شنبه , ۲۰ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی

سوپر آلیاژها

 

سوپر آلیاژها

ارسالی از : سحاد کهن سال

چکیده:

 طراحان نیاز فراوانی به مواد مستحکم‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی دارند. فولادهای زنگ نزن توسعه داده شده و به کار رفته در دهه‌های دوم و سوم قرن بیستم میلادی، نقطه شروعی برای برآورده شدن خواسته‌های مهندسی در دماهای بالا بودند. بعداً معلوم شد که این مواد تحت این شرایط دارای استحکام محدودی هستند. جامعه متالوژی با توجه به نیازهای روز افزون بوجود آمده، با ساخت جایگزین فولاد زنگ نزن که سوپر آلیاژ نامیده شد به این تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلیاژها مواد اصلاح شده پایه آهن به وجود آمدند، که بعدها نام سوپر آلیاژ به خود گرفتند. با شروع و ادامه جنگ جهانی دوم توربین‌های گازی تبدیل به یک محرک قوی برای اختراع و کاربرد آلیاژها شدند. در سال ۱۹۲۰ افزودن آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژهای از نوع نیکروم به عنوان اختراع به ثبت رسید، ولی صنعت سوپر آلیاژها با پذیرش آلیاژ کبالت (ویتالیوم) برای برآورده کردن نیاز به استحکام در دمای بالا در موتورهای هواپیما پدیدار شدند. بعضی آلیاژهای نیکل- کروم (اینکونل و نیمونیک) مانند سیم نسوز کم و بیش وجود داشتند و کار دستیابی به فلز قوی‌تر در دمای بالاتر برای رفع عطش سیری ناپذیر طراحان ادامه یافت و هنوز هم ادامه دارد.

 مروری کوتاه بر فلزات با استحکام در دمای بالا

استحکام اکثر فلزات در دماهای معمولی به صورت خواص مکانیکی کوتاه مدت مانند استحکام تسلیم یا نهایی اندازه‌گیری و گزارش می‌شود. با افزایش دما به ویژه در دماهای بالاتر از ۵۰ درصد دمای نقطه ذوب (بر حسب دمای مطلق) استحکام باید بر حسب زمان انجام اندازه‌گیری بیان شود. اگر در دماهای بالا باری به فلز اعمال شود که به طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از بار منجر به تسلیم در دمای اتاق باشد، دیده خواهد شد که فلز به تدریج با گذشت زمان ازدیاد طول پیدا می‌کند. این ازدیاد طول وابسته به زمان خزش نامیده می‌شود و اگر به اندازه کافی ادامه یابد به شکست (گسیختگی) قطعه منجر خواهد شد. استحکام خزش یا استحکام گسیختگی (در اصطلاح فنی استحکام گسیختگی خزش یا استحکام گسیختگی تنشی نامیده می‌شود) همانند استحکام‌های تسلیم و نهایی در دمای اتاق یکی از مولفه‌های مورد نیاز برای فهم رفتار مکانیکی ماده است. در دماهای بالا استحکام خستگی فلز نیز کاهش پیدا می‌کند. بنابراین برای ارزیابی توانایی فلز با در نظر گرفتن دمای کار و بار اعمال شده لازم است، استحکام‌های تسلیم و نهایی، استحکام خزش، استحکام گسیختگی و استحکام خستگی معلوم باشند. ممکن است به خواص مکانیکی مرتبط دیگری مانند مدول دینامیکی، نرخ رشد ترک و چقرمگی شکست نیز نیاز باشد. خواص فیزیکی ماده مانند ضریب انبساط حرارتی، جرم حجمی و غیره فهرست خواص را تکمیل می‌کنند.

اصول متالورژی سوپر آلیاژها

سوپر آلیاژهای پایه آهن، نیکل و کبالت معمولاً دارای ساختار بلوری با شکل مکعبی با سطوح مرکزدار (FCC) هستند. آهن و کبالت در دمای محیط دارای ساختار FCC نیستند. هر دو فلز در دماهای بالا یا در حضور عناصر آلیاژی دیگر دگرگونی یافته و شبکه واحد آنها به FCC تبدیل می‌شود. در مقابل، ساختمان بلوری نیکل در همه دماها به شکل FCC است. حد بالایی این عناصر در سوپر آلیاژها توسط دگرگونی فازها و پیدایش فازهای آلوتروپیک تعیین نمی‌شود بلکه توسط دمای ذوب موضعی آلیاژها و انحلال فازهای استحکام یافته تعیین می‌گردد. در ذوب موضعی بخشی از آلیاژ که پس از انجماد ترکیب شیمیایی تعادلی نداشته است در دمایی کمتر از مناطق مجاور خود ذوب می‌شود. همه آلیاژها دارای یک محدوده دمایی ذوب شدن هستند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه‌ای صورت نمی‌گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد. استحکام سوپر آلیاژها نه تنها بوسیله شبکه FCC و ترکیب شیمیایی آن، بلکه با حضور فازهای استحکام دهنده ویژه‌ای مانند رسوب‌ها افزایش می‌یابد. کار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ (مانند تغییر شکل سرد) نیز استحکام را افزایش می‌دهد، اما این استحکام به هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می‌شود.

تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتری در دمای پایین وجود دارد که گاهی در سوپر آلیاژهای کبالت اتفاق می‌افتد. شبکه FCC سوپر آلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحکام دهنده (در سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل و پایه نیکل) انعطاف‌پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص gr/cm3 87/7 و چگالی نیکل و کبالت تقریباً gr/cm3 ۹/۸ می‌باشد. چگالی سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل تقریباً gr/cm3 3/8-9/7 پایه کبالت gr/cm3 4/9-3/8 و پایه نیکل gr/cm3 9/8-8/7 است.

چگالی سوپر آلیاژها به مقدار عناصر آلیاژی افزوده شده بستگی دارد. عناصر آلیاژی Cr, Ti و Al چگالی را کاهش و Re, W و Ta آنرا افزایش می‌دهند. مقاومت به خوردگی سوپر آلیاژها نیز به عناصر آلیاژی افزوده شده به ویژه Cr, Al و محیط بستگی دارد.

دمای ذوب عناصر خالص نیکل، کبالت و آهن به ترتیب ۱۴۵۳ و ۱۴۹۵ و ۱۵۳۷ درجه سانتی‌گراد است. دمای ذوب حداقل (دمای ذوب موضعی) و دامنه ذوب سوپر آلیاژها، تابعی از ترکیب شیمیایی و فرآیند اولیه است. به طور کلی دمای ذوب موضعی سوپر آلیاژهای پایه کبالت نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل بیشتر است. سوپر آلیاژهای پایه نیکل ممکن است در دمای oC1204 از خود ذوب موضعی نشان دهند. انواع پیشرفته سوپر آلیاژهای پایه نیکل تک بلور دارای مقادیر محدودی از عناصر کاهش دهنده دمای ذوب هستند و به همین لحاظ، دارای دمای ذوب موضعی برابر یا کمی بیشتر از سوپر آلیاژهای پایه کبالت هستند.

بعضی از ویژگیها و خواص سوپر آلیاژها

۱- فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیوم در دماهای بالاتر oC540 دارای استحکام کافی نیستند و امکان خسارت دیدن آلیاژ در اثر خوردگی وجود دارد.

۲- چنانچه استحکام در دماهای بالاتر (زیر دمای ذوب که برای اکثر آلیاژها تقریباً ۱۳۷۱-۱۲۰۴ درجه سانتیگراد است) مورد نیاز باشد، سوپر آلیاژهای پایه نیکل انتخاب می‌شوند.

۳- از سوپر آلیاژهای پایه نیکل می‌توان در نسبت دمایی بالاتری (نسبت دمای کار به دمای ذوب) در مقایسه با مواد تجاری موجود استفاده کرد. فلزات دیرگداز (نسوز) نسبت به سوپر آلیاژها دمای ذوب بالاتری دارند ولی سایر خواص مطلوب آنها را ندارند و به همین خاطر به طور وسیعی مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.

۴- سوپر آلیاژهای پایه کبالت را می‌توان به جای سوپر آلیاژهای پایه نیکل استفاده کرد که این جایگزینی به استحکام مورد نیاز و نوع خوردگی بستگی دارد.

۵- در دماهای پایین‌تر وابسته به استحکام مورد نیاز، سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت کاربرد بیشتری پیدا کرده‌اند.

۶- استحکام سوپر آلیاژ نه تنها مستقیماً به ترکیب شیمیایی بلکه به فرآیند ذوب، آهنگری و روش شکل‌دهی، روش ریخته‌گری و بیشتر از همه به عملیات حرارتی پس از شکل‌دهی، آهنگری یا ریخته‌گری بستگی دارد.

۷- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت ارزان‌تر هستند.

۸- اکثر سوپر آلیاژهای کار شده برای بهبود مقاومت خوردگی دارای مقداری کروم هستند. مقدار کروم در آلیاژهای ریخته در ابتدا زیاد بود، اما به تدریج مقدار آن کاهش یافت تا عناصر آلیاژی دیگری برای افزایش خواص مکانیکی سوپر آلیاژهای دما بالا، به آنها افزوده شوند. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل با کاهش کروم مقدار آلومینیوم افزایش یافت، در نتیجه مقاومت اکسیداسیون آنها در همان سطح اولیه باقی می‌ماند و یا افزایش می‌یابد، اما مقاومت در برابر انواع دیگر خوردگی کاهش می‌یابد.

