سوپرآلیاژ چیست؟
در ابتدای مقاله، بهتر است به سوال ابر پاسخ دهیم. از ترکیب دو یا چند عنصر، آلیاژ ساخته می‌شود. حال آن‌که هر سوپرآلیاژ از ترکیب سه عنصر یا بیشتر تولید می‌گردد. در حقیقت، ابر آلیاژها در دمای اتاق در مقایسه با آلیاژهای معمولی خواص متمایزی ندارند. خواص آن‌ها در دماهای بالا برجسته است. در دماهای کاربرد بالاتر، سوپرآلیاژها خواص مکانیکی بسیار خوبی از جمله استحکام، مقاومت به تخریب‌های سطحی چون خوردگی از خود نشان می‌دهند. حتی دیده شده که در دمای حدود ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد این فلزات خواص مکانیکی بسیار خوبی داشته‌اند. به طور کلی، تناژ تولید و سوپرآلیاژها به اندازه آلیاژهای معمولی بالا نیست. این فلزات، کم کاربرد و گران‌بها به شمار می‌روند.
اگر نگاهی به کاربردهای ابرآلیاژها بیندازیم، درخواهیم یافت که در سیستم‌هایی کاربرد دارند که بازده کارکرد آن‌ها با افزایش دما کاهش نمی‌یابد. از جمله این کاربردها می‌توان به توربین‌های گازی، توربین‌های بخار، موتورهای جت، موشک و نیروگاه هسته‌ای اشاره کرد. ویژگی‌های انواع ابر آلیاژ سوپر آلیاژها برای کاربرد در دمای بالا ساخته می‌شوند. به این معنا که باید خواص خود را در دمای بالا و نزدیک به نقطه ذوب حفظ کنند. بدین ترتیب در دماهای بالا سوپرآلیاژها می‌توانند استحکام، پایداری و مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون بالای خود را حفظ کنند. ویژگی‌های سه دسته اصلی سوپر آلیاژها عبارت است از: ابر آلیاژ نیکل
- استحکام بالا
- مقاومت حرارتی بالا
- مقاومت به خوردگی بالا
- قابلیت ماشین کاری
- ضریب انبساط حرارتی پایین
ابر آلیاژ کبالت
- نقطه ذوب بالاتر در مقایسه با آلیاژهای پایه نیکل یا آهن
- مقاومت در برابر خستگی حرارتی و جوش‌پذیری بالاتر در مقایسه با آلیاژهای پایه نیکل
- مقاومت بالا در برابر خوردگی داغ در مقایسه با آلیاژهای پایه نیکل یا آهن
ابر آلیاژ آهن
- استحکام بالا در دمای اتاق
- مقاومت بالا در برابر خزش، اکسیداسیون، خوردگی و سایش
انواع سوپر آلیاژها سه گروه وجود دارند که به طور مشترک ابر آلیاژ نامیده می‌شوند. این سه گروه، با افزایش دما خواص خود را حفظ می‌کنند و به طور گسترده به عنوان موادی مناسب کاربردهای دما بالا شناخته می‌شوند. سوپرآلیاژ پایه نیکل بیش از ۵۰ درصد از وزن موتورهای هواپیماهای پیشرفته را ابر آلیاژ نیکل تشکیل میدهد. علت این کاربرد، مقاومت دما بالای این سوپر آلیاژ پیچیده است. در این نوع ابر آلیاژ، عنصر نیکل بیش از ۵۰ درصد وزنی را به خود اختصاص میدهد. خواص ویژه ابرآلیاژ پایه نیکلی با کمک نیکل و عناصر افزودنی چون کروم، کبالت، آهن، مولیبدن، تنگستن، آلومینیوم و تیتانیوم ایجاد می‌شوند.
استحکام بالا، خزش و مقاومت در برابر خوردگی در دماهای بالا مهم‌ترین ویژگی این آلیاژها به شمار می‌رود. اینکولوی و از جمله ابر آلیاژهای پایه نیکل به شمار می‌روند. ۷۱۸ یکی از معروف‌ترین سوپرآلیاژهای نیکل است که در صنایع هوایی و توربین موتور کاربرد دارند. سوپرآلیاژ پایه آهن – نیکل این آلیاژها، مقاومت در برابر خزش و مقاومت به خوردگی مشابه سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل از خود نشان می‌دهند در حالی‌که هزینه تولید آن‌ها بسیار کمتر است. این آلیاژها برای پایداری فاز FCC به حداقل ۲۵ درصد نیکل نیاز دارد. قیمت امروز آهن آهن رسان نسبت به دو گروه دیگر کمتر است و در نتیجه در دماهای پایین‌تر، کاربردهای تجاری بیشتری دارد. ، به عنوان یکی از انواع ابر آلیاژ آهن شناخته می‌شود که در صنعت کاربرد دارد.
