โลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักเป็นโลหะผสมประเภทหนึ่งที่มีความแข็งแรงสูงและทนทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงถึง 650–1,000°C ตามคุณสมบัติหลัก โลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบหลักสามารถแบ่งย่อยเพิ่มเติมได้เป็นโลหะผสมที่มีนิกเกิลทนความร้อน โลหะผสมที่มีนิกเกิลที่ทนต่อการกัดกร่อน โลหะผสมที่มีนิกเกิลที่ทนต่อการสึกหรอ โลหะผสมที่มีนิกเกิลที่มีความแม่นยำ และโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นหน่วยความจำรูปร่าง โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงจัดตามวัสดุเมทริกซ์เป็นโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงเป็นเหล็ก โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงเป็นนิกเกิล และโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงเป็นโคบอลต์ โลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักมักเรียกง่ายๆ ว่าโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก
แหล่งกำเนิดและการพัฒนา
การวิจัยและพัฒนาโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักเริ่มขึ้นในปลายทศวรรษที่ 1930 สหราชอาณาจักรผลิต Nimonic 75 (Ni-20Cr-0.4Ti) เป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2484 เพื่อปรับปรุงความแข็งแรงของการคืบ จึงมีการเติมอลูมิเนียม ส่งผลให้โลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al) สหรัฐอเมริกาในช่วงกลางทศวรรษ 1940 สหภาพโซเวียตในช่วงปลายทศวรรษ 1940 และจีนในช่วงกลางทศวรรษ 1950 ยังได้พัฒนาโลหะผสมที่ใช้นิกเกิลอย่างต่อเนื่อง การพัฒนาโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบสองประการ ได้แก่ การปรับปรุงองค์ประกอบของโลหะผสมและนวัตกรรมในเทคโนโลยีการผลิต ตัวอย่างเช่น การพัฒนาเทคโนโลยีการหลอมแบบสุญญากาศในช่วงต้นทศวรรษ 1950 ได้สร้างเงื่อนไขในการทำให้โลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นหลักบริสุทธิ์ซึ่งมีปริมาณอะลูมิเนียมและไทเทเนียมสูง ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งและอุณหภูมิในการทำงานได้อย่างมาก ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 อุณหภูมิการทำงานของใบพัดกังหันที่เพิ่มขึ้นทำให้ความต้องการความแข็งแกร่งที่อุณหภูมิสูงของโลหะผสมเพิ่มมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ความแข็งแรงสูงทำให้การเสียรูปทำได้ยากหรือเป็นไปไม่ได้เลย นำไปสู่การพัฒนาชุดโลหะผสมการหล่อที่มีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงที่ดีโดยใช้เทคโนโลยีการหล่อที่มีความแม่นยำ ในช่วงกลางทศวรรษ 1960 ประสิทธิภาพของโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงแบบแข็งตัวในทิศทางและแบบผลึกเดี่ยว รวมถึงโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงแบบผงโลหะได้รับการปรับปรุง เพื่อตอบสนองความต้องการของกังหันก๊าซทางทะเลและอุตสาหกรรม นับตั้งแต่ทศวรรษ 1960 เป็นต้นมา ชุดโลหะผสมที่มีโครเมียมสูงซึ่งมีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักซึ่งมีความต้านทานการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงได้ดี และโครงสร้างจุลภาคที่มีความเสถียรจึงได้รับการพัฒนา ตั้งแต่ต้นทศวรรษที่ 1940 ถึงปลายทศวรรษ 1970 เป็นเวลาประมาณ 40 ปี อุณหภูมิในการทำงานของโลหะผสมที่มีนิกเกิลเพิ่มขึ้นจาก 700°C เป็น 1100°C ซึ่งเพิ่มขึ้นโดยเฉลี่ยประมาณ 10°C ต่อปี ปัจจุบัน อุณหภูมิในการทำงานของโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักเกิน 1100°C ตั้งแต่โลหะผสม Nimonic 75 แบบเรียบง่ายเริ่มแรกไปจนถึงโลหะผสม MA6000 ที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งมีความต้านทานแรงดึง 2220 MPa และความแข็งแรงครากที่ 192 MPa ที่ 1100°C ความต้านทานการคืบที่ 1100°C/137 MPa อยู่ที่ประมาณ 1,000 ชั่วโมง ทำให้เหมาะสำหรับใบมีดของเครื่องยนต์อากาศยาน
บทบาทของโลหะชนิดต่างๆ ในโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นหลัก
สำหรับโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบเฉพาะ มีตัวแปรมากมายในสภาพแวดล้อมเฉพาะ รวมถึง: ความเข้มข้น อุณหภูมิ การระบายอากาศ อัตราการไหลของของเหลว (ก๊าซ) สิ่งเจือปน การสึกหรอ และสภาวะกระบวนการหมุนเวียน ตัวแปรเหล่านี้สามารถนำไปสู่ปัญหาการกัดกร่อนต่างๆ ได้ นิกเกิลและองค์ประกอบโลหะผสมอื่นๆ สามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้ นิกเกิลเมทัลลิกรักษาโครงสร้างลูกบาศก์ออสเทนนิติกที่มีใบหน้าเป็นศูนย์กลางก่อนที่จะถึงจุดหลอมเหลว ซึ่งให้อิสระในการเปลี่ยนผ่านแบบเหนียว-เปราะ และลดปัญหาการผลิตที่เกิดจากการอยู่ร่วมกันของโลหะอื่นๆ ได้อย่างมาก ในลำดับเคมีไฟฟ้า นิกเกิลมีความเฉื่อยมากกว่าเหล็ก แต่มีปฏิกิริยามากกว่าทองแดง ดังนั้น ในการลดสภาพแวดล้อม นิกเกิลจึงมีความทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าเหล็ก แต่ทนต่อการกัดกร่อนได้น้อยกว่าทองแดง การเติมโครเมียมลงในนิกเกิลจะช่วยเพิ่มความต้านทานการเกิดออกซิเดชันให้กับโลหะผสม ส่งผลให้โลหะผสมหลากหลายชนิดมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยมทั้งในสภาพแวดล้อมแบบรีดิวซ์และออกซิไดซ์ เมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิมและโลหะผสมที่มีธาตุเหล็กอื่นๆ โลหะผสมที่มีนิกเกิลสามารถรองรับองค์ประกอบโลหะผสมได้หลากหลายมากขึ้นในสถานะสารละลายของแข็ง ในขณะที่ยังคงความเสถียรทางโลหะวิทยาที่ดี คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้สามารถเติมองค์ประกอบอัลลอยด์ต่างๆ ลงในโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก ทำให้สามารถนำไปใช้งานได้อย่างแพร่หลายในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนต่างๆ
องค์ประกอบทั่วไปในโลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักได้แก่:
นิกเกิล (Ni): ให้ความเสถียรทางโลหะวิทยา ปรับปรุงความเสถียรทางความร้อนและความสามารถในการเชื่อม เพิ่มความต้านทานต่อการลดกรดและโซดาไฟ และปรับปรุงความต้านทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมคลอไรด์และโซดาไฟ
โครเมียม (Cr): ปรับปรุงความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานต่อซัลไฟด์ และความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูพรุนและรอยแยก
โมลิบดีนัม (Mo): ปรับปรุงความต้านทานต่อการลดการกัดกร่อนของกรด เพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูพรุนและรอยแยกในสารละลายน้ำที่มีคลอไรด์ และเพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง
เหล็ก (Fe): ปรับปรุงความต้านทานคาร์บูไรซิ่งที่อุณหภูมิสูง ลดต้นทุนโลหะผสม และควบคุมการขยายตัวจากความร้อน ทองแดง (Cu): ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการลดการกัดกร่อนของกรด (โดยเฉพาะกรดซัลฟิวริก)
