ニッケル基超合金 インコネル718の特徴
インコネル 718 - ニッケル基超合金の特性とは何ですか - 定義
インコネル 718 は、高強度特性と高温耐性を備えたニッケルベースの超合金です。 また、腐食や酸化に対する顕著な保護効果も示します。
超合金 - インコネル - タービンブレード 超合金または高性能合金は、高温で優れた強度と表面安定性を示す非鉄合金です。 より高い融点（ケルビン度での融点（T m ）、0.85 の最大 85%）で安全に動作する能力が、その重要な特性です。 通常、超合金は 540 度 (1000 度 F) を超える温度で使用されます。これは、通常の鋼やチタン合金はこれらの温度では強度が失われ、これらの温度では鋼の腐食も一般的であるためです。 高温において、超合金は機械的強度、熱クリープ変形に対する耐性、表面安定性、および腐食や酸化に対する耐性を維持します。 一部のニッケル基超合金は、合金の組成に応じて 1200 度を超える温度に耐えることができます。 超合金は通常、単結晶として鋳造され、粒界は強度を提供しますが、クリープ耐性を低下させます。
ニッケル基超合金
ニッケル基超合金は現在、先進的な航空機エンジンの重量の 50% 以上を占めています。 ニッケル基超合金には、固溶強化合金と時効硬化合金が含まれます。 時効硬化合金は、オーステナイト (fcc) マトリックス中に凝集析出した Ni の (Al,Ti) 金属間化合物が分散した fcc 構造で構成されています。 ニッケル基超合金は、主な合金元素としてニッケルを含む合金です。 前述の用途では、コバルトまたは鉄ベースの超合金よりも、ニッケルベースの超合金がブレード材料として好まれます。 ニッケル基超合金にとって重要なのは、高温での高強度、耐クリープ性、および耐食性です。 タービンブレードは通常、方向性凝固形態または単結晶形態で鋳造されます。 単結晶ブレードは主にタービン段の第 1 列に使用されます。
これらは元々、航空機のピストン エンジン ターボチャージャーで使用するために開発されました。 現在、最も一般的な用途は航空機タービン部品であり、厳しい酸化環境と高温に適切な期間耐える必要があります。 現在のアプリケーションには次のものが含まれます。
航空機用ガスタービン
蒸気タービン発電所
医療用途
宇宙船とロケットエンジン
熱処理装置
原子力発電所
ニッケルは、ジェット エンジンに使用されるニッケル、鉄ニッケル、コバルト合金のグループである超合金の基本元素です。 これらの金属は、熱クリープ変形に対する優れた耐性を備えており、他の航空宇宙構造材料よりもはるかに高い温度でも剛性、強度、靱性、寸法安定性を維持します。
インコネル718
一般に、インコネルは、オーステナイト系ニッケルクロムベースの超合金のファミリーに対する Special Metals の登録商標です。 インコネル 718 は、高強度特性と高温耐性を備えたニッケルベースの超合金です。 また、腐食や酸化に対する顕著な保護効果も示します。 インコネルの高温強度は、合金に応じて固溶強化または析出硬化によって増加します。 インコネル 718 は、55% のニッケル、21% のクロム、6% の鉄と少量のマンガン、炭素、銅で構成されています。
超合金の一般的な用途は、航空宇宙やその他のハイテク産業です。 この高温合金は、極度の熱に直面した場合の耐食性と材料強度を兼ね備えており、原子力産業で優れた性能を発揮します。 一部の原子力発電所では、原子炉の炉心、制御棒、および同様の部品にニッケル基超合金が使用されています。 原子力産業では、特に低コバルト超合金が使用されます（コバルト 59 が活性化する可能性があるため）。 上部ノズルや下部ノズルなど、核燃料集合体の一部の構造部品は、インコネルなどの超合金で作ることができます。 スペーサーグリッドは通常、熱中性子吸収断面積が小さい耐食性材料、通常はジルコニウム合金 (~0.18 × 10 -24 cm2) でできています。 最初と最後のスペーサー グリッドは、圧力と熱に耐える極限環境での使用に最適な超合金である低コバルト インコネルで作ることもできます。
熱クリープ