سوپرآلیاژ پایه کبالت سوپر آلیاژهای پایه کبالت نسبت به دیگر انواع، جدیدترند. ابر آلیاژ کبالت زمینه‌ای آستنیتی با فاز FCC دارند که با محلول جامد تقویت می‌شوند و مقادیری کاربید در زمینه آن‌ها توزیع شده است. در ساخت این نوع سوپر آلیاژ از عناصری چون ایریدیوم، آلومینیوم، تیتانیوم، تنگستن، کروم، کربن و تانتالیوم استفاده می‌شود و در مقایسه با آلیاژ پایه نیکل جوش‌پذیری و مقاومت به خستگی حرارتی بهتری دارند. به علاوه به دلیل داشتن کروم بالاتر، در دماهای بالا (۹۸۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند. با این‌حال به اندازه سوپرآلیاژهای پایه نیکلی به صورت تجاری استفاده نمی‌شوند. برخی از این کاربردها عبارت است از:
- اجزای توربین گاز
- اجزای نیروگاه توربین‌های بخار
- قطعات در پزشکی
ساخت تجهیزات دندان پزشکیابرآلیاژ نیکلی تیغه توربین موتور جت (). اَبَرآلیاژ (به : )، است که توانایی کار در کسری بالا از خود را دارد. پایهٔ ابر معمولاً ، یا -نیکل است. ابرآلیاژ استحکام زیادی در دماهای بالا دارد و در برابر ، و اکسایش مقاوم است. این مقاومت توسط عناصری نظیر و ایجاد می‌شود. این آلیاژها معمولاً مکعبی وجه پر () است. عمدهٔ کاربرد ابرآلیاژها در قسمت‌های داغ (پره‌های توربین و ) می‌باشد که دمای گاز در این بخش‌ها به بیش از ۱۰۰۰ درجه می‌رسد. ساختار شیمیایی[] برای مقاومت در برابر دمای بالای گازهای خروجی از ابرآلیاژها و فلزات نسوز استفاده می‌شود. به دلیل استفاده این آلیاژها در دمای بالا، مقاومتشان در برابر تغییر شکل و اکسایش بسیار مهم است. آلیاژهای پایه نیکل در این موارد مصرف می‌شوند.
آلومینیم و کروم با ایجاد یک لایه اکسید از سطح آلیاژ در برابر اکسایش محافظت کرده و بور و ایتریم موجب پخش شدن این لایه در تمام سطح آلیاژ می‌شوند. با وجوداینکه ابرآلیاژهای پایه نیکل در دماهای بالا عملکردی عالی دارند ولی ابرآلباژهای پایه کبالت به صورت بالقوه مقاومت بالاتری در برابر حرارت و اکسایش نسبت به ابرآلیاژهای پایه نیکل دارند. به همین دلیل استفاده از این آلیاژها در سالیان اخیر به صورت چشمگیری افزایش داشته‌است اما به دلیل استحکام کمتر در دماهای پایین نسبت به ابرآلیاژهای پایه نیکل کماکان استفاده کمتری دارند. مهم‌ترین دلیل این امر کمبود پیوند فازهای ‘γ است که نقش مهمی در استحکام در دمای بالا دارند. در آلیاژ پایه نیکل یک هم سیمایی (coherency) بین دو فاز وجود دارد که نقش بسزایی در افزایش استحکام در دمای بالا دارد.
عناصر آلیاژی به کار رفته در در این آلیاژ در کروم نیکل و مولیبدن مشابه با برخی از فولادهای ضدزنگ آستنیتی می‌باشد. مقاومت به خوردگی این آلیاژ در دماهای بالا به خوبی مقاومت به خوردگی آن در دماهای پایین می‌باشد. مقاومت به اکسیداسیون در این آلیاژ در صورتی که به صورت پیوسته عملیاتی باشد تا دمای ۸۱۶ درجهٔ سانتی گراد و در صورتی که متناوباً کارکند تا دمای ۹۸۲ درجهٔ سانتی گراد در مقدار بالایی قرار دارد. ویژگی‌های فیزیکی A-286 خواص مکانیکی آلیاژ A-286 مقاومت الکتریکی آلیاژ A-286 در دماهای مختلف ضریب هدایت حرارتی آلیاژ A-286 ضریب انبساط طولی آلیاژ A-286 در دماهای مختلف از این آلیاژ معمولاً در قسمت‌های داغ توربین‌های گاز استفاده می‌شود.
