ابرآلیاژ

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
ابرآلیاژ نیکلی تیغه توربین موتور جت (آربی۱۹۹).

اَبَرآلیاژ (به انگلیسی: Superalloyآلیاژی است که از نظر اکسایش و حفظ استحکام در مقابل حرارتِ بیش از یک‌سومِ نقطهٔ ذوب خود مقاوم باشد.[۱] عنصرِ پایه ی ابرآلیاژها، معمولاً نیکل، کبالت یا آهن-نیکل است.[۲] ابرآلیاژ استحکام زیادی در دماهای بالا دارد و در برابر خزش، خوردگی و اکسایش مقاوم است. این مقاومت توسط عناصری نظیر آلومینیم و کروم ایجاد می‌شود. ساختار کریستالی این آلیاژها معمولاً مکعبی وجه پر (FCC) است.

عمدهٔ کاربرد ابرآلیاژها در قسمت‌های داغ توربین‌های گاز (پره‌های توربین و محفظه احتراق) می‌باشد که دمای گاز در این بخش‌ها به بیش از ۱۰۰۰ درجه سلسیوس می‌رسد.

ساختار شیمیایی[ویرایش]

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.[۳] اَبَرآلیاژی که بیش از ۵۰ درصد وزن آن عنصر نیکل باشد، ابرآلیاژ نیکلی نامیده می‌شود. این آلیاژها می‌توانند با افزودن عناصر فلزی و نافلزی دیگری نظیر کروم، آهن، کبالت، مولیبدن، تنگستن، آلومینیم، تیتانیوم، زیرکونیم، ایتریم، وانادیم، کربن و بور گسترش یابند. هرکدام از این عناصر به منظور تقویت مشخصه خاصی از آلیاژ بکار می‌روند. مقاومت ابرآلیاژها بستگی به کندی حرکت نابجایی(Dislocation)ها در ساختار کریستالی دارد. بدین منظور در آلیاژهای پایه نیکل جدید یک فاز بین فلزی گاماپریم('γ) غالباً به کمک آلومینیم و تیتانیوم ایجاد می‌شود. جهت بهبود مقاومت در برابر اکسایش آلومینیم، کروم، بور و ایتریم به این آلیاژها افزوده می‌شود. 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.[۴] 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.[۵] 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.

متالورژی ابرآلیاژها[ویرایش]

فازهای ابرآلیاژ پایه نیکل[ویرایش]

  • گاما(γ): این فاز یک محلول جامد با ساختار بلوری مکعبی وجه پر(FCC) از عناصر آلیاژی است.[۶][۷] هنگام سرد شدن آلیاژهای نیکل از حالت مذاب، کاربیدها شروع به تشکیل شدن می‌کنند و در دمای پایینتر فاز گاما ایجاد می‌شود.[۶][۸]
ساختار کریستالی "γ در Ni3Nb
  • گاماپریم('γ): این بخش یک فاز بین فلزی بر پایه نیکل به همراه آلومینیم و تیتانیوم است که ساختار بلوری مکعبی وجه پر(FCC) دارد.[۷] جهت ایجاد این فاز، اتمهای نیکل در وجوه مکعب و اتم‌های آلومینیم یا تیتانیوم در لبه‌های مکعب قرار می‌گیرند.[۶] این فاز یک وضعیت ناپایدار بین دمای ۶۰۰ تا ۸۵۰درجه سانتیگراد دارد که در آن 'γ به ساختار بلوری HCP تبدیل می‌شود.[۹] برای موارد با دمای کمتر از ۶۵۰درجه سانتیگراد فاز "γ می‌تواند برای افزایش استحکام فعال شود.
  • گامازگوند("γ): این فاز جهت افزایش استحکام ابرآلیاژهای پایه نیکل در دمایی پایینتر نسبت به فاز 'γ (یعنی دمای کمتر از ۶۵۰درجه سلسیوس) استفاده می‌شود. ساختار بلوری در این فاز، دستگاه بلوری تتراگونال(BCT) است. این ساختار ناهمسانگرد(anisotropic) حاصل یک نابرابری در ابعاد(lattice mismatch) بین ساختارهای تتراگونال(BCT) و مکعبی وجه پر(FCC) است. این فاز در حدود دمای ۶۵۰درجه سلسیوس ناپایدار است.[۹]
  • فازهای کاربید: از این فازها در ابرآلیاژهای پایه نیکل به منظور پایدارسازی ساختار ماده در مقابل تغییر شکل در دماهای بالا استفاده می‌شود. کاربیدها در مرزدانه(grain boundary)ها تشکیل می‌شوند و از حرکت مرز دانه‌ها جلوگیری می‌کنند.[۶][۷]
  • فازهای صفحه متراکم(TCP): به خانواده ای از فازها اطلاق می‌شود که در حالت پیشفرض صفحه متراکم نیستند ولی در اثر مجاورت با بلورهای هگزاگونال(HCP) متراکم می‌شوند. این فازها حاصل اعمال نیروی زیاد در طی دوره‌های زمانی طولانی (هزاران ساعت) تحت دمای بالا (بیش از ۷۵۰درجه سلسیوس) هستند.

فازهای ابرآلیاژ پایه کبالت[ویرایش]

  • گاما(γ): مشابه ابرآلیاژهای پایه نیکل، این فاز بخش اصلی تشکیل دهنده ماتریس آلیاژ است. عناصر موجود در این فاز کربن، تنگستن، نیکل، تیتانیوم، آلومینیم، ایریدیم و تانتال هستند.[۱۰] کروم هم در ابرآلیاژ پایه کبالت حداکثر تا ۲۰درصد وزنی به کار می‌رود که موجب مقاومت در برابر اکسایش و خوردگی می‌شود، مشخصه ای که برای مواد استفاده شده در توربین گاز بسیار حیاتی است.
  • گاماپریم('γ): مشابه آلیاژهای پایه نیکل، این فاز وظیفه استحکام آلیاژ را بر عهده دارد. در این مورد معمولاً از صفحات متراکم ترکیبات کبالت-اکسیژن-تیتانیوم یا بلورهای مکعبی وجه پر(FCC) استفاده می‌شود. عناصر موجود در این فاز نقش بسزایی در پایداری آلیاژ در دمای بالا دارند. در این مورد پایداری بسیار مهم است همان‌طور که ناپایداری یک فاکتور کلیدی در ضعیفتر بودن ابرآلیاژهای پایه کبالت نسبت به ابرآلیاژهای پایه نیکل در دماهای فراتر از معمول است.[۱۱]
  • فازهای کاربید: این بخش استحکام ابرآلیاژ را فراهم می‌کند ولی موجب کاهش خصلت شکل پذیری و مفتول پذیری ابرآلیاژ پایه کبالت می‌شود.

سوپر آلیاژ های پایه آهن[۱۲] [۱۳][ویرایش]

ریز ساختار سوپر آلیاژ پایه آهن

استفاده از آهن در تولید سوپر آلیاژ ها بسیار مورد توجه است زیرا برخی از آلیاز های فولادی در مقاومت به خزش اکسیداسیون و   خوردگی رفتاری مشابه با سوپر آلیاژ های پایه نیکل نشان داده اند در حالی که بسیار ارزان تر و در دسترس تر از سوپرآلیاژ های پایه نیکل و کبالت هستند .

سری AISI 600   شامل ۶ دسته بندی اولیه از آلیاژ های پایه آهن هستند که به شرح زیر است :

1-            601 تا 604 :فولاد کم آلیاژ مارتنزیتی.

2-            610 تا 613 :فولاد مارتنزیتی با سخت کاری ثانویه .

3-            614 تا 619 :فولاد مارتنزیتی کرومی.

4-            630 تا 635 :فولاد ضد زنگ شبه آستنیتی و مارتنزیتی رسوب سختی شده .

5-            650 تا 653 :فولاد استحکام بخشی شده با کار سرد و کار گرم .

6-            660 تا 665 :سوپر آلیاژ های آستنیتی

معایب سوپر آلیاژ پایه آهن [۱۲] :[ویرایش]

ساختار اتمی فاز های گاما و گاما پرایم

مشکلاتی در این نوع آلیاژ ها وجود دارد که مانع از برتری این سوپرآلیاژ ها از سایر سوپرآلیاژ ها می شود. اولین مشکل این است که ساختار الکترونی آهن تمایل بیشتری نسبت به نیکل برای افزایش شکل گیری فاز شکننده و ترد TCP دارد . دومین مشکل این است که جایگزینی نیکل با آهن باعث می شود تا مقاومت به اکسیداسیون  کاهش یابد.سومین مشکل و شاید مهمترین مشکل این است که آهن به علت ساختار الکترونی ای که دارد به تشکیل دیگر فاز ها به غیر از فاز مطلوب گاما پرایم  که دارای ساختار FCC است کمک می کند وباعث می شود تا در بهترین حالت در اغلب موارد این فاز به صورت غیر پایدارتشکیل شود.

نمودار فازی[۱۲] :[ویرایش]

نمودار فازی تعادلی سوپر آلیاژ Fe- Ni- Cr-Ti-Al

طبق نمودار فازی تعادلی سوپر آلیاژ Fe- Ni- Cr-Ti-Al  تنها در زمانی فاز گاما پرایم به صورت پایدار تشکیل می شود که Al/Ti در یک نسبت میانه قرار داشته باشند .به علت دشواری بالای استفاده از آلمینیوم این عنصر در بیشتر سوپر آلیاژ های غنی از آهن در مقادیر کمتر لزوما با هدف اکسیژن زدایی در طول فرآیند ذوب مورد استفاده قرار می گیرد. در بسیاری از درجه های این سوپر آلیاژ ها Ti  در آن ها از عناصراصلی می باشد و با گامای ناپایدار ((Ni3Ti سخت شده اند.متاسفانه قرار گرفتن این سوپر آلیاژ ها در معرض دمای بالای 650 درجه ی سانتی گراد سبب می شود تا گاما پرایم با فاز پایدار "اتا" به حالت صفحات خشن به یکی از دو صورت  کلونی های سلولی که از مرز دانه رشد کرده اند یا ویدمن اشتاتن  جایگزین شود که تغییر حالت همراه با کاهش قابل توجه استحکام می باشد تعدادی از درجات تجاری سوپر آلیاژ های پایه آهن یا غنی از آهن در جدول زیر آورده شده اند[۱۴][۱۵] :

