Сплав Nimonic: характеристики, состав, аналоги

Nimonic – это семейство жаропрочных деформируемых никелевых сплавов, разработанное в середине XX века для работы в турбинах и реактивных двигателях. Основу сплавов составляет никель с добавлением хрома, алюминия, титана, кобальта и других элементов. Такая композиция обеспечивает высокую жаропрочность, стойкость к окислению и коррозии, а также стабильность свойств при длительной эксплуатации в области 600–1000 °C. 

Благодаря этим качествам Nimonic широко применяется в авиационных двигателях, энергетическом машиностроении, нефтехимическом оборудовании и приборостроении. Сплавы данной группы характеризуются равновесной аустенитной структурой и упрочняются выделениями межметаллической фазы γ′ (Ni₃(Al,Ti)), что обеспечивает высокую прочность и ползучесть при длительных нагрузках.

Состав и основные характеристики Nimonic

Рассмотрим подробнее, из чего состоит данный сплав и какими свойствами он обладает.

Химический состав

Базовым элементом для всех сплавов Nimonic служит никель. Дополнительные легирующие добавки улучшают различные свойства:

• Хром (18–21%) – повышает жаростойкость и сопротивление окислению, образуя защитную оксидную плёнку.
• Кобальт (до 21%) – стабилизирует твердую растворимость никеля, повышает механическую прочность и жаропрочность.
• Алюминий и титан (обычно 1–4%) – отвечают за образование упрочняющей γ′‑фазы Ni₃(Al,Ti), обеспечивающей высокую прочность и сопротивление ползучести.
• Молибден (до 5,5%) и ниобий – улучшают сопротивление ползучести и долговременную прочность.
• Углерод, бор, цирконий – вводятся в малых количествах для повышения жаропрочности и устойчивости к межкристаллитной коррозии.

Каждая марка Nimonic имеет индивидуальный набор элементов в пределах общих диапазонов. Например, Nimonic 90 содержит 18–21% хрома, 15–21% кобальта, 2–3% титана, 1–2% алюминия и остаток никеля, а Nimonic 80A содержит 18–21% хрома, 1,8–2,7% титана, 1–1,8% алюминия и до 3% железа.

Механические и физические свойства

Жаропрочные никелевые сплавы демонстрируют высокие показатели прочности и ползучести при температурах, где обычные стали уже теряют несущую способность. 

 Вот общие характеристики семейства Nimonic:

• Предел прочности – для разных марок составляет от 750–850 МПа (Nimonic 75) до 1150 МПа (Nimonic 105 после старения). Марка Nimonic 80A имеет временное сопротивление разрыву 930 МПа и предел текучести 600 МПа при комнатной температуре.
• Предел текучести – варьируется от 275–350 МПа у Nimonic 75 до 770 МПа у Nimonic 105.
• Относительное удлинение – обычно находится в диапазоне 8–40%, что обеспечивает достаточную пластичность для обработки. Например, Nimonic 75 показывает удлинение 42–50%, Nimonic 80A – около 20%, а Nimonic 90 – не менее 8%.
• Диапазон рабочих температур – большинство марок предназначено для эксплуатации при 700–950 °C, хотя кратковременно выдерживают до 1000 °C. Nimonic 75 используется до 870 °C, а марка 105 сохраняет прочность при 950 °C.
• Твердость – варьируется от 170–210 HB (Nimonic 75) до 350 HV (Nimonic 105).
• Плотность – около 8,0–8,37 г/см³, в зависимости от содержания легирующих элементов.
• Температура плавления – в пределах 1290–1390 °C.

Высокие показатели сопротивления ползучести обеспечиваются благодаря дисперсионному упрочнению γ′‑фазой, которая стабилизируется алюминием и титаном. Кроме того, формирование защитного оксидного слоя на поверхности гарантирует высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах и при высокой температуре.

Марки и разновидности сплавов Nimonic

Различные марки Nimonic разрабатывались для конкретных условий эксплуатации. Ниже приведены наиболее распространённые варианты с их отличительными особенностями.

Марка	Типовой состав (мас. %)	Краткая характеристика и применение
Nimonic 75	Ni ≈ 78, Cr 19–21, Fe ≤ 5, Ti 0,2–0,6, C 0,08–0,15, Al ≤ 0,4%	Первый сплав семейства (1940‑е). Имеет хорошую коррозионную стойкость, окисляется медленно при 1000 °C, но обладает относительно умеренной прочностью. Используется для деталей, требующих устойчивости к окислению, таких как обшивки турбин, камер сгорания и печные элементы.
Nimonic 80A	Ni ≈ 65, Cr 18–21, Ti 1,8–2,7, Al 1–1,8, Co ≤ 2, Fe ≤ 3, C ≤ 0,1%	Один из наиболее востребованных сплавов. Хорошо выдерживает длительную работу при 650–815 °C; предел прочности ~930 МПа, предел текучести ~600 МПа, удлинение ~20%. Применяется в лопатках газотурбинных двигателей, фланцах и крепежных элементах в авиации и энергетике.
Nimonic 90	Ni 53–57, Cr 18–21, Co 15–21, Ti 2–3, Al 1–2, C ≤ 0,13, Fe ≤ 1,5%	Содержит повышенное количество кобальта. Обладает высокой прочностью (предел прочности ≥ 820 МПа) и хорошей ползучестью при 700–850 °C. Используется для турбинных дисков, колец и инструментов горячей штамповки.
Nimonic 105	Ni ≈ 50–55, Co 15–21, Cr 14–15,7, Mo 4,5–5,5, Al 4,5–4,9, Ti 0,9–1,5, C ≤ 0,17%	Сильно легированный сплав с молибденом и высоким содержанием алюминия. Предназначен для работы до 950 °C; упрочняется старением. Обеспечивает предел прочности до 1150 МПа и высокую сопротивляемость ползучести. Применяется в турбинных лопатках, дисках и крепежах высокотемпературных установок.
Nimonic 263	Ni ≈ 49, Co 19–21, Cr 19–21, Mo 5,6–6,1, Ti 1,9–2,4, Al ≤ 0,6, C 0,04–0,08%	Сплав с хорошей свариваемостью, имеет предел прочности ~940 МПа и предел текучести ~550 МПа, удлинение 39%. Используется в газовых турбинах и энергетическом оборудовании, где необходима комбинация высокой прочности и пластичности.

