Hợp kim gốc niken là loại hợp kim có độ bền cao và khả năng chống oxy hóa và ăn mòn nhất định ở nhiệt độ cao 650–1000oC. Dựa trên các đặc tính chính của chúng, hợp kim gốc niken có thể được chia nhỏ thành hợp kim gốc niken chịu nhiệt, hợp kim gốc niken chống ăn mòn, hợp kim gốc niken chịu mài mòn, hợp kim gốc niken chính xác và hợp kim gốc niken có bộ nhớ hình dạng. Hợp kim nhiệt độ cao được phân loại theo vật liệu ma trận của chúng thành hợp kim nhiệt độ cao gốc sắt, hợp kim nhiệt độ cao gốc niken và hợp kim nhiệt độ cao gốc coban. Hợp kim nhiệt độ cao gốc niken thường được gọi đơn giản là hợp kim gốc niken.
Nguồn gốc và phát triển
Việc nghiên cứu và phát triển hợp kim gốc niken bắt đầu vào cuối những năm 1930. Vương quốc Anh lần đầu tiên sản xuất Nimonic 75 (Ni-20Cr-0.4Ti) vào năm 1941. Để cải thiện độ bền rão, người ta đã thêm nhôm vào, tạo ra hợp kim gốc niken Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al). Hoa Kỳ vào giữa những năm 1940, Liên Xô vào cuối những năm 1940 và Trung Quốc vào giữa những năm 1950 cũng liên tiếp phát triển các hợp kim gốc niken. Sự phát triển của hợp kim dựa trên niken bao gồm hai khía cạnh: cải tiến thành phần hợp kim và đổi mới công nghệ sản xuất. Ví dụ, sự phát triển của công nghệ nấu chảy chân không vào đầu những năm 1950 đã tạo điều kiện để tinh chế các hợp kim gốc niken có hàm lượng nhôm và titan cao, cải thiện đáng kể độ bền và nhiệt độ hoạt động của chúng. Vào cuối những năm 1950, nhiệt độ hoạt động ngày càng tăng của các cánh tuabin đặt ra yêu cầu cao hơn về độ bền nhiệt độ cao của hợp kim. Tuy nhiên, độ bền cao khiến cho việc biến dạng trở nên khó khăn hoặc thậm chí không thể, dẫn đến sự phát triển của hàng loạt hợp kim đúc có độ bền nhiệt độ cao tốt bằng công nghệ đúc chính xác. Vào giữa những năm 1960, hiệu suất của hợp kim nhiệt độ cao đơn tinh thể và hóa rắn theo hướng, cũng như hợp kim nhiệt độ cao luyện kim bột, đã được cải thiện. Để đáp ứng nhu cầu của tua bin khí hàng hải và công nghiệp, kể từ những năm 1960, một loạt hợp kim gốc niken có hàm lượng crom cao có khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao tốt và cấu trúc vi mô ổn định đã được phát triển. Từ đầu những năm 1940 đến cuối những năm 1970, trong khoảng 40 năm, nhiệt độ hoạt động của hợp kim gốc niken đã tăng từ 700oC lên 1100oC, mức tăng trung bình khoảng 10oC mỗi năm. Ngày nay, nhiệt độ hoạt động của hợp kim gốc niken vượt quá 1100oC. Từ hợp kim Nimonic 75 đơn giản ban đầu đến hợp kim MA6000 được phát triển gần đây, có độ bền kéo 2220 MPa và giới hạn chảy 192 MPa ở 1100°C, độ bền rão của nó ở 1100°C/137 MPa là khoảng 1000 giờ, khiến nó phù hợp với các cánh động cơ máy bay.
Vai trò của các kim loại khác nhau trong hợp kim gốc niken
Đối với một hợp kim gốc niken cụ thể, có nhiều biến số tồn tại trong một môi trường cụ thể, bao gồm: nồng độ, nhiệt độ, độ thông gió, tốc độ dòng chất lỏng (khí), tạp chất, độ mài mòn và các điều kiện của quá trình tuần hoàn. Các biến này có thể dẫn đến các vấn đề ăn mòn khác nhau. Niken và các nguyên tố hợp kim khác có thể giải quyết những vấn đề này. Niken kim loại duy trì cấu trúc lập phương tâm mặt austenit trước khi đạt đến điểm nóng chảy. Điều này mang lại sự tự do cho quá trình chuyển đổi dẻo-giòn và giảm đáng kể các vấn đề trong sản xuất do sự cùng tồn tại của các kim loại khác. Trong trình tự điện hóa, niken trơ hơn sắt nhưng phản ứng mạnh hơn đồng. Do đó, trong môi trường khử, niken có khả năng chống ăn mòn cao hơn sắt nhưng kém ăn mòn hơn đồng. Thêm crom vào niken sẽ tạo ra khả năng chống oxy hóa cho hợp kim, tạo ra nhiều loại hợp kim có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời trong cả môi trường khử và oxy hóa. So với thép không gỉ và các hợp kim gốc sắt khác, hợp kim gốc niken có thể chứa nhiều loại nguyên tố hợp kim hơn ở trạng thái dung dịch rắn trong khi vẫn duy trì độ ổn định luyện kim tốt. Những đặc tính này cho phép bổ sung các nguyên tố hợp kim khác nhau vào hợp kim gốc niken, cho phép ứng dụng rộng rãi của chúng trong nhiều môi trường ăn mòn.
Các nguyên tố phổ biến trong hợp kim gốc niken bao gồm:
Niken (Ni): Mang lại sự ổn định trong luyện kim, cải thiện độ ổn định nhiệt và khả năng hàn, tăng cường khả năng chống axit khử và xút, đồng thời cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn do ứng suất, đặc biệt là trong môi trường clorua và xút.
Crom (Cr): Cải thiện khả năng chống oxy hóa, chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, chống sunfua hóa và chống ăn mòn rỗ và kẽ hở.
Molypden (Mo): Cải thiện khả năng chống ăn mòn axit, tăng cường khả năng chống ăn mòn rỗ và kẽ hở trong dung dịch nước chứa clorua và tăng độ bền nhiệt độ cao.
Sắt (Fe): Cải thiện khả năng chống thấm cacbon ở nhiệt độ cao, giảm chi phí hợp kim và kiểm soát sự giãn nở nhiệt. Đồng (Cu): Cải thiện khả năng chống lại sự ăn mòn của axit (đặc biệt là axit sunfuric).