B c v Al Ti Mo Co Ni Cr Si Mn Fe
0.03 0.05 0.3 0.2 2.15 1.25 26 15 0.4 1.4 53.2 A 286
0.04 0.1 1.75 2.75 26 13.5 0.8 0.9 54.2 Discaloy
0.05 0.2 2.5 6.2 42.7 13.5 0.4 0.4 34.2 Inconel 901
0.03 0.2 2.6 3.2 20 38 18 1 0.8 16.2 Refractory 26
نمودار فازی Fe-Ni-Cr

فاز های سوپر آلیاژ پایه آهن[۱۳]:[ویرایش]

گاما:شبیه به فاز هایی  که در سوپر آلیاژ های پایه نیکل یافت می شود سوپر آلیاژ های پایه آهن دارای یک شبکه از فاز آستنیت آهن می باشند که دارای ساختار FCC می باشد .عناصر آلیاژی ای که معمولا در این فولاد های ضد زنگ یافت می شود شامل موارد مقابل می باشد :Al  , B , C , Co , Cr , Mo , Ni , Nb , Si  , Ti , W , Y .زمانی که آلمینیوم به علت خواص  ضد اکسیداسیونی که به سوپر آلیاژ پایه آهن می دهد اضافه می شود باید میزان درصد وزنی آن در مقادیر پایین نگه داشته شود زیرا آلمینیوم پایدار کننده ی شبکه ی فاز فریت اولیه که دارای ساختار BCC  است می باشد که یک فاز نا مطلوب در ریز ساختار سوپر آلیاز ها می باشد. این فاز برای استحکام در دمای بالایی که توسط شبکه ی آستنیت اولیه با ساختار FCC ایجاد شده است نا مطلوب است .

گاما پرایم :فاز گاما پرایم به صورت رسوب هایی که باعث افزایش استحکام در سوپر آلیاژ ها وجود دارد.شبیه به آلیاژ های پایه نیکل رسوب های گاما پرایم می توانند با عناصری مانند Al , Ni, Nb , Ti  تولید شود[۱۳] .

ریز ساختار سوپر الیاژ های پایه آهن[۱۳] :[ویرایش]

دو نوع عمده از  فولاد های ضد زنگ وجود دارند که با لایه اکسیدی ای که روی سطح آن ها تشکیل می شود توصیف می شوند :

1-     فولاد ضد زنگ کروم_تشکیل

2-     فولاد ضد زنگ آلومینا _تشکیل


فولاد ضد زنگ کروم تشکیل:این نوع از فولاد ضد زنگ  در دسترس ترین نوع فولاد ضد زنگی است که تولید شده است با این حال فولاد ضد زنگ کروم_تشکیل مقاومت به خزش بالایی بالای در هنگام کار در دمای بالا به خصوص در محیط هایی که دارای بحار آب می باشند و در مقایسه با با سوپر آلیاژ های پایه نیکل از خود نشان نمی دهند.قرار گرفتن این سوپر آلیاژ هنگام کار در دمای بالا در معرضبخار آب می تواند موجب افزایش اکسیداسیون داخلی و افزایش سرعت شکل گیری ماده ی فرٌار کروم هیدروکسید می شود که هر دو عامل ذکر شده می تواند باعث کاهش  عمر و کارکرد این آلیاژ شود .

فولاد های ضد زنگ آلومینا_تشکیل:این نوع از فولاد ضد زنگ دارای یک شبکه از آهن آستنیتی با ساختار FCC به همراه آلمینیوم اکسید بر روی سطح فولاد می باشد.آلومینیوم از لحاظ ترمودینامیکی دارای پایداری بیشتری نسبت به کروم  با اکسیژن دارد.با وجود آن که فاز های  رسوبی برای افزایش استحکام و مقاومت به خزش استفاده می شوند در فولاد های ضد زنگ آلومینا_تشکیل  رسوبات NiAl به عنوان مخزن Al برای نگه داری و حفظ لایه آلومینا نقش ایفا می کنند.علاوه بر این اضافه کردن عناصر Nb  و Cr می تواند به تشکیل و پایداری آلومینا به وسیله ی افزایش کسر حجمی رسوبات NiAl کمک کند .[۱۶]


