سوپر آلیاژ،اصول متالورژی سوپر آلیاژها،Superalloy

سوپر آلیاژ (Superalloy) به آلیاژهای پایه نیکل، پایه آهن – نیکل و پایه کبالت گفته می شود که عموما در دماهای بالاتر از 540 درجه سانتی گراد استفاده می شوند. سوپر آلیاژ های پایه آهن – نیