Que sont les alliages à base de nickel ? Lisez cet article pour tout comprendre !
L'alliage à base de nickel fait référence à un type d'alliage qui possède des propriétés complètes telles qu'une résistance élevée et une certaine résistance à l'oxydation et à la corrosion à des températures élevées de 650 à 1 000 degrés.
Selon les propriétés principales, ils sont divisés en alliages résistants à la chaleur à base de nickel, alliages résistants à la corrosion à base de nickel, alliages résistants à l'usure à base de nickel, alliages de précision à base de nickel et alliages à mémoire de forme à base de nickel.
Les alliages haute température sont divisés en alliages haute température à base de fer, alliages haute température à base de nickel et alliages haute température à base de cobalt selon différents substrats. Parmi eux, les alliages haute température à base de nickel sont appelés alliages à base de nickel.
Les matériaux représentatifs des alliages à base de nickel comprennent :
1. Alliage Incoloy, tel que Incoloy800, le composant principal est ; 32Ni-21Cr-Ti, Al ; c'est un alliage résistant à la chaleur ;
2. Alliage Inconel, tel que Inconel600, le composant principal est ; 73Ni-15Cr-Ti, Al ; c'est un alliage résistant à la chaleur ;
3. Alliage Hastelloy, tel que Hastelloy C-276, le composant principal est ; 56Ni-16Cr-16Mo-4W ; c'est un alliage résistant à la corrosion ;
4. Alliage Monel, c'est-à-dire alliage Monel, tel que Monel 400, le composant principal est ; 65Ni-34Cu ; c'est un alliage résistant à la corrosion ;
Principaux éléments d'alliage
Les principaux éléments d'alliage sont le chrome, le tungstène, le molybdène, le cobalt, l'aluminium, le titane, le bore, le zirconium, etc. Parmi eux, Cr, Ai, etc. jouent principalement le rôle d'antioxydant, et d'autres éléments ont un renforcement en solution solide, un renforcement par précipitation et renforcement des joints de grains.
Il présente une résistance élevée et une certaine résistance à l'oxydation et à la corrosion à des températures élevées de 650 à 1 000 degrés. En raison de sa résistance à haute température et de sa résistance à l'oxydation et à la corrosion, il est souvent utilisé dans la fabrication d'aubes de moteurs d'avion, de moteurs de fusée, de réacteurs nucléaires et d'équipements de conversion d'énergie. Pièces à haute température.
Histoire du développement
Les alliages haute température à base de nickel (ci-après dénommés alliages à base de nickel) ont été développés à la fin des années 1930. Le Royaume-Uni a produit pour la première fois l'alliage à base de nickel Nimonic 75 (Ni-20Cr-0.4Ti) en 1941 ; afin d'améliorer la résistance au fluage, de l'aluminium a été ajouté pour développer le Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al). Les États-Unis au milieu-1940, l'Union soviétique à la fin des années 1940 et la Chine au milieu-1950 ont également développé des alliages à base de nickel. Le développement d'alliages à base de nickel comprend deux aspects : l'amélioration de la composition des alliages et l'innovation des procédés de production. Au début des années 1950, le développement de la technologie de fusion sous vide a créé les conditions nécessaires au raffinage des alliages à base de nickel à haute teneur en aluminium et en titane. La plupart des premiers alliages à base de nickel étaient des alliages déformés. À la fin des années 1950, en raison de l’augmentation de la température de fonctionnement des aubes de turbine, l’alliage devait avoir une résistance à haute température plus élevée. Cependant, lorsque la résistance de l’alliage était élevée, il serait difficile, voire impossible, de le déformer. Par conséquent, la technologie du moulage de précision a été utilisée pour développer une série d’alliages offrant de bonnes performances. Alliage de moulage résistant aux hautes températures. Au milieu des années , la cristallisation directionnelle, les superalliages monocristaux et les superalliages de métallurgie des poudres dotés de meilleures propriétés ont été développés. Afin de répondre aux besoins des navires et des turbines à gaz industrielles, un certain nombre d'alliages à base de nickel à haute teneur en chrome présentant une bonne résistance à la corrosion à chaud et une structure stable ont été développés depuis les années 1960. En 40 ans environ, du début des années 40 à la fin des années 70, la température de fonctionnement des alliages à base de nickel est passée de 700 degrés à 1 100 degrés, avec une augmentation moyenne d'environ 10 degrés par an.