コールドフローとしても知られるクリープは、一定の荷重または応力下で時間の経過とともに増加する永久変形です。 これは、降伏限界につながる大きな外部機械的応力に長時間さらされることによって引き起こされ、長時間加熱された材料ではより深刻です。 変形率は、材料特性、曝露時間、曝露温度、加えられる構造荷重の関数です。 材料を高温で使用する場合、クリープは非常に重要な現象です。 クリープは電力業界では非常に重要であり、ジェット エンジンの設計でも最も重要です。 比較的寿命が短い多くのクリープ状況 (軍用機のタービンブレードなど) では、破断までの時間が設計上の主要な考慮事項です。 もちろん、それを判断するには、クリープ試験を破損点まで実行する必要があります。 これらはクリープ破断試験と呼ばれます。
材料の耐クリープ性は、拡散率、析出物、粒径などの多くの要因の影響を受けます。 金属クリープを防止するには、一般的に次の 3 つの方法が一般的です。 1 つは融点の高い金属を使用する方法、2 つ目はより大きな粒径の材料を使用する方法、3 つ目は合金化を使用する方法です。 体心立方晶 (BCC) 金属は、高温での耐クリープ性に劣ります。 その結果、Co、Ni、Fe をベースとした超合金、通常は面心立方晶オーステナイト合金は、高い耐クリープ性を備えて設計できるため、高温環境において理想的な材料となっています。
応力腐食割れ
最も深刻な冶金学的問題の 1 つであり、原子力産業における主な懸念事項の 1 つは応力腐食割れ (SCC) です。 応力腐食割れは、適用された引張応力と腐食環境の組み合わせの結果であり、その両方が必要です。 SCC は、引張応力の作用下で粒界で発生する粒界腐食の一種です。 低合金鋼は高合金鋼よりも影響を受けにくいですが、塩化物イオンを含む水中では SCC の影響を受けやすくなります。 ただし、ニッケル基合金は塩化物イオンや水酸化物イオンの影響を受けません。 応力腐食割れに強いニッケル基合金の例は、インコネルです。
高温合金の特性 – インコネル 718
材料特性は集中特性です。つまり、材料特性は質量に依存せず、システム内の場所によって常に変化する可能性があります。 材料科学の基礎には、材料の構造を研究し、それらをその特性 (機械的、電気的など) に関連付けることが含まれます。 材料科学者がこの構造と特性の相関関係を理解したら、特定の用途における材料の相対的な性能の研究に進むことができます。 材料の構造とその特性の主な決定要因は、その構成化学元素とそれが最終形態に加工される方法です。
高温合金の機械的特性 – インコネル 718
材料は、機械的特性の理想的な組み合わせを備えているため、さまざまな用途に選択されることがよくあります。 構造用途の場合、材料特性は重要であり、エンジニアは材料特性を考慮する必要があります。
超合金の強度 – インコネル 718
材料力学において、材料の強度とは、加えられた荷重に破損や塑性変形を起こすことなく耐えられる能力のことです。 材料の強度は、基本的に材料に加わる外部荷重と材料の変形や寸法変化との関係を考慮しています。 材料の強度は、破損や塑性変形を起こすことなく、この加えられた荷重に耐えられる能力です。
極限引張強さ
超合金インコネル 718 の極限引張強さは熱処理プロセスによって異なりますが、約 1200 MPa です。
極限引張強さは、工学的な応力-ひずみ曲線の最大値です。 これは、引張状態で構造物がサポートできる最大応力に相当します。 極限引張強さは、単に「引張強さ」または単に「極限」と呼ばれることもあります。 この応力が加えられたまま維持されると、破壊を引き起こす可能性があります。 通常、この値は降伏応力よりも大幅に高くなります (一部の種類の金属の降伏強度より 50 ～ 60 パーセント高い)。 延性材料が極限強度に達すると、断面積が局所的に減少する部分でネックダウンします。 応力-ひずみ曲線には、極限強度を超える応力は含まれません。 変形は増加し続ける可能性がありますが、通常、極限強度に達すると応力は減少します。 これは高密度のプロパティです。 したがって、その値は標本のサイズには依存しません。 ただし、試験片の準備、試験環境、材料の温度などの他の要因によって異なります。 極限引張強さは、アルミニウムの 50 MPa から超高張力鋼の最大 3000 MPa までの範囲に及びます。
降伏強さ
超合金インコネル 718 の降伏強度は熱処理プロセスによって異なりますが、約 1030 MPa です。
