تعد توربينات الغاز من بين التطبيقات الأكثر تطلبًا في الهندسة الميكانيكية ، والمواد التي تخضع لدرجات حرارة متطرفة ، وقوى الطرد المركزي المرتفع ، والأكسدة ، وركوب الدراجات الحرارية. في هذا الإعداد ، التعب الحراري- التوسع المتكرر وتقلص المواد بسبب درجات الحرارة المتقلبة - هو واحد من أكثر أوضاع الفشل أهمية.

Nimonic 90، وهو Superalloy الذي يعتمد على النيكل الذي قدمه Henry Wiggin & Co. ، أحد أكثر المواد الراسخة المستخدمة لمكونات مثل مكونات مثل شفرات التوربينات عالية الضغط ، أقراص ، وأجزاء نظام الاحتراق. إنه يوفر توازنًا فريدًا من مقاومة الزحف ومقاومة الأكسدة وقوة درجات الحرارة العالية ومقاومة التعب.

يستكشف هذا المقال الميزات المجهرية وآليات التعزيز وسلوك مقاومة التعب من Nimonic 90 ، مع التركيز على استخدامه في بيئات التعب الحرارية مثل شفرات التوربينات الغازية.

---

تكوين السبائك وتعزيز المراحل

يتم اشتقاق قوة Nimonic 90 من تكوين ضبطها بعناية:

عنصر	المحتوى (بالوزن)
النيكل (ني)	~57%
الكروم (CR)	~19.5%
الكوبالت (CO)	~18%
التيتانيوم (TI)	~2.5%
الألومنيوم (AL)	~1.5%
الكربون (ج)	~0.1%
الحديد ، ZR ، MN ، SI	كميات التتبع

آليات التعزيز الأساسية هي:

• γ ′ المرحلة (NI₃ (AL ، TI)): هذا الترسب المتماسك والمرتب داخل مصفوفة FCC هو المصدر الرئيسي لتقوية هطول الأمطار ، مما يعوق حركة الخلع.

• حل الصلبة تعزيز: الكوبالت والكروم يعزز مقاومة المحلول الصلبة وتحمل الأكسدة.

• هطول الأمطار كربيد (MC و M23C6): تقع في حدود الحبوب ، وهي تعمل على تحسين مقاومة الزحف والتعب الحراري عن طريق ترسيخ حدود الحبوب.

يوفر هذا التوازن Nimonic 90 مع استقرار ممتاز في درجات حرارة تصل إلى 925 درجة مئوية، مناسبة للأجزاء الدوارة عالية الحرارة.

---

طبيعة التعب الحراري في تطبيقات التوربينات

التعب الحراري متميز عن التعب التقليدي:

• يحدث بدون تحميل دوري ميكانيكي.

• إنه مدفوع بواسطة التدرجات الحرارية والضغوط الدورية بسبب التوسع غير المتكافئ والانكماش.

• عادة ما تبدأ الشقوق على الأسطح أو حدود الحبوب ، وغالبًا ما تبدأ كحفر بمساعدة الأكسدة أو الردود الدقيقة.

غالبًا ما تدور توربينات الغاز بين بدء التشغيل (المحيط) والحمل الكامل (850-950 درجة مئوية) ، وأحيانًا عدة مرات في اليوم. هؤلاء الضغوط الحرارية الدورية بدء الأضرار التي تتراكم أكثر من مئات أو آلاف الدورات.

في مثل هذه البيئات ، يجب أن تمتلك المادة:

• عدم تطابق التمدد الحراري المنخفض لتقليل الضغوط الداخلية.

• استقرار مرحلة عالية تحت التسخين الدوري.

• مقاومة الأكسدة لمنع بدء صدع السطح.

• سلامة حدود الحبوب لمقاومة انتشار الكراك بين الحبيبية.

---

المعالجة الحرارية والتحكم في البنية المجهرية

يتم معالجة مكونات Nimonic 90 لتحسين توزيع γ ′ المترسع. يتضمن الإجراء القياسي:

1. الحل الصلب في ~ 1080 درجة مئوية: يذوب الرواسب الموجودة ، يتجانس المصفوفة.

2. علاج شيخوخة في ~ 700-800 درجة مئوية: يعزز هطول الأمطار التي يتم التحكم فيها من جزيئات ناعمة.

γ ′ الحجم والتوزيع:

• الحجم المثالي: ~ 30-60 نانومتر.

• توزيع موحد داخل الحبوب يؤخر حركة الخلع.

• يؤدي الخشنة γ ′ (> 100 نانومتر) إلى مناطق ناعمة محلية تحت ركوب الدراجات.

هندسة حدود الحبوب هو أيضا مفتاح:

• تسيطر على المتداول والصلصة إنشاء الحبوب المعادلة مع الحد الأدنى من الملمس.

• تمنع شبكات كربيد (M23C6) حدود الحبوب التي تنزلق تحت الإجهاد الدوري.

---

أداء مقاومة التعب الحراري

تُظهر البيانات التجريبية لحياة التعب الحراري لـ Nimonic 90 أداءً قويًا في ظل ظروف نموذجية:

درجة الحرارة. المدى (° C)	عدد دورات الفشل (L₅₀ ٪)
200-850 درجة مئوية	~ 12000 دورة
100-900 درجة مئوية	~ 7500 دورة
20-950 درجة مئوية	~ 5000 دورة

عادة ما تبدأ تشققات التعب الحراري microcracks transgranular التي وردت بها السطح، ولكن في المناطق ذات الضغط العالي (على سبيل المثال ، جذور الشفرة) ، كسر بين الحبيبية يصبح أكثر هيمنة. إن وجود كربيد مستقر عند حدود الحبوب يؤخر هذه العملية.