Ingrédients et propriétés
Les superalliages à base de nickel sont les plus utilisés. Les principales raisons sont que premièrement, les alliages à base de nickel peuvent dissoudre davantage d’éléments d’alliage et maintenir une meilleure stabilité structurelle ; deuxièmement, ils peuvent former des composés intermétalliques de type A3B cohérents et ordonnés [Ni3(Al, Ti)] En tant que phase de renforcement, l'alliage peut être efficacement renforcé et obtenir une résistance à haute température plus élevée que les superalliages à base de fer et les superalliages à base de cobalt ; troisièmement, les alliages à base de nickel contenant du chrome présentent de meilleures propriétés d'oxydation et de résistance que les superalliages à base de fer. Capacité de corrosion des gaz. Les alliages à base de nickel contiennent plus de dix éléments, parmi lesquels Cr joue principalement un rôle anti-oxydant et anti-corrosion, et d'autres éléments jouent principalement un rôle de renforcement. Selon leur mode de renforcement, ils peuvent être divisés en : éléments de renforcement en solution solide, tels que le tungstène, le molybdène, le cobalt, le chrome et le vanadium ; des éléments renforçant les précipitations, tels que l'aluminium, le titane, le niobium et le tantale ; éléments de renforcement des joints de grains, tels que le bore, le zirconium, le magnésium et les terres rares, etc.
Les alliages à haute température à base de nickel comprennent les alliages renforcés par une solution solide et les alliages renforcés par précipitation selon leurs méthodes de renforcement.
Processus de production
En termes de fusion : afin d'obtenir un acier fondu plus pur, réduire la teneur en gaz et la teneur en éléments nocifs ; dans le même temps, en raison de la présence d'éléments facilement oxydables tels que Al, Ti, etc. dans certains alliages, la fusion sans vide est difficile à contrôler ; et afin d'obtenir une meilleure thermoplasticité, les alliages résistants à la chaleur à base de nickel sont généralement fondus par des fours à induction sous vide, ou même produits par fusion par induction sous vide plus fours consommables sous vide ou méthodes de refusion au four à laitier électrique.
En termes de déformation : les procédés de forgeage et de laminage sont adoptés. Pour les alliages à faible thermoplasticité, on utilise même des procédés d'extrusion puis de laminage ou d'extrusion directe avec un revêtement en acier doux (ou en acier inoxydable). Le but de la déformation est de briser la structure de coulée et d'optimiser la microstructure.
Coulée : un four à induction sous vide est généralement utilisé pour fondre l'alliage principal afin de garantir la composition et de contrôler la teneur en gaz et en impuretés, et les pièces sont fabriquées à l'aide d'un moulage de précision par refusion sous vide.
Traitement thermique : les alliages déformés et certains alliages moulés nécessitent un traitement thermique, notamment un traitement en solution, un traitement intermédiaire et un traitement de vieillissement. En prenant l'alliage Udmet 500 comme exemple, son système de traitement thermique est divisé en quatre étapes : traitement en solution, 1 175 degrés, 2 heures, refroidissement par air ; traitement intermédiaire, 1080 degrés, 4 heures, refroidissement par air ; traitement de vieillissement primaire, 843 degrés, 24 heures, refroidissement par air ; traitement de vieillissement secondaire, 760 degrés, 16 heures, refroidissement par air. Afin d’obtenir le statut organisationnel requis et une bonne performance globale.
Alliage résistant à la corrosion à base de nickel
Les principaux éléments d'alliage sont le cuivre, le chrome et le molybdène. Il a de bonnes performances globales et peut résister à diverses corrosions acides et corrosions sous contrainte. La première application (produite aux États-Unis en 1905) était l'alliage nickel-cuivre (Ni-Cu), également connu sous le nom d'alliage Monel (alliage Monel Ni 70 Cu30) ; en outre, il existe un alliage nickel-chrome (Ni-Cr) (c'est-à-dire un alliage résistant à la chaleur à base de nickel, des alliages résistants à la corrosion à chaud parmi les alliages résistants à la corrosion), des alliages nickel-molybdène (Ni-Mo) (se réfère principalement à la série Hastelloy B, les fabricants nationaux d'alliages professionnels résistants à la corrosion comprennent l'Institut de recherche sur le fer et l'acier de Pékin, les sociétés Shanghai Kangsheng Special Alloy Co., Ltd., Beijing Rongpin Technology Co., Ltd., Baoti Group Rare Metal Materials Co., Ltd. , etc.), alliage nickel-chrome-molybdène (Ni-Cr-Mo) (se réfère principalement à la série Hastelloy C, les fabricants nationaux d'alliages professionnels résistants à la corrosion comprennent l'Institut de recherche sur le fer et l'acier de Pékin, Beijing Rongpin Technology Co., Ltd., Baoti Group Rare Metal Materials Co., Ltd., etc.). Dans le même temps, le nickel pur est également un représentant typique des alliages résistants à la corrosion à base de nickel. Ces alliages résistants à la corrosion à base de nickel sont principalement utilisés pour fabriquer des pièces destinées à divers environnements résistants à la corrosion tels que le pétrole, l'industrie chimique, l'énergie électrique, etc.