تلاش های تحقیقاتی برای توسعه ی سوپر آلیاژ های پایه آهن آلومینا_تشکیل به پنج درجه بندی برای فولاد آلومینا_تشکیل آستنیتی(AFA) با کارکرد های متفاوت در دماهای مختلف به هنگام اکسید شدن در هوا+10% بخار آب رسیده است که به شرح زیر می باشند[۱۷] :

  • AFA Grade: (50-60)Fe-(20-25)Ni-(14-15)Cr-(2.5-3.5)Al-(1-3)Nb wt.% base
    • 750-800 °C operating temperatures at oxidation in air + 10% water vapor
  • Low Nickel AFA Grade: 63Fe-12Ni-14Cr-2.5Al-0.6Nb-5Mn3Cu wt.% base
    • 650 °C operating temperatures at oxidation in air + 10% water vapor
  • High Performance AFA Grade: (45-55)Fe-(25-30)Ni-(14-15)Cr(3.5-4.5)Al-(1-3)Nb-(0.02-0.1)Hf/Y wt.% base
    • 850-900 °C operating temperatures at oxidation in air + 10% water vapor
  • Cast AFA Grade: (35-50)Fe-(25-35)Ni-14Cr-(3.5-4)Al-1Nb wt.% base
    • 750-1100 °C operating temperatures at oxidation in air + 10% water vapor, depending upon Ni wt.%
  • AFA superalloy (40-50)Fe-(30-35)Ni-(14-19)Cr-(2.5-3.5)Al-3Nb
    • 750-850 °C operating temperatures at oxidation in air + 10% water vapor

سوپرآلیاژ پایه آهن A-286[۱۸][ویرایش]

یکی از پرکاربرد ترین سوپر آلیاژ های پایه آهن می باشد  که در مواردی که به استحکام بالا و مقاومت به خوردگی تا دمای 704 درجه ی سانتی گراد نیاز است است مورد استفاده قرار می گیرد .هم چنین از این آلیاژ می توان در دما های بالا تر و تنش کمتر استفاده کرد.این آلیاژ یک فولاد آستنیتی می باشد و می تواند به روش پیر سختی به استحکام های بسیار بالا برسد.هم چنین این آلیاژ را می توان در دما های پایین تر در محدوده ی بالا تر از دمای اتاق تا دمای -196 درجه ی سانتی گراد به عنوان ماده ی شکل پذیر و مستحکم غیر مغناطیسی  به کار برد.این آلیاز می تواند در انحلال های آبی  با خوردگی متوسط مورد استفاده قرار گیرد.برای تصفیه ی این آلیاژ ازیکی از دو روش ESR  یا VAR  استفاده می کنند. این آلیاژ به صورت ورقه و نوار های باریک و پلیت در دسترس می باشد.[۱۳]

ترکیب شیمیایی سوپر آلیاژ A-286 :[ویرایش]

ترکیب شیمیایی سوپر آلیاژ A-286










مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون در آلیاژ A-286:[ویرایش]

عناصر آلیاژی به کار رفته در در این آلیاژ در کروم نیکل  و مولیبدن  مشابه با برخی از فولاد های ضد زنگ آستنیتی می باشد . مقاومت به خوردگی این آلیاژ در دما های بالا به خوبی مقاومت به خوردگی آن در دما های پایین می باشد.مقاومت به اکسیداسیون در این آلیاژ در صورتی که به صورت پیوسته عملیاتی باشد تا دمای 816 درجه ی سانتی گراد و در صورتی که متناوبا کارکند تا دمای 982 درجه ی سانتی گراد در مقدار بالایی قرار دارد.

ویژگی های فیزیکی آلیاژ A-286:[ویرایش]

ویژگی های فیزیکی A-286




خواص مکانیکی آلیاژ A-286:[ویرایش]

خواص مکانیکی آلیاژ A-286




مقاومت الکتریکی آلیاژ A-286:[ویرایش]

مقاومت الکتریکی آلیاژ A-286 در دما های مختلف






ضریب هدایت حرارتی آلیاژ A-286 :[ویرایش]

ضریب هدایت حرارتی آلیاژ A-286





ضریب انبساط طولی آلیاژ A-286:[ویرایش]

ضریب انبساط طولی آلیاژ A-286 در دما های مختلف







معادل آلیاژ A-286 در استاندارد ها :[ویرایش]

این آلیاژ معادل AMS 5525  و در استاندارد UNS معادل S66286 می باشد.

سوپر آلیاژ پایه آهن ( Discaloy (UNS S66220[۱۹][ویرایش]

از این آلیاژ معمولا در قسمت های داغ توربین های گاز استفاده  می شود.این آلیاژ قابل پیر سختی می باشد.هم چنین قابلیت فورج بسیار خوبی دارد. داری عناصر کروم و نیکل به عنوان عناصر آلیاژی اصلی می باشد مطالب پایین اطلاعات بیشتری درباره ی ویژگی های این سوپر آلیاژ می دهد.