Кроме перечисленных, существуют другие модификации (100, 115, 263, PK33), ориентированные на специфические условия – например, повышенную коррозионную стойкость или лучшую свариваемость. Различия между марками объясняются главным образом содержанием кобальта, титана, алюминия и молибдена, что влияет на прочность, пластичность и максимальную рабочую температуру.

Российские аналоги Nimonic

В советской и российской металлургии для высокотемпературных деталей были разработаны никелевые сплавы, которые по составу и свойствам соответствуют маркам Nimonic. 

 Ниже представлена таблица соответствий.

Марка Nimonic	Российский аналог (марка)	Основные особенности и назначение
Nimonic 75	ЭИ435 (ХН78Т)	Никелево‑хромовый сплав с 18–21% Cr, 0,2–0,6% Ti и 0,08–0,15% C. Используется в температурном диапазоне до 1000 °C для газотурбинных оболочек, печей и камер сгорания. Хорошо сопротивляется коррозии, но имеет умеренную механическую прочность.
Nimonic 80A	ЭИ435А, ЭИ868 (ХН77ТЮР)	Аналоги Nimonic 80A имеют 18–21% Cr, 1,8–2,7% Ti, 1–1,8% Al и небольшие добавки кобальта и молибдена. Они обеспечивают высокую прочность и ползучесть при 700–800 °C и применяются для турбинных лопаток и крепежа.
Nimonic 90	ЭИ437Б (ХН77ТЮР)	Содержит 19–22% Cr, 2,4–2,8% Ti, 0,6–1% Al и около 70–77% Ni; небольшие примеси Ce, B, Pb. Предел прочности листа достигает 930 МПа, при температуре 700 °C – 740 МПа. Используется для дисков, колец и лопаток турбин.

Следует отметить, что некоторые иностранные и отечественные обозначения могут отличаться в зависимости от стандарта (ASTM, DIN, ГОСТ и др.). При подборе материала важно учитывать не только химический состав, но и режим термообработки, поскольку аналог может достигать необходимых свойств только после соответствующей закалки и старения.

Применение сплавов Nimonic

Несмотря на высокую стоимость, сплавы Nimonic незаменимы в условиях, где требуется сочетание жаропрочности и коррозионной стойкости. 

Основные области применения:

1. Газотурбинные двигатели
   Сплавы Nimonic используются в лопатках компрессоров, турбинных дисках, кольцах и крепежах. Они работают при температурах 700–950 °C и выдерживают высокие центробежные нагрузки.
2. Энергетическое машиностроение
   Котлы высокого давления, паровые и газовые турбины, нагревательные элементы электростанций выполняют из Nimonic благодаря способности выдерживать длительные нагрузки при высокой температуре.
3. Авиация и космическая техника
   Жаропрочные детали выхлопных систем, камеры сгорания и крепеж в авиационных двигателях используют сплавы Nimonic 80A, 90 и 105 за их устойчивость к окислению и вибрационным нагрузкам.
4. Промышленное оборудование
   Нагревательные элементы печей, теплообменники, реакторные компоненты и детали, контактирующие с агрессивными средами, выполняют из Nimonic. Этот сплав обеспечивает высокую степень устойчивости к коррозии и ползучести.

Сплавы Nimonic представляют собой группу высоколегированных никелевых материалов, разработанных для эксплуатации в условиях экстремальных температур. Их уникальная комбинация никеля, хрома, кобальта, алюминия, титана и других элементов обеспечивает высокую жаропрочность, стойкость к окислению и ползучести, что делает Nimonic незаменимым в газотурбинных двигателях, энергетике и высокотемпературном машиностроении. 

Различные марки Nimonic (75, 80A, 90, 105, 263 и др.) отличаются содержанием легирующих элементов и предназначены для разных температурных диапазонов и уровней нагрузки. В России для этих сплавов существуют отечественные аналоги (ЭИ435, ЭИ437, ЭИ437Б и др.), сопоставимые по составу и свойствам. 

 Выбор конкретной марки или аналога следует делать исходя из условий эксплуатации, требований к прочности, рабочей температуре и способу обработки. Благодаря высокой надежности и долговечности сплавы семейства Nimonic остаются востребованными материалами для критически важных высокотемпературных узлов.

В каталоге на сайте СПб Металл вы можете ознакомиться с ассортиментом стали и сплавов разных марок, в том числе и Nimonic. Наша продукция применяется для самых ответственных задач, где важны высокая прочность, износостойкость и другие характеристики. Если вам потребуется консультация, вы всегда можете обратиться к нашим специалистам по телефону или с помощью форм обратной связи на сайте.