۹- سوپر آلیاژها مقاومت در برابر اکسیداسیون بالایی دارند اما در بعضی موارد مقاومت خوردگی کافی ندارند. در کاربردهایی مانند توربین هواپیما که دما بالاتر از oC760 است سوپر آلیاژها باید دارای پوشش باشند. سوپر آلیاژها در کاربردهای طولانی مدت در دماهای بالاتر از oC649 مانند توربین‌های گازی زمینی می‌توانند پوشش داشته باشند.

۱۰- فن‌آوری پوشش‌دهی سوپر آلیاژها بخش مهمی از کاربرد و توسعه آنها می‌باشد. نداشتن پوشش به معنی کارآیی کم سوپر آلیاژ در دراز مدت و دماهای بالا است.

۱۱- در سوپر آلیاژها به ویژه در سوپر آلیاژهای پایه نیکل بعضی از عناصر در مقادیر جزئی تا زیاد اضافه شده‌اند. در بعضی از آلیاژها تعداد عناصر کنترل شده موجود تا ۱۴ عنصر و بیشتر می‌تواند باشد.

۱۲- نیکل، کبالت، کروم، تنگستن، مولیبدن، رنیم، هافنیم و دیگر عناصر استفاده شده در سوپر آلیاژها اغلب گران بوده و مقدارشان در طی زمان متغیر است.

تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب روش تولید

با توجه به نحوه تولید میتوان سوپرآلیاژها را به چهار گروه کلی تقسیم‌بندی نمود که عبارتنداز:

۱) سوپرآلیاژهای کارپذیر
سوپرآلیاژهای کارپذیر در حقیقت گروهی از سوپر آلیاژها هستند که قابلیت کار مکانیکی دارند و از روشهای مکانیکی میتوان به آنها شکلداد. به منظور تولید مقاطع معینی از سوپرآلیاژهای کارپذیر، اولین گام آن است که شمشهای سوپرآلیاژها به دلیل حضور عناصر فعال(عناصری که سریع در مجاورت هوا اکسید میشوند) در شرایط خاصی تهیه شوند. فرایندهای ذوب در خلاء در مورد تهیه سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن جزء ضروریات می­باشد. اما در مورد سوپرآلیاژهای پایه کبالت امکان ذوب در هوا وجود دارد. این فرایند به طور خلاصه شامل ذوب القائی تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الکتریکی در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرایندهای ترمومکانیکی و متالورژی پودر میباشند.
پس از تهیه شمش آلیاژهای کارپذیر به یکی از روش‌های فوق عملیات شکلدهی صورت میگیرد. عملیات شکل­دهی سوپرآلیاژها نیز میتواند توسط عملیات متداول کلیه آلیاژهای فلزی انجام پذیرد. سوپرآلیاژهای پایه آهن، کبالت و نیکل را میتوان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سیم و اشکال دیگر توسط فرایندهای نورد، اکستروژن و آهنگری تولید نمود. معمولاً عملیات شکلدهی در دمای بالا صورت میگیرد و تعداد کمی از سوپرآلیاژها را میتوان به صورت سرد شکل‌دهی نمود. ساختارهای یکنواخت و ریزدانهای که از شکل‌دهی سرد حاصل میشود نسبت به ساختارهای شکلدادن گرم ارجحیت دارند.
عملیات ترمودینامیکی بر روی سوپرآلیاژها معمولاً در حدود ۱۰۰۰-۹۵۰ درجه سانتیگراد انجام میشود که به این ترتیب در حین شکل دادن عملیات حرارتی نیز صورت میگیرد.
۲) سوپرآلیاژهای متالورژی پودر
بسیاری از انواع آلیاژهای کارپذیر از طریق فرایندهای متالورژی پودر تولید میگردند. امروزه قطعات متالورژی پودر از جنس سوپرآلیاژ با دانسیته کامل از طریق روش‌های اکستروژن یا پرسکاری ایزواستاتیک گرم (HIP) تولید میگردند. مهمترین این قطعات قیچیها و سوزنهای جراحی میباشند.
فرایندهای متالورژی پودر به‌دلیل داشتن مزایای زیر بر فرایندهای ریختهگری ترجیح داده میشوند هر چند که معایبی را نیز به همراه خواهند داشت:
– یکنواختی در ترکیب شیمیایی و ساختار کریستالی
– ریز بودن اندازه دانههای کریستالی
– کاهش جدایشها
– راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد
اما مشکلاتی نظیر حضور گاز باقیمانده، آلودگی کربنی و آخال‌های سرامیکی باعث میگردد که در برخی موارد نیز فرایندهای شمش‌ریزی و ترمومکانیکی متداول صورت پذیرند.
۳)  سوپرآلیاژهای پلی‌کریستال ریختگی
وجود محدودیت‌های تکنولوژیکی سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلیاژ می‌گردد و بنابراین با پیدایش فرایندهای جدید تولید، این صنعت نیز روز به روز توسعه مییابد.
تعداد زیادی از فرایندها را میتوان در تولید قطعات سوپرآلیاژ با اندازه نزدیک به قطعه نهایی مورد استفاده قرار داد اما اساساً این قطعات توسط فرایند ریختهگری دقیق تولید میگردند.
محدوده ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژهای ریختگی بسیار گستردهتر از سوپرآلیاژهای کارپذیر بوده و بنابراین خواص متنوعتری نیز از این طریق قابل حصول خواهند بود هر چند که انعطاف‌پذیری و مقاومت به خستگی در فرآیندهای کار مکانیکی بهتر از ریختهگری خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآیندهای جدید ریختهگری و انجام عملیات حرارتی متعاقب، خواص سوپرآلیاژهای ریختگی نیز افزایش یافته است.
۴) سوپرآلیاژهای تک کریستالی انجماد جهت دار
به‌منظور توسعه توربینهای گازی مصرفی در هواپیماها و افزایش دماهای کاری و کارآیی موتورها، به‌طور مداوم روشهای تولید سوپرآلیاژها در حال بهبود است.
قسمت‌های بحرانی توربینها معمولاً شامل پرههای تحت فشار بالا، هواکشها و دیسکها میباشند. در طول ۱۵ سال گذشته تحقیقات بسیاری در زمینه افزایش راندمان توربینها صورت گرفته است و عمده این تحقیقات بر امکان افزایش دمای ورودی، فشارکاری و کاهش هزینههای تولید استوار بوده است. توسعه فرایند انجماد جهتدار به‌منظور تولید تک‌کریستالی‌های ریختگی سبب شده تا بتوان از این طریق پرههای توربین را با دانههای جهتدار در راستای اعمال تنش تولید نمود و به این ترتیب علاوه بر خواص پایدار حرارتی، استحکام خستگی، استحکام خزشی و انعطاف‌پذیری نیز افزایش یابند.
با توسعه این تکنولوژی، امروزه در توربینهای مصرفی در نیروگاه‌های برق نیز از قطعات تک‌کریستال از جنس سوپرآلیاژها استفاده به‌عمل میآید.
در سالهای اخیر شرکت هواپیمایی PWA یکی از پیشگامان تولید سوپرآلیاژها می‌باشد و تولید آلیاژهای PWA 1480 به صورت تک‌کریستال توسط این شرکت، سبب افزایش عمرکاری هواپیمای جنگی F-100 گردیده است.
تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب ترکیب شیمیایی
به طور کلی این آلیاژها شامل سه گروه پایه نیکل، پایه آهن و پایه کبالت میباشند که بسته به درجه حرارت کاربردی مورد استفاده قرار میگیرند.
۱) سوپرآلیاژهای پایه نیکل
امروزه آلیاژهای نیکل در حالت‌های “تک‌فازی”، “رسوب سختی شده” و “مستحکم‌شده توسط رسوبات اسیدی و کامپوزیتها” در مصارف صنعتی مختلف مورد استفاده قرار میگیرند.
سوپرآلیاژهای پایه نیکل پیچیدهترین ترکیباتی میباشند که در قطعات دمای بالا به کار میروند. در حال حاضر ۵۰ درصد وزن موتورهای هواپیماهای پیشرفته از جنس این آلیاژها میباشد. خصوصیات اصلی آلیاژهای نیکل، پایداری حرارتی و قابلیت مستحکم شدن میباشد.
بسیاری از این آلیاژها حاوی ۱۰ الی ۲۰ درصد کرم، حداکثر ۸ درصد آلومینیوم و تیتانیم، ۵ تا ۱۵ درصد کبالت و مقادیر کمی مولیبدن، نیوبیم و تنگستن میباشند.
دو گروه اصلی از آلیاژهای آهن- نیکل که میزان نیکل آنها بیشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهIncoloy 706 و Inconel 718 میباشند.
این آلیاژها معمولاً حاوی ۳ تا ۵ درصد نیوبیم میباشند و در ردیف آلیاژهای پایه نیکل قرار میگیرند. آلیاژهای پایه نیکل معمولاً تا دمای ۶۵۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ میکنند. اما در دماهای بالاتر به سرعت استحکام خود را از دست میدهند.
۲) سوپرآلیاژهای پایه آهن
سوپرآلیاژهای پایه آهن نشات گرفته از فولادهای زنگ نزن آستینتی میباشند که دارای زمینهای از محلول جامد آهن و نیکل بوده و برای پایداری زمینه نیاز به حداقل ۲۵ درصد نیکل است.
– گروه‌های متعددی از این آلیاژها تاکنون مشخص گردیدهاند که هر یک با مکانیزمهای خاصی مستحکم میشوند. برخی از این آلیاژها نظیر ۵۷-V و ۲۸۶-A حاوی ۲۵ تا ۳۵ درصد وزنی نیکل میباشند و استحکامشان به دلیل حضور آلومینیوم و تیتانیم می‌باشد.
– گروه دوم آلیاژهای پایه آهن که آلیاژهای X750 و  Incoloy901 نمونههای آن میباشند، حداقل ۴۰ درصد وزنی نیکل داشته و همانند گروههای با نیکل بالاتر استحکام بخشی توسط سختی رسوبی صورت میگیرد.
– گروه دیگر این آلیاژها بر پایه آهن- نیکل- کبالت میباشند و استحکام این گروه در محدوده ۶۵۰ درجه سانتیگراد مناسب بوده و ضریب انبساط حرارتی آنها پایین میباشد. این آلیاژها شامل Incoloy  با شمارههای ۹۰۳، ۹۰۷، ۹۰۹، ۱-۱- PyrometCTX و ۳-PyrometCTX و غیره میباشند.
۳) سوپرآلیاژهای پایه کبالت
سوپرآلیاژهای کارپذیر پایه کبالت برخلاف سایر سوپرآلیاژها مکانیزم استحکام بخشی متقاوتی دارند و خواص حرارتی خوبی در دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد خواهند داشت.
سوپرآلیاژهای پایه کبالت حاوی کرم، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون خوبی داشته و هم چنین قابلیت جوشکاری و مقاومت به خستگی حرارتی آنها نسبت به آلیاژهای پایه نیکل بالاتر میباشد. از طرف دیگر امکان ذوب و ریختهگری این آلیاژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزیت دیگری نسبت به سایر سوپرآلیاژها که نیاز به خلاء دارند می­باشد.
سه گروه اصلی آلیاژهای پایه کبالت را میتوان به صورت ذیل در نظر گرفت :