Catégorie Les alliages résistants à la corrosion à base de nickel ont pour la plupart une structure austénitique. À l'état de solution solide et de traitement de vieillissement, il existe des phases intermétalliques et des carbonitrures métalliques sur la matrice austénitique et les joints de grains de l'alliage. Différents alliages résistant à la corrosion sont classés selon leur composition et leurs caractéristiques sont les suivantes :
La résistance à la corrosion de l'alliage Ni-Cu est meilleure que celle du nickel dans les milieux réducteurs, et sa résistance à la corrosion est meilleure que celle du cuivre dans les milieux oxydants. Il résiste au fluor gazeux à haute température, au fluorure d'hydrogène et au fluorure d'hydrogène en l'absence d'oxygène et d'oxydant. Le meilleur matériau pour les acides (voir Corrosion des métaux).
L'alliage Ni-Cr est un alliage résistant à la chaleur à base de nickel ; il est principalement utilisé dans des conditions de milieux oxydants. Résistant à l'oxydation à haute température et à la corrosion causée par les gaz contenant du soufre, du vanadium et d'autres gaz, sa résistance à la corrosion augmente avec l'augmentation de la teneur en chrome. Ce type d'alliage présente également une bonne résistance à la corrosion des hydroxydes (tels que NaOH, KOH) et à la corrosion sous contrainte.
L'alliage Ni-Mo est principalement utilisé dans des conditions de réduction de la corrosion moyenne. C'est le meilleur alliage pour résister à la corrosion par l'acide chlorhydrique, mais en présence d'oxygène et d'oxydants, la résistance à la corrosion diminuera considérablement.
L'alliage Ni-Cr-Mo(W) possède les propriétés de l'alliage Ni-Cr et de l'alliage Ni-Mo mentionnés ci-dessus. Principalement utilisé dans des conditions de milieux mixtes d’oxydo-réduction. Ce type d'alliage présente une bonne résistance à la corrosion dans le fluorure d'hydrogène gazeux à haute température, dans les solutions d'acide chlorhydrique et d'acide fluorhydrique contenant de l'oxygène et des oxydants, et dans le chlore gazeux humide à température ambiante.
L'alliage Ni-Cr-Mo-Cu est résistant à la corrosion par l'acide nitrique et l'acide sulfurique, et présente également une bonne résistance à la corrosion dans certains acides mixtes d'oxydo-réduction.
Alliage résistant à l'usure à base de nickel
Les principaux éléments d'alliage sont le chrome, le molybdène et le tungstène, et contiennent également de petites quantités de niobium, de tantale et d'indium. En plus de sa résistance à l’usure, il possède également de bonnes propriétés anti-oxydation, de résistance à la corrosion et de soudage. Il peut être utilisé pour fabriquer des pièces résistantes à l'usure et peut également être utilisé comme matériau de revêtement pour recouvrir la surface d'autres matériaux de base par le biais de processus de surfaçage et de pulvérisation.
Les poudres d'alliage à base de nickel comprennent la poudre d'alliage auto-fondant et la poudre d'alliage non auto-fondant.
La poudre à base de nickel non auto-fondante fait référence à une poudre d'alliage à base de nickel qui ne contient pas de B, de Si ou qui a une faible teneur en B et Si. Ce type de poudre est largement utilisé dans les revêtements par pulvérisation à l'arc plasma, les revêtements par pulvérisation à la flamme et le renforcement des surfaces au plasma. Inclut principalement : poudre d'alliage Ni-Cr, poudre d'alliage Ni-Cr-Mo, poudre d'alliage Ni-Cr-Fe, poudre d'alliage Ni-Cu, poudre d'alliage Ni-P et Ni-Cr-P, Ni-Cr-Mo-Fe Poudre d'alliage, poudre d'alliage Ni-Cr-Mo-Si à haute résistance à l'usure, poudre d'alliage Ni-Cr-Fe-Al, poudre d'alliage Ni-Cr-Fe-Al-B-Si, poudre d'alliage Ni-Cr-Si, Ni -Poudre d'alliage à base de Cr-W résistante à l'usure et à la corrosion, etc.