ترکیب شیمیایی Discaloy:[ویرایش]

ترکیب شیمیایی Discaloy







خواص فیزیکی Discaloy:[ویرایش]

خواص فیزیکی Discaloy




خواص مکانیکی Discaloy :[ویرایش]

خواص مکانیکی Discaloy





خواص حرارتی Discaloy:[ویرایش]

خواص حرارتی Discaloy




معادل Discaloy در استاندارد ها :[ویرایش]

این آلیاژ معادل (AMS 5733 ,ASTM A453(662),ASTM A638(662  می باشد.

ماشین کاری Discaloy:[ویرایش]

این آلیاژ به شیوه ی معمول مانند سایر آلیاژ های آهنی ماشین کاری می شود .این آلیاژ خواص ماشین کاری ای مانند فولاد ضد زنگ آستنیتی دارد. برای این آلیاژ از مایع خنک کننده ی پایه ی آب در ماشین کاری استفاده می شود.

شکل دهی Discaloy:[ویرایش]

برای شکل دهی این آلیاژ از شیوه های معمول شکل دهی استفاده می شود.

جوشکاری Discaloy:[ویرایش]

با استفاده از روش های قوس تنگستن گازی,قوس فلزی محافظت شده و جوشکاری قوس فلزی استفاده می شود.برای این آلیاژ جوشکاری قوس در زیر آب توصیه نمی شود .پس از جوشکاری سرباره باید از روی سطح جوشکاری با استفاده از برس سیمی پاک شود.

عملیات حرارتی Discaloy:[ویرایش]

این آلیاژ امکان کار سرد و آنیل کردن را دارد .

کار سرد :[ویرایش]

این آلیاز با استفاده از ابزار استاندارد قابل کار سرد می باشد. استفاده از مواد نرم قالب مانند آلیاژ های روی و برنز می تواند باعث بهبود خروجی کار سرد و کاهش چسبندگی قطعات در اثر سایش شود.[ویرایش]

آنیل:[ویرایش]

این آلیاژ در دمای 1010 درجه ی سانتی گراد به مدت دوساعت آنیل می شود و سپس در روغن کوئنچ می شود.

پیرسختی Discaloy:[ویرایش]

پیر سختی این آلیاژ به این صورت است که ابتدا در دمای 1010 درجه ی سانتی گراد به مدت دو ساعت آنیل می شود سپس در روغن خنک می شود و سپس به مدت 20 ساعت در دمای 733 درجه ی سانتی گراد می ماند و در هوا خنک می شود و در نهایت در دمای 649 درجه ی سانتی گراد به مدت 20 ساعت می ماند و در هوا خنک می شود .

ریزساختار ابرآلیاژها[ویرایش]

در فاز Ni3Al خالص، اتم‌های آلومینیم در وجوه عمودی کریستال مکعبی قرار دارند و زیر-بعدA را تشکیل می‌دهند. اتم‌های نیکل هم در مراکز وجوه قرار گرفته و زیر-بعدB را تشکیل می‌دهند. زیر بعد A و B از فاز 'γ می‌توانند مقادیر قابل ملاحظه ای از سایر عناصر را در خود حل کنند. عناصر آلیاژی می‌توانند به همین شکل در فاز γ حل شوند. فاز 'γ طی یک سازوکار(mechanism) غیرمعمول و غیرعادی به نام تسلیم(Yield strength anomaly) سختی را تعیین می‌کند. نابجایی‌ها از مکان خود جدا شده و با ایجاد فواصل زیاد در ساختار، باعث ایجاد ناکاملی بلوری(Crystallographic defect) می‌شوند؛ بنابراین استنباط می‌شود که در دمای بالا، انرژی آزاد شده از پیوندهای بین فازی(APB) به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش می‌یابد اگر این پیوند بر یک صفحه خاص تکیه داشته باشد که اجازه لغزش را دارا نباشد. به محض حرکت نابجایی‌ها، پیوندهای بین فازی بر صفحات کم انرژی تکیه داده و به دلیل اینکه این صفحات اجازه حرکت ندارند، نابجایی‌ها به شکل مؤثری قفل شده و اجازه تغییرشکل را نمی‌دهند. به وسیلهٔ این سازوکار، تنش تسلیم فاز 'γ در Ni3Al تا دمای ۱۰۰۰درجه سانتیگراد افزایش یافته و موجب استحکام فوق‌العاده ابرآلیاژ در دماهای بالا 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.[۲۰]

ابرآلیاژهای جدید در دهه ۱۹۸۰ میلادی تولید شدند. نسل اول این ابرآلیاژها دارای مقادیر اضافه شده آلومینیم، تیتانیوم، تاتنال و نیوبیم بود که منجر به افزایش کسر حجمی فاز 'γ تا بین ۵۰ و ۷۰درصد در این آلیاژها می‌شد. چند مثال از این ابر آلیاژها PWA1480 و René N4 و SRR99 هستند.

