelovi raketa).

-legure TiV13Cr11Al3 - najčešća legura

OČVRSTLJIVE HLADNOM DEFORMACIJOM I TOPLINSKOM OBRADOM

METALI VISOKOG TALIŠTA

SVOJSTVO Niobij (Nb)

Tantal (Ta)

Molibden (Mo)

Volfram (W)

Renij (Re)

Gustoća, kg/m3 8570 16600 10220 19250 21040 Kristalna struktura BCC BCC BCC BCC HCP Talište, C 2468 2996 2610 3410 3180 Toplinska rastezlj. pri 20 C, m/mK

7,3 6,5 4,9 4,6 6,7

Spec. topl. kapacitet pri 20 C, kJ/kg

0,268 0,139 0,276 0,138 0,138

Toplinska vodljivost, W/mK pri 20 C

52,7 54,4 142 155 71

INTERMETALNI SPOJEVI

Spojevi dvaju elemenata u pet mogućih stehiometrijskihkombinacija.

Sinteriranje.

Neki od čestih spojeva: Ni3Al, Ti3Al, TiAl, NiAl, FeAl, Nb3Al, MoSi2, Cr2Nb...

Danas u primjeni uglavnom nalazimo dva spoja: nikal-aluminid i titan-aluminid.

Visoka otpornost oksidaciji pri temperaturama >1100 C, Osnovni nedostatak: krhkost.

- Ni-- Ti- Co- Cu- W

METALNI KOMPOZITI

Ni-20 %Cr-ThO2 - dijelovi turbina

W-ThO2, ZrO2 grijači

Izuzetno visoka mehanička svojstva, vrlo dobra otpornost pri visokim temp. i otpornost na koroziju.

Najčešće SiC vlakna - u jednom smjeru

Ti-matrica

Cu - matrica

Visoka toplinska vodljivost (> 500 W/mK)Mala toplinska rastezljivost (4-7·10-6/K)Cu-matrica s C-vlaknima ili W-vlaknima (za visoke temperature)

Cu matrica + 44 % C-vlakana

Superlegure Ni i Co + Mo, W, Ti i Al. Kao ojačanja se koriste vlakna od W, Mo, Ta i Nb.

Primjena pri ekstremno visokim temperaturama (i do 1400°C).

Mikrostruktura kompozita nastalogkombiniranjem duplex čelika i 30 %Cr3C2.

Mikrostruktura nehrđajućeg čelika AISI 316 s 20 %Al2O3 čestica

Matrica - superlegure i čelici

KONSTRUKCIJSKE KERAMIKE PRI POVIŠENIM TEMP.

- Bitna prednost prema metalima je prikladnost za rad pri visokim temp. (< 1650 C),

- Pokazatelj mehaničke otpornosti pri visokim temp. je savojna čvrstoća.

Oznake:HPSiC vruće prešan silicijev karbid,HPSN vruće prešan silicijev nitrid,RBSN reakcijski spojen silicijev nitrid,Sialon: silicij-aluminij-oksinitrid

OTPORNOST NA TOPLINSKI ŠOK KERAMIKE

Mjeri se parametrom:

• keramike na bazi Si imaju , što im daje i veću otpornost na toplinski šok od drugih vrsta keramika, naročito ZrO2.

msλRS = α

RE

Toplinska naprezanja: E··T < Rm

m αRT E

Maks. dop. T

KERAMIČKI SLOJEVI - TOPLINSKE BARIJERE LOPATICA PLINSKIH TURBINA

Cirkonijev oksid stabiliziranitrijem (YSZ) nataložen atmosferskimplazmatskim naštrcavanjem iliPVD elektronskim snopom

Radna temperatura - do 1200 °C

Povećanje žilavosti keramičke osnove keramičkim ojačanjima.

Svojstva: stabilnost na ekstremno visokim temperaturama, otpornost na toplinske šokove, iznimna otpornost na koroziju, velika tvrdoća i

otpornost trošenju, mala masa.

KOMPOZITI S KERAMIČKOM MATRICOM (CMC)

Visok E i visoka Rm i ne mijenjaju se niti pri >2000 °C, Otpornost na puzanje Relativno visoka lomna žilavost - širok raspon 20-100 Nmm3/2

Mala toplinska rastezljivost Velika toplinska vodljivost - 250-350 W/mK Mala osjetljivosti prema toplinskom šoku

SVOJSTVA C/C KOMPOZITA

Nedostatak: sklonost oksidaciji pri > 450 °CNužna je zaštita od oksidacije: modifikacija matrice dodavanjem različitih inhibitora oksidacije (B, Si, Zr i višeslojne keramičke prevlake).

NOVI MATERIJALI ZA VISOKE TEMPERATURE

TOPLINSKI UMOR ALATA

Toplinski umor površine na čepu udarne ploče alata za tlačno lijevanje aluminijskih članaka radijatora

Uslijed zagrijavanja i ohlađivanja (u toku radnog ciklusa) izložen visokim cikličkim promjenama temperature i toplinskim šokovima.

Mreža pukotina na površini alata.

Tokom rada povećava se broj pukotina i njihova dubina, pa alat nakon određenog vremena postaje neuporabiv, jer se odljevak teško izbacuje iz alata, te se deformira ili puca - više ne zadovoljava kvaliteta površine odljevka.

Nakon određenog broja ciklusa lijevanja nastale pukotine se sve više šire nakon čega dolazi do odlamanja dijelova kalupa.

FAKTORI OVISNI O ALATU

- kemijski sastav

- mikrostruktura alatnog čelika

- tvrdoća, granica tečenja i čvrstoća

- duktilnost - žilavost

- zaostala naprezanja

- modul elastičnosti

- toplinska rastezljivost

- toplinska vodljivost

- oblik i masa

- stanje površine

- sklonost oksidaciji

- vrsta postupka- brzina i tlak ulijevanja- učestalost ciklusa ulijevanja iohlađivanja

- ohlađivanje kalupa- predgrijavanje kalupa

- sastav- masa- gustoća- secifični topl. kapacitet- žilavost- toplinska vodljivost- toplinska rastezljivost- koeficijent prijelaza

topline- oksidacija- temperatura

Faktori ovisni o tehnologiji izrade

Faktori ovisni o ljevačkoj leguri

KOMPLEKSNI UVJETI RADA

VISOKE TEMPERATURE

MEHANIČKO OPTEREĆENJE

KEMIJSKO DJELOVANJE MEDIJA

TROŠENJE – ABRAZIJA, EROZIJA

-

-

- POSEBNI MATERIJALI ILI PREVLAKE