– آلیاژهایی که در دماهای بالا در محدوده ۶۵۰ تا ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار میگیرند که شامل آلیاژهایS-816، ۲۵HAYNES، ۱۸۸ ۲۵HAYNES، ۵۵۶۲۵HAYNES، ۵۰UMCO میباشند.
– آلیاژهایی که تا حدود ۶۵۰ درجه سانتیگراد به کار میروند نظیرTN3MP، ۱۵۹ MP
– آلیاژ مقاوم به سایش B 6Stellite
آلیاژ ۲۵۲۵HAYNES بیشترین کاربرد را در میان آلیاژهای کارپذیر پایه کبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمکار نظیر توربینهای گازی، اجزاء راکتورهای هستهای، ایمپلنت‌های جراحی و غیره مورد استفاده قرار گرفتهاند. آلیاژهای گروه پایه کبالت که شامل کرم- تنگستن- کربن میباشند معروف به آلیاژهای Satellite بوده که به شدت مقاوم به سایش میباشند.
این گروه معمولاً در مواردی که مقاومت سایشی در درجه حرارت‌های بالا مورد نیاز باشد به کار میروند. در واقع سختی این مواد در دمای بالا حفظ شده و در مواقعی که نمیتوان در حین کار روغنکاری انجام داد به خوبی مورد استفاده قرار میگیرند.

 

– سوپر آلیاژهای پیشرفته

سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل قدیمی مانند آلیاژ ۶-۲۵-۱۶ دارای ۱۶% کروم، ۲۵% نیکل و ۶% مولیبدن بودند. اولین سوپر آلیاژهای نیکل شامل Nimonic و Inconel از نوع استحکام یافته با محلول جامد بودند. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل بعدی مقادیر کمی Al (3-2 درصد) و Ti افزوده شده تا در اثر رسوب فاز  استحکام در دمای بالا افزایش یابد. بعداً مقدار Al در این سوپر آلیاژها تا ۶ درصد افزایش یافت و به دلیل بیشتر شدن نسبت حجمی فاز  در زمینه  سختی دمای بالای آلیاژ افزایش یافت. سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریخته بیشترین مقایر عناصر سخت کننده را دارند، و تعدادی از قطعات به روش‌های CGDS و SCDS از آنها ساخته شده‌اند.

تعدادی از سوپرآلیاژهای دارای عناصر سخت کننده بیشتر ( بیش از ۴۰ درصد) به روش متالورژی پودر و کار شده تولید می‌شوند. سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل با  تقریباً ۲۰%، به حداکثر استحکام خود می‌رسند، و از این نظر نمی‌توانند با سوپرآلیاژهای پایه نیکل کار شده در محدوده دمایی متوسط رقابت کنند. حتی آلیاژهایی با تقریباً  ۴۰% (مانند آلیاژ Astroloy) کارایی دراز مدتی در حد بالایی محدوده دمایی متوسط ندارند. امروزه از آلیاژهای متالورژی پودر (P/M) با  بالا (تقریباً ۵۰%) برای کار در حد بالایی محدوده دمایی متوسط استفاده می‌شود، و آلیاژهای کار شده از طراحی‌ها حذف شده‌اند.

سوپرآلیاژهای پایه کبالت ریخته چند بلوری، دمای ذوب بالاتری نسبت به سوپرآلیاژهای پایه نیکل دارند، و به همین خاطر استحکام آنها در دماهای بالاتر از oC1093 بیشتر است. اما واقعیت این است که سوپرآلیاژهای پایه نیکل (SCDS) توانایی کار در دماهای بالاتر از oC1093 را دارند، و در بعضی موارد جایگزین آلیاژهای پایه کبالت شده‌اند. آلیاژهای پایه کبالت ریخته با شبکه بلوری مکعبی با سطح مرکزدار (آستنیتی FCC)، زمینه محلول جامد و دارای کاربیدهای پیچیده، دارای سابقه موفقی در استفاده در پره‌های هواشکن توربین گاز (اکثراً به صورت پره‌های هواشکن و گاهی به صورت تیغه‌های توربین) هستند. آلیاژهای پایه کبالت کار شده کاربردهایی در محفظه‌های احتراق توربین گاز پیدا کرده‌اند.

خواص مکانیکی

استحکام تابعی از زمان است و مدت زمان قرارگیری قطعه در سرویس و دمای آن از عوامل موثر بر انتخاب یک سوپرآلیاژ ویژه هستند. نرخ افت بعضی از آلیاژها در مقایسه با آلیاژهای دیگر کمتر است. به عنوان مثال اگر چه خواص مکانیکی و کاربرد سوپرآلیاژهای پایه نیکل استحکام یافته با فاز اکسید توزیع شده (ODS) [6] دارای استحکامی پایین‌تر از سوپر آلیاژهای پایه نیکل رسوب سخت شده هستند، ولی نرخ کاهش استحکام گسیختگی خزش کمتری نسبت به انواع مشابه رسوب سخت شده دارند. در نتیجه وقتی نرخ کاهش استحکام بهتر در اولویت اول، قرار داشته و استحکام اولیه نیز قابل قبول باشد، یک آلیاژ ODS به مدت طولانی‌تری می‌تواند کار کند.

آلیاژی که عمر گسیختگی طولانی‌تری دارد، برای تولید قطعاتی که دمای کاری آنها در داخل محدوده خزش قرار دارد، ترجیح داده می‌شود. یک آلیاژ انجماد جهت‌دار یافته دانه ستونی، در شرایط خزش با کرنش پایین دارای استحکام کمتری نسبت به آلیاژ چندبلوری است.

سوپرآلیاژها انعطاف‌پذیر هستند، ولی عموماً انعطاف‌پذیری سوپرآلیاژهای پایه کبالت نسبت به سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل و پایه نیکل کمتر است. سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل در شرایط اکسترود شده، آهنگری شده و یا نورد شده وجود دارند اما آلیاژهای پر استحکام‌تر فقط در شرایط ریخته یافت می‌شوند.

تغییر شکل گرم در فرآیند شکل دادن ارجح می‌باشد و شکل دادن سرد به تولید مقاطع نازک (ورق) محدود است. از نورد سرد می‌توان برای افزایش خواص استحکام کوتاه مدت در دماهایی پایین‌تر از oC540 می‌توان استفاده کرد.

سوپرآلیاژها دارای ضریب کشسانی در حدود GPa 207 هستند. ولی ضریب کشسانی آلیاژهای ویژه بسته به نوع آلیاژ در دمای اتاق از GPa 172 تا GPa241 تغییر می‌کند. تغییر ساختار آلیاژ از چند بلوری به دانه‌های ستونی بسته به جهت دانه‌ها و جهت آزمایش ضریب کشسانی را در محدوده GPa 124 تا GPa310 قرار می‌دهد. حداقل ضریب کشسانی در آلیاژهای انجماد جهت‌دار یافته دیده می‌شود.