L'ajout de quantités appropriées de B et de Si à la poudre d'alliage de nickel forme une poudre d'alliage auto-fondant à base de nickel. La poudre d'alliage dite auto-fondante, également connue sous le nom d'alliage eutectique et d'alliage de rechargement dur, est une série de poudres formées en ajoutant des éléments d'alliage (principalement du bore et du silicium) qui peuvent former des eutectiques à bas point de fusion avec le nickel, le cobalt et le fer. -alliages à base. Matériel. Les poudres d'alliage auto-fondantes à base de nickel couramment utilisées comprennent la poudre d'alliage Ni-B-Si, la poudre d'alliage Ni-Cr-B-Si, Ni-Cr-B-Si-Mo, Ni-Cr-B-Si-Mo-Cu. , Poudre d'alliage auto-fondant à base de nickel à haute teneur en molybdène, poudre d'alliage auto-fondant à base de nickel et de molybdène à haute teneur en chrome, poudre d'alliage auto-fondant à base de Ni-Cr-WC, poudre d'alliage auto-fondant à haute teneur en cuivre, dispersion de carbure de tungstène nickel- poudre d'alliage auto-fondante à base de poudre d'alliage, etc.
Le rôle de divers éléments dans les alliages :
●Le rôle des éléments de bore et de silicium : abaisser considérablement le point de fusion de l'alliage, élargir la zone de température solide-liquidus et former un eutectique à bas point de fusion ; avoir des fonctions de réduction de la désoxydation et de scorification ; durcir et renforcer le revêtement ; améliorer les performances des processus opérationnels.
●Le rôle de l'élément cuivre : améliorer la résistance à la corrosion aux acides non oxydants.
●Le rôle de l'élément chrome : renforcement et passivation de la solution solide ; améliorer la résistance à la corrosion et la résistance à l'oxydation à haute température ; l'excès de chrome forme facilement des phases dures de carbure de chrome et de borure de chrome avec du carbone et du bore pour améliorer la dureté de l'alliage et la résistance à l'usure.
●Le rôle de l'élément molybdène : son grand rayon atomique provoque une grande distorsion du réseau cristallin après une solution solide, renforce considérablement la matrice en alliage, améliore la résistance à haute température et la dureté rouge de la matrice ; peut couper et réduire la structure du réseau dans le revêtement ; améliore la résistance aux gaz. Capacités de corrosion et d'érosion des alliages de précision à base de nickel.
Y compris l'alliage magnétique doux à base de nickel, l'alliage de résistance de précision à base de nickel et l'alliage électrothermique à base de nickel, etc. L'alliage magnétique doux le plus couramment utilisé est le Permalloy, qui contient environ 80 % de nickel. Il a une perméabilité magnétique maximale élevée, une perméabilité magnétique initiale et une faible force coercitive. Il s'agit d'un matériau de noyau de fer important dans l'industrie électronique. Les principaux éléments d'alliage de l'alliage de résistance de précision à base de nickel sont le chrome, l'aluminium et le cuivre. Cet alliage a une résistivité élevée, un coefficient de résistivité à basse température et une bonne résistance à la corrosion, et est utilisé pour fabriquer des résistances. L'alliage chauffant électrique à base de nickel est un alliage de nickel contenant 20 % de chrome. Il possède de bonnes propriétés antioxydantes et anticorrosion et peut être utilisé pendant longtemps à des températures de 1 000 à 1 100 degrés.
Alliage à mémoire de forme à base de nickel
Alliage de nickel contenant 50(at)% de titane. Sa température de récupération est de 70 degrés et son effet mémoire de forme est bon. Un petit changement dans la proportion de composants nickel-titane peut modifier la température de récupération dans la plage de 30 à 100 degrés. Il est principalement utilisé pour fabriquer des pièces structurelles à ouverture automatique utilisées dans les engins spatiaux, des attaches auto-excitantes utilisées dans l'industrie aérospatiale, des moteurs cardiaques artificiels utilisés en biomédecine, etc.