ترکیب شیمیایی Discaloy خواص فیزیکی Discaloy خواص مکانیکی Discaloy خواص حرارتی Discaloy این آلیاژ به شیوهٔ معمول مانند سایر آلیاژهای آهنی می‌شود. این آلیاژ خواص ماشین کاری ای مانند فولاد ضدزنگ آستنیتی دارد. برای این آلیاژ از مایع خنک کنندهٔ پایهٔ آب در ماشین کاری استفاده می‌شود. برای شکل دهی این آلیاژ از شیوه‌های معمول شکل دهی استفاده می‌شود. با استفاده از روش‌های قوس تنگستن گازی، قوس فلزی محافظت شده و جوشکاری قوس فلزی استفاده می‌شود. برای این آلیاژ جوشکاری قوس در زیر آب توصیه نمی‌شود. پس از جوشکاری سرباره باید از روی سطح جوشکاری با استفاده از برس سیمی پاک شود. این آلیاژ امکان کار سرد و آنیل کردن را دارد. کار سرد[] این آلیاز با استفاده از ابزار استاندارد قابل کار سرد می‌باشد.
آنیل[] این آلیاژ در دمای ۱۰۱۰ درجهٔ سانتی گراد به مدت دوساعت آنیل می‌شود و سپس در روغن کوئنچ می‌شود. پیر سختی این آلیاژ به این صورت است که ابتدا در دمای ۱۰۱۰ درجهٔ سانتی گراد به مدت دو ساعت آنیل می‌شود سپس در روغن خنک می‌شود و سپس به مدت ۲۰ ساعت در دمای ۷۳۳ درجهٔ سانتی گراد می‌ماند و در هوا خنک می‌شود و در نهایت در دمای ۶۴۹ درجهٔ سانتی گراد به مدت ۲۰ ساعت می‌ماند و در هوا خنک می‌شود. نخستین ابرآلیاژها در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ میلادی ابداع و استفاده شدند که در آن‌ها کاربیدها در مرزهای دانه نقش اصلی استحکام بخشی را بر عهده داشتند.
ابرآلیاژهای تک کریستال[] ابرآلیاژهای تک کریستال (ابرآلیاژهای SC یا SX) به وسیلهٔ یک شگرد انجماد پیشرفته به صورت تک کریستال ساخته می‌شوند که در نتیجه آن، هیچ مرز دانه ای در ماده وجود ندارد. اکثر آلیاژهای دیگر به وضعیت مرز دانه‌ها بستگی دارد، اما این مرز دانه‌ها در دمای بالا در پدیه خزش شرکت کرده و باید با سازوکار دیگری جایگزین شوند. در اینچنین آلیاژهایی، فازهایی بین فلزی با جهتگیری کریستالی یکسان بین دانه‌ها قرار می‌گیرند. این همنشینی سبب قفل شدن نابجایی‌ها بدون برهم زدن ساختار کریستالی و تبدیل ساختار به می‌شود. ابرآلیاژهای تک کریستال استفاده فراوانی در صفحات تحت فشار توربین‌ها و توربین‌های گازی صنعتی دارند.
سخن نهایی
سوپرآلیاژها به واسطه ویژگی‌های خاص خود، در صنایع مختلفی وارد شده‌اند. این آلیاژها، در صنایعی کاربرد دارند که فلزات معمولی، قادر به وارد شدن به آن صنعت را ندارند. با توجه به کاربردهای خاص ابر آلیاژها، فناوری‌های تولید آن در چندین کشور در دسترس است و بسیاری از کشورها از تولید تامین‌کنندگان استفاده می‌کنند. در وبلاگ آیرومارت درباره انواع آلیاژ از جمله و … مطالب مفیدی برای شما قرار داده‌ایم. همچنین می‌توانید و انواع مقاطع فولادی با آلیاژهای مختلف را از آیرومارت استعلام بگیرید. در صورتی که شما برای فعالیت خود نیاز به یکی از انواع ابر آلیاژ داشتید، جهت تامین کالای مورد نیاز خود می‌توانید با شماره تلفن ۰۲۱۴۵۳۰۶ تماس حاصل نمایید و از کارشناسان ما در آیرومارت کمک بگیرید.