آلیاژهای کار شده در دمای متوسط

محدوده دمایی متوسط از oC540 تا oC760 می‌باشد. اگر آلیاژی برای کار سنگین مانند، دیسک‌های توربین در نظر گرفته شده است باید دارای استحکام‌های تسلیم و کششی مناسب، انعطاف‌پذیری خوب و رفتار خستگی کم دامنه عالی، با یک سرعت رشد ترک قابل قبول، و شکل‌پذیری و قابلیت جوشکاری خوب (در محصولات ورق) باشد. قطعات سنگین مانند دیسک‌ها باید قابلیت آهنگری خوبی داشته باشند. با متالورژی پودر می‌توان قطعات آهنگری شده‌ای را که نمی‌توان به روش‌های دیگر تولید کرد، به دست آورد. قابلیت بازرسی قطعه نهایی اهمیت زیادی دارد. هزینه متغیر بسیار مهمی است، اما با تولید قطعه مناسب قابل جبران است. علاوه بر این، با استفاده از متالورژی پودر می‌توان هزینه‌ها را کاهش داد.

برای انتخاب سوپرآلیاژها برای کار در محدوده دمایی متوسط آلیاژهایی مانند Waspaloy و آلیاژهای مشابه وجود دارند، که می‌توان آنها را به روش‌های معمول آهنگری تولید نموده و استفاده کرد.

عناصر ناخواسته و مضر در سوپرآلیاژها

عناصری نظیر Ag, Se, Te, Bi, Pb, S, P, Si حتی در مقادیر بسیار کم، به اندازه قسمت در میلیون (PPM)، اغلب در افت خواص سوپرآلیاژها مشارکت می‌کنند اما آنها با میکروسکوپ‌های نوری یا الکترونی دیده نمی‌شوند. با آنالیزهای اسپکتروسکوپی و الکترونی نشان داده شده است، که مرز دانه‌ها در اثر حضور عناصر مضر تغییر می‌کند. عنصر Mg در اثر ترکیب با گوگرد اثرات ناخواسته آن را حذف می‌کند. Ti با نیتروژن ترکیب شده و TiN را تشکیل می‌دهد. در بعضی از موارد این ترکیبات و نظایر آن در ریز ساختار قابل مشاهده هستند.

عناصر ایجاد کننده مقاومت خوردگی و اکسیداسیون

همه سوپرآلیاژها دارای کروم و عناصر دیگری برای بهبود مقاومت در برابر خسارت محیطی هستند. کروم در سطح خارجی آلیاژ Cr2O3 را تشکیل می‌دهد. اگر آلومینیوم به حد کافی وجود داشته باشد لایه اکسیدی Al2O3 نیز تشکیل می‌شود و حفاظت بیشتری در مقابل اکسیداسیون انجام می‌دهد. مقدار کروم در سوپرآلیاژهای پایه نیکل ۶ تا ۲۲ درصد، در سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل ۱۵ تا ۲۵ درصد و در سوپرآلیاژهای پایه کبالت ۲۰ تا ۳۰ درصد است. در سوپرآلیاژهای پایه نیکل ممکن است، بیش از ۶ درصد آلومینیوم وجود داشته باشد. کروم عنصر اصلی در مقاومت خوردگی داغ است ولی ممکن است تیتانیوم و عناصر دیگری نیز مکمل اثرات کروم باشند.

 استحکام دهی سوپرآلیاژها

۱- رسوب‌ها و استحکام

رسوب‌ها به خاطر کند کردن فرآیند تغییر شکل که در اثر بارگذاری اتفاق می‌افتد استحکام آلیاژ را افزایش می‌دهند. بعضی از ویژگیهای رسوب‌های سخت کننده که مانع تغییر شکل می‌شوند عبارتند از:

– درجه عدم انطباق بین رسوب و زمینه: بهترین حالت این است که رسوب و زمینه دارای ساختار بلوری و پارامتر شبکه یکسان باشند. در این صورت رسوب بیشتری در زمینه حل می‌شود. درجه عدم انطباق در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل در محدوده  درصد قرار دارد.

– رسوب منظم: قرار گرفتن اتم‌ها در موقعیت‌های مرجح انرژی لازم برای عبور عوامل تغییر شکل (نابجایی‌ها) از میان رسوب را افزایش می‌دهد. رسوب‌های منظم انرژی بالاتری از رسوب‌های نامنظم دارند.

– اندازه رسوب: وقتی که اندازه رسوب خیلی کوچک باشد، نابجایی‌ها به راحتی می‌توانند از آنها عبور کنند. اگر اندازه رسوب خیلی بزرگ باشد، نابجایی‌ها به هنگام عبور از آنها خم می‌شوند و امکان دارد استحکام کمتر از مقدار بهینه باشد. مقدار بهینه تابعی سات از ویژگی اندازه‌گیری شده. در خزش یک تک بلور خیلی مطلوب‌تر است، ولی باید توجه داشت که تک بلور با فرآیندهای ویژه SCDS,CGDS سوپرآلیاژهای پایه نیکل بدست می‌آید. در سوپرآلیاژهای کار شده دو نوع اندازه رسوب مطلوب است زیرا حساسیت به ترک را کاهش می‌دهد. رسوب‌های هم اندازه  که در عملیات حرارتی پیر کردن در دمای پایین بدست می‌آید باعث افزایش استحکام کششی و کاهش مقاومت خزش می‌شود. در سوپرآلیاژها  فاز رسوبی اصلی است. این رسوب یک فاز با ساختار بلوری FCC بین فلزی منظم با ترکیب شیمیایی Ni3(Ti,Al) است.