نسل دوم و سوم این ابرآلیاژها شامل ۳ تا ۶ درصد وزنی رنیوم بودند که منجر به افزایش ظرفیت گرمایی می‌شد. علاوه بر این رنیوم باعث کاهش نرخ نفوذ (و به طبع آن خزش در دمای بالا) و بهبود عملکرد در دمای بالا می‌شود.[۲۱] همچنین رنیوم موجب تقویت فازهای TCP شده که منجر به کاهش مقادیر کبالت، تنگستن، مولیبدن و به ویژه کروم می‌شود. به همین دلیل در نسل‌های جدیدتر ابرآلیاژهای پایه نیکل مقدار کروم کاهش قابل ملاحظه ای داشته که خود باعث کاهش مقاومت در برابر اکسایش شده‌است. در حال حاضر شگردهای پیشرفته لایه گذاری(coating) موجب کاهش از دست رفتن مقاومت در برابر اکسایش در آلیاژهای فاقد کروم شده‌است.[۹][۲۲] مثال‌هایی از ابرآلیاژهای نسل دوم PWA1484 و PWA1484 و René N5 هستند. از ابرآلیاژهای نسل سوم هم می‌توان به CMSX-10 و René N6 اشاره کرد. نسل‌های چهارم، پنجم و ششم ابرآلیاژها نیز تولید شده‌اند که به دلیل دارا بودن مقادیر اضافی روتنیم گرانتر از نسل‌های قبل که شامل مقادیری رنیوم بودند، هستند.

تمام تلاش بر این است که تا حد ممکن از عناصر سنگین و گران‌قیمت در تولید آلیاژها دوری شود، به عنوان مثال فولاد اگلین(Eglin steel) یک آلیاژ ارزان با تحمل حرارت زیاد و واکنش پذیری شیمیایی کم است.


ابرآلیاژهای تک کریستال[ویرایش]

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. خواص مکانیکی 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 آمورف می‌شود.

ابرآلیاژهای تک کریستال استفاده فراوانی در صفحات تحت فشار توربین‌ها و توربین‌های گازی صنعتی دارند. از ابتدای مطرح شدن فناوری ایجاد تک کریستال، تولید ابرآلیاژهای تک کریستال متمرکز بر افزایش ظرفیت گرمایی بود و بهبود عملکرد این آلیاژها مدیون رنیوم و روتنیم است.

با افزایش دمای توربین مهم است که یک درک پایه ای از فرایند فیزیکی خزش تک کریستال در آن شرایط ویژه (دما و تنش زیاد) حاصل شود. رفتار خزشی ابرآلیاژ تک کریستال بستگی به دما، تنش و جهتگیری کریستال آلیاژ دارد. برای یک ابرآلیاژ تک کریستال سه حالت متفاوت خزش تحت دما و تنش مختلف وجود دارد: Rafting و Tertiary و Primary.[۲۳] در دمای پایین (حدود ۷۵۰درجه سانتیگراد) رفتار به صورت Primary,[۲۴] در دمای حدود ۸۵۰درجه سلسیوس به صورت Tertiary[۲۵] و در دمای ۱۰۰۰درجه سانتیگراد به صورت Rafting[۲۶] خواهد بود.

اکسایش در ابرآلیاژها[ویرایش]

پوشش ابرآلیاژها[ویرایش]

تولیدات سوپرآلیاژ که برای کارهای دردمای بالا و محیط‌های خورنده مثل: (مناطق تیغه ای توربین‌های موتور جت) مورد استفاده قرار می‌گیرند. به وسیلهٔ انواع مختلفی از پوشش‌ها، پوشش داده می‌شوند. عمدتاً دو نوع مختلف از روش‌های پوشش دهی نمایش داده شده‌است. پروسهٔ پک کردن و پوشش دهی فاز گازی هر دو گونه ای از روش GVD هستند. دراکثر مواد، بعد ازمرحلهٔ پوشش دهی در نزدیک نواحی سطحی از آلومینا غنی می‌گردد. زمینهٔ پوشش از نیکل آلومیناید است. ورود یک روش جدید تحقیقاتی در تهیهٔ آلیاژها و سوپرآلیاژهای این چنین از روش تهیه به وسیلهٔ فاز ذرات است. این پروسه یک روش کلی تهیه نانو ذرات است. با توسعهٔ دانستنیهایمان در زمینهٔ علم مواد تولید نانو ذرات مواد توسعه می‌یابد. سپس ما می‌توانیم تحقیقاتمان را در جنبه‌های تولید سوپرآلیاژهای، شبیه آلیاژهای پایه نیکل توسعه دهیم.