降伏点は、弾性挙動の限界と塑性挙動の開始を示す応力-ひずみ曲線上の点です。 降伏強度または降伏応力は、材料が塑性変形し始める応力として定義される材料特性であり、降伏点は非線形 (弾性 + 塑性) 変形が始まる点です。 降伏点の前では、材料は弾性変形し、加えられた応力が取り除かれると元の形状に戻ります。 降伏点を超えると、変形の一部は永久的で元に戻せなくなります。 一部の鋼およびその他の材料は、降伏点現象と呼ばれる挙動を示します。 降伏強さは、低強度アルミニウムの 35 MPa から超高張力鋼の 1400 MPa 以上までさまざまです。
ヤング弾性率
超合金インコネル 718 のヤング弾性率は 200 GPa です。
ヤング弾性率は、一軸変形の線形弾性状態における引張応力および圧縮応力下の弾性率であり、通常は引張試験によって評価されます。 極限応力に達すると、物体は荷重が取り除かれるとその寸法を取り戻すことができます。 加えられた応力により、結晶内の原子が平衡位置から移動します。 すべての原子は同じ量だけ移動しますが、相対的な幾何学形状は維持されます。 応力が除去されると、すべての原子は元の位置に戻り、永久変形は発生しません。 フックの法則によれば、応力は (弾性領域では) ひずみに比例し、傾きはヤング率です。 ヤング率は、縦方向の応力をひずみで割ったものに等しい。
超合金の硬度 – インコネル 718
超合金インコネル 718 のブリネル硬度は熱処理プロセスによって異なりますが、約 330 MPa です。
材料科学における硬度は、表面のへこみ (局所的な塑性変形) や引っかき傷に耐える能力です。 硬度は、引っかき傷、摩耗、圧痕に対する耐性、さらには成形や局所的な塑性変形に対する耐性を表す場合があるため、おそらく最も明確に定義されていない材料特性です。 工学的な観点から見ると、硬度が高くなると摩擦や蒸気、油、水による攻撃に対する耐摩耗性が一般に高まるため、硬度は重要です。
ブリネル硬さ試験は、硬さ試験用に開発された押し込み硬さ試験の1つです。 ブリネル試験では、硬い球状の圧子を特定の荷重下で試験対象の金属表面に押し込みます。 一般的な試験では、直径 10 mm (0.39 インチ) の硬化鋼球を圧子として使用し、力 3,000 kgf (29.42 kN; 6,614 ポンド) を加えます。 負荷は指定された時間 (10 秒から 30 秒の間) 一定のままになります。 柔らかい素材の場合は、力を弱めます。 より硬い材料の場合は、鋼球の代わりに炭化タングステン ボールを使用します。
この試験では、ブリネル硬度数 - HB として表される、材料の硬度を定量化するための数値結果が得られます。 ブリネル硬度値は、最も一般的に使用される試験規格 (ASTM E10-14[2] および ISO 6506–1:2005) によって HBW と指定されます (H は硬度、B はブリネル硬度、W は圧子材料のタングステン (タングステン）超硬物）。 以前の規格では、鋼製圧子を使用して行われた測定を指すために HB または HBS が使用されていました。
ブリネル硬度数 (HB) は、荷重をくぼみの表面積で割ったものです。 印象の直径は、スケールが重ねられた顕微鏡を使用して測定されます。 ブリネル硬度値は次の式で計算されます。
一般的に使用される試験方法がいくつかあります (ブリネル、ヌープ、ビッカース、ロックウェルなど)。 相関関係が適用できるさまざまな試験方法からの硬度値を相関させる利用可能な表があります。 すべてのスケールにおいて、高い硬度値は硬い金属を表します。
高温合金の熱特性 – インコネル 718
材料の熱特性とは、温度の変化と熱の適用に対する材料の応答を指します。 固体が熱の形でエネルギーを吸収すると、温度が上昇し、サイズが増加します。 しかし、材料が異なれば、加熱に対する反応も異なります。
熱容量、熱膨張、熱伝導率は、固体の実際の使用においてしばしば重要な特性です。
高温合金の融点 – インコネル 718
超合金の融点 – インコネル 718 鋼の融点は約 1400 度です。
一般に、融解とは、物質が固相から液相に相変化することです。 物質の融点は、この相変化が起こる温度です。 融点は、固体と液体が平衡状態で存在できる条件も定義します。
高温合金の熱伝導率 - インコネル 718
高温合金 - インコネル 718 の熱伝導率は 6.5 W/(mK) です。
固体材料の熱伝達特性は、熱伝導率 k (または λ) と呼ばれる特性によって測定され、単位は W/mK です。 これは、伝導を通じて物質を通して熱を伝達する物質の能力の尺度です。 フーリエの法則は、状態 (固体、液体、気体) に関係なくすべての物質に適用されるため、液体と気体にも適用されることに注意してください。