عناصر آلیاژی بر درجه عدم انطباق رسوب  با زمینه اثر می‌گذارند.  یک فاز هگزاگونال منظم با ترکیب شیمیایی Ni3Ti است که شکل ناپایدار  غنی از Ti است. انواع دیگر فازهای بین فلزی مانند رسوب‌های فاز  اورتورمبیک با ترکیب Ni3Nb یا  با شبکه  و ترکیب Ni3Nb نیز وجود دارند که استحکام سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل را به نحو قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهند.

۲– فاز  

ترکیب بین فلزی با ترکیب اسمی Ni3Nb است که Ti و عناصر حل شونده دیگری نیز در خود دارد. این فاز در محدوده ترکیب شیمیایی نسبتاً کوچکی پایدار است، اما خواص قابل توجهی دارد که آن راقادر می‌سازد تا استحکام دما بالا در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل را بهبود دهد.

در آلیاژهای ریخته ترکیب یوتکتیک – تشکیل خواهد گردید که ممکن است پس از عملیات حرارتی نیز باقی بماند. در مجموع در طی عملیات حرارتی یا کار، فاز  در مرز دانه‌ها و در اطراف ذرات کاربیدهای M23C6 یا MC تشکیل می‌گردد.

 

کاربردها

کاربرد سوپر آلیاژها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزاء هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. موتور F119 که یکی از آخرین موتورهای هواپیماهای نظامی است، نشان داده شده است. دمای گاز در بخش داغ موتور (ناحیه خروجی موتور) ممکن است به دمایی بالاتر از oC 1093 برسد. با استفاده از سیستمهای خنک کننده دمای اجزاء فلزی کاهش پیدا می‌کند و سوپر آلیاژ که توانایی کار کردن در این دمای بالا را دارد، جزء اصلی بخش داغ به شمار می‌رود.

Untitled

 

اهمیت سوپر آلیاژها در تجارت روز را می‌توان با یک مثال نشان داد. در سال ۱۹۵۰ فقط ۱۰ درصد از کل وزن توربین‌های گاز هواپیما از سوپر آلیاژها ساخته می‌شد، اما در سال ۱۹۸۵ میلادی این مقدار به ۵۰ درصد رسید.

باید خاطر نشان ساخت، که همه کاربردها به استحکام در دمای بالا نیاز ندارند. ترکیب و مقاومت خوردگی سوپر آلیاژها، مواد استانداردی برای ساخت وسایل پزشکی بوجود آورده است. سوپر آلیا ژها همچنین کاربردهایی در دماهایی بسیار پایین پیدا کرده‌اند

بازار سوپرآلیاژها:
شاید بتوان گسترش بازار سوپرآلیاژها را در دنیا مربوط به صنایع هوا _ فضا در نظر گرفت که با توجه به رشد روزافزون این صنعت و قطعات یدکی آن در سطح جهان پیش بینی میگردد که تنها بازار قطعات یدکی هواپیماها بالغ بر ۴،۵ میلیارد دلار باشد، بررسیها حاکی از آنست که تا سال ۲۰۱۵ تعداد ۱۶۰۰۰ فروند هواپیمای جدید با موتورهای توربین گازی وارد بازار میشوند که نیمی از وزن این موتورها از جنس سوپر آلیاژ خواهد بود.
بر اساس آمارهای تخمینی موجود در ایران، سوپرآلیاژها سالانه به میزان ۸۰ میلیون دلار در سه وزارتخانه نفت، نیرو و دفاع مورد استفاده قرار میگیرند.

 

منابع

WWW.DANESHMAND.IR     .۱

WWW.IRAN_MAVAD.IR     .۲

WWW.TEBYAN.IR     .۳

WWW.DANESH  FROM.IR     .۴

WWW . AZMON_NEWS.IR     .۵

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

تشکیل فریت فوق ظریف (UFF) درفولاد فریتی – پرلیتی با کارسرد و آنیل

با توجه به استفاده گسترده فولادهای فریتی – پرلیتی درکاربردهای صنعتی بهینه سازی خواص آنها …

یک دیدگاه

  1. عالی بود ممنون از اقای کهن سال وه مچنین سایت خوب ومفیدتون.

    ممنون

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.