في محركات التوربينات ، وخاصة التوربينات المشتركة الهوائية يستخدم في توليد الطاقة والدفع البحري ، ويترجم أداء التعب العالي للدورة لـ Nimonic 90 مباشرة إلى فترات أطول بين عمليات التفتيش والإصلاحات.

---

استخدم في تصميم شفرة التوربين

يجب أن ينظر تصميم شفرة التوربينات الحديثة ليس فقط خصائص المواد ولكن الهندسة, تصميم التبريد، و العلاجات السطحية. تلبي Nimonic 90 تحديات التصميم هذه من خلال التمكين:

• المسبوكات الرقيقة أو المطروق مع استقرار أبعاد عالية.

• تكامل قناة التبريد الداخلي مع الحد الأدنى من التشويه الحراري.

• تسديدة لقطة و LSP (صدمة الليزر) التوافق لتحسين مقاومة التعب.

على سبيل المثال، شفرات التوربينات المرحلة الأولى في العديد من المحركات النفاثة القديمة ، مثل Rolls-Royce Spey أو GE CF6 ، استخدمت بنجاح Nimonic 90 بسبب أدائها والقابلية للآلات-ميزة رئيسية على سبائك البلورة أحادية المتقدمة في التطبيقات الحساسة للتكلفة.

---

التقدم في المعالجة: مسحوق المعادن والتصنيع المضافة

تهدف التطورات الحديثة إلى تحسين البنية المجهرية وتعزيز أداء التعب:

أ. مسحوق المعادن (PM)

• PM Nimonic 90 يظهر الحبوب الدقيقة والأكثر اتساقا.

• المسامية السفلية تعمل على تحسين حياة التعب بنسبة 20-40 ٪.

• أفضل السيطرة على حدود الحبوب.

ب. التصنيع المضافة (AM)

على الرغم من أن AM من السبائك المقوية γ′ ، تشكل تحديًا بسبب التكسير والفصل ، إلا أن الأساليب الجديدة ناشئة:

• بناء Nimonic 90 مقرها EBM حققت أداء التعب شبه المربى بعد الضغط الساخن (الورك).

• مصمم ملامح معالجة الحرارة تحسين التوزيع γ ′ في الأجزاء المبنية.

هذه الطرق تمكن من تصنيع هندسة التوربينات المعقدة، مثل شفرات السمك المتغيرة وتكوينات التبريد متعددة القنوات.

---

الأكسدة والآثار البيئية

في درجات حرارة عالية ، يمكن للأكسدة والتآكل الساخن إضعاف أداء التعب. Nimonic 90 يؤدي أداءً جيدًا بسبب:

• الكروم والألومنيوم توفير فيلم أكسيد مستقر.

• محتوى الكبريت المنخفض تقليل مخاطر التآكل الداخلي.

ومع ذلك ، في البيئات مع na₂so₄ + v₂o₅ الملوثات (على سبيل المثال ، توربينات الغاز التي تحرق الوقود الثقيل) ، يصبح التآكل الساخن أمرًا بالغ الأهمية. تشمل الحلول:

• الطلاء الواقي (على سبيل المثال ، mcRaly أو الألومنييد).

• العلاجات السطحية (على سبيل المثال ، الكروم ، boriding).

---

القيود والمقارنة مع السبائك الأخرى

في حين أن Nimonic 90 تقدم نسبة قوية من الأداء إلى التكلفة ، إلا أنها تحتوي على قيود:

ملكية	Nimonic 90	رينيه 80	Inconel 738	MAR-M247
Max Service Temp (° C)	~950	~1050	~1025	~1150
بلورة واحدة؟	لا	لا	لا	نعم
حياة التعب الحراري	عالي	عالية جدا	عالية جدا	استثنائية
قابلية المعالجة	عالي	معتدل	قليل	قليل
يكلف	معتدل	عالي	عالي	عالية جدا

وهكذا ، في تطبيقات حساسة التكلفة (على سبيل المثال ، توربينات تجارية ، محركات بحرية) ، لا يزال Nimonic 90 خيارًا مفضلاً على سبائك أحادية الكريستال أو DS.

---

Nimonic 90 هي سبيكة مثبتة وعالية الأداء لا تزال تلعب دورًا حيويًا في تصميم وتشغيل المكونات المعرضة للإرهاق الحراري ، وخاصة شفرات التوربينات الغازية. من خلال هطول الأمطار المحسن ، وتعزيز حدود الحبوب ، ومقاومة الأكسدة ، فإنه يلبي المتطلبات متعددة الأوجه للتعب الحراري في البيئات المعقدة.

مع تطور تقنيات التوربينات ، تظل Nimonic 90 ذات صلة كبيرة بسبب تصنيع سهولة, مقاومة التعب الممتازة، و توازن التكلفة الأداء. من خلال تحسينات من المعادن المسحوق والتصنيع الإضافي ، يتم إعادة استخدامه الآن لأجهزة التوربينات من الجيل التالي ، مما يجعلها لا مادة قديمة ، ولكنها تطلعية.