موارد استفاده[ویرایش]

سوپرآلیاژها درجاهایی که نیاز به مقاومت گرمایی و مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی نیازباشد استفاده می‌گردد. کاربرد سوپرآلیاژها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزا هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. اهمیت سوپرآلیاژها در تجارت روز را می‌توان با یک مثال نشان داد. در سال ۱۹۵۰ فقط ۱۰ درصد از کل وزن توربین‌های گاز هواپیما از سوپرآلیاژ 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 سوپرآلیاژها، مواد استانداردی برای ساخت وسایل پزشکی به وجود آورده‌است. سوپرآلیاژها همچنین کاربردهایی در دماهایی بسیار پایین پیدا کرده‌اند.

در نهایت بیشترین کاربرد سوپرآلیاژها در موارد زیر است :هواپیماها و توربین‌های گازی صنعتی، موتورهای الکتریکی نظامی، فضاپیماها، زیردریایی‌ها، رآکتورهای اتمی، مجاری فرایندهای شیمیایی، مجاری تبادل گرمایی

ابرآلیاژهای جدید[ویرایش]

سوپرآلیاژها به طورخاص ساختار کریستالی مکعبی مرکز وجوه (FCC)دارد. عناصرآلیاژی پایه برای سوپرآلیاژها معمولاً نیکل، کبالت یا آهن ـ کبالت هستند. توسعهٔ سوپرآلیاژها به‌طور وسیعی بر دو عامل شیمیایی و پروسه‌های نوآوری وابسته است و در ابتدا به وسیلهٔ صنایع قدرت و فضاپیما مشتق و ساخته شد. کاربردهای خاصش در فضاپیماها، توربین‌های گازطبیعی و صنایع توربین‌های دریایی به عنوان مثال برای پره‌های توربین برای قسمت‌های موتورجت استفاده می‌شود.

نمونه‌های سوپرآلیاژها:

  • آلیاژهاست (Hastelloy)
  • آلیاژ اینکونل (Inconel)
  • آلیاژ واسپالی (Wast paloy)
  • آلیاژ رنه الوی (Rene alloys)مانند (رنه ۴۱، رنه ۸۰، رنه ۹۵)
  • آلیاژهای هانیس (Hagnasalloys)
  • آلیاژ انیکلوی (Incolog)
  • آلیاژ ام پی (mp98t)T98)
  • آلیاژهای تی ام اس (TMS)
  • آلیاژهای کریستال (CMSX)

کاربرد ابر آلیاژها[ویرایش]

امروزه در مقیاس وسیعی از سوپر آلیاژها در صنایع مختلف استفاده می‌شود که از جمله آن می‌توان به پره‌های توربین‌های گاز در نیروگاه‌ها و موتورهای جت اشاره کرد. جنس این پره‌ها و قابلیت تحمل آن‌ها در برابر خوردگی و دمای بالا در راندمان نهایی توربین گاز مؤثر است امروزه سوپرآلیاژهایی که در پره‌های توربین گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توانند دمای ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کنند حال اگر بتوان سوپر آلیاژی ساخت که دمای بیشتری را تحمل کند راندمان نیروگاه‌ها و هواپیماهایی که از این توربین‌های گازی استفاده می‌کنند بیشتر می‌شود و در مقیاس وسیع بسیار ارزشمند است و گاه برای اینکه فقط ۲۰ درجه سانتیگراد این سقف حرارتی را بالا ببرند هزینه‌های هنگفتی صرف می‌شود. سوپر آلیاژهایی که در پره‌های توربین گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند معمولاً با پایه نیکل و از پیچیده‌ترین ترکیبات انواع سوپر آلیاژها هستند. کشورهایی که به تکنولوژی ساخت سوپر آلیاژها دست پیدا می‌کنند عملاً به برتری اقتصادی و استراتژیکی دست خواهند یافت. به علت استفاده گسترده از این فناوری در صنایع نظامی دانش ساخت آن جزء اطلاعات محرمانه است و برای بدست آوردن چنین دانشی نیاز به سرمایه‌گذاری سنگینی وجود دارد.

جستارهای وابسته[ویرایش]

پیوند به صفحات دیگر[ویرایش]

https://www.machinedesign.com/materials/metals/article/21812934/ironbased-superalloys

https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/superalloys

http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2003/Superalloys/superalloys.html

https://www.tms.org/Meetings/Specialty/Superalloys2000/SuperalloysHistory.html

https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.18239

https://www.carpentertechnology.com/en/alloy-techzone/technical-information/alloy-selection/selection-of-age-hardenable-superalloys

پانویس[ویرایش]

  1. توضیح ابرآلیاژ در کتاب مصوبات فرهنگستان زبان فارس.
  2. «معرفی تکنولوژی سوپرآلیاژ و میزان کاربرد آن در جهان و ایران». شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران. ۱۵ دی ۱۳۸۱. دریافت‌شده در ۲۵ بهمن ۱۳۸۹.[پیوند مرده]
  3. Reed, Roger C. The Superalloys: Fundamentals and Applications. Cambridge, UK: Cambridge UP, 2006.
  4. Klein, L. , Y. Shen, M. S. Killian, and S. Virtanen. "Effect of B and Cr on the High Temperature Oxidation Behavior of Novel γ/γ′Strengthened Co-base Superalloys." Corrosion Science 53 (2011): 2713-720.
  5. Sato, J. "Cobalt-Base High-Temperature Alloys." Science 312.5770 (2006): 90-91.
  6. ۶٫۰ ۶٫۱ ۶٫۲ ۶٫۳ Sabol, G. P. & Stickler, R. Microstructure of Nickel-Based Superalloys. physica status solidi (b) 35, 11-52, doi:10.1002/pssb.19690350102 (1969).
  7. ۷٫۰ ۷٫۱ ۷٫۲ Randy Bowman, Superalloys: A Primer and History
  8. Minoru Doi et.al Gamma/Gamma-Prime Microstructure Formed by Phase Separation of Gamma-Prime Precipitates in Ni-Al-Ti Alloys
  9. ۹٫۰ ۹٫۱ ۹٫۲ Dunand, David C. Materials Science & Engineering 435: High Temperature Materials. Northwestern University, Evanston. 25 Feb. 2016. Lecture.
  10. Cui, C. "A New Co-Base Superalloy Strengthened by γ’ Phase." Materials Transactions 47.8 (2006): 2099-2102.
  11. Suzuki, A. , and Tresa M. Pollock. "High-temperature strength and deformation of γ/γ′ two-phase Co–Al–W-base alloys "Acta Materialia 56.6 (2008): 1288-97.
  12. ۱۲٫۰ ۱۲٫۱ ۱۲٫۲ Title :The Microstructure of Superalloys Author :Madeleine Durand-Charre Edition: illustrated Publisher : CRC Press, 1998 ISBN : 9056990977, 9789056990978 Length : 124 pages. کاراکتر horizontal tab character در |عنوان= در موقعیت 6 (کمک)
  13. ۱۳٫۰ ۱۳٫۱ ۱۳٫۲ ۱۳٫۳ ۱۳٫۴ "Superalloy". Wikipedia. 2020-05-13.
  14. Title Superalloys Editor Mahmood Aliofkhazraei Publisher BoD – Books on Demand, 2015 ISBN 9535122126, 9789535122128 Length 346 pages. کاراکتر horizontal tab character در |عنوان= در موقعیت 6 (کمک)
  15. Title Superalloys Editor Mahmood Aliofkhazraei Publisher BoD – Books on Demand, 2015 ISBN 9535122126, 9789535122128 Length 346 pages. کاراکتر horizontal tab character در |عنوان= در موقعیت 6 (کمک)
  16. Brady, M. P.; Yamamoto, Y.; Santella, M. L.; Maziasz, P. J.; Pint, B. A.; Liu, C. T.; Lu, Z. P.; Bei, H. (1 July 2008). "The development of alumina-forming austenitic stainless steels for high-temperature structural use". JOM. 60 (7): 12. Bibcode:2008JOM....60g..12B. doi:10.1007/s11837-008-0083-2. ISSN 1047-4838.
  17. Muralidharan, G.; Yamamoto, Y.; Brady, M. P.; Walker, L. R.; Iii, H. M. Meyer; Leonard, D. N. (1 November 2016). "Development of Cast Alumina-Forming Austenitic Stainless Steels". JOM. 68 (11): 2803–2810. Bibcode:2016JOM....68k2803M. doi:10.1007/s11837-016-2094-8. ISSN 1047-4838. OSTI 1362187.
  18. "Iron-Based Super Alloy A-286 - Properties and Applications by United Performance Metals". AZoM.com. 2008-11-14. Retrieved 2020-06-09.
  19. says, sumbal Nazir (2012-10-22). "Super Alloy Discaloy™ (UNS S66220)". AZoM.com. Retrieved 2020-06-09.
  20. D. Bombač, M. Fazarinc, G. Kugler, S. Spajić, Microstructure development of Nimonic 80A superalloys during hot deformation, Materials and Geoenvironment, 55:3 (2008) 319-328.
  21. Reed, R.C. The Superalloys: Fundamentals and Applications. Cambridge: Cambridge University Press; 2006. 121.
  22. Dunand, David C. "High-Temperature Materials for Energy Conversion" Materials Science & Engineering 381: Materials for Energy-Efficient Technology. Northwestern University, Evanston. 3 Feb. 2015. Lecture.
  23. Nabarro, F.R.N and de Villiers, H.L. "The physics of creep." Talylor and Francis, London, 1995
  24. N. Matan, D.C. Cox, P. Carter, M.A. Rist, C.M.F. Rae, R.C. Reed. "Creep of CMSX-4 superalloy single crystals: effects of misorientation and temperature."Acta Materialia. 47(1999)
  25. Reed RC. "The superalloys: fundamentals and applications." Cambridge: Cambridge Press; 2006.
  26. Frank R Nabarro. "Rafting in superalloys."1996

منابع[ویرایش]

  • Callister, William D. , and David G. Rethwisch. Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Introduction _ 9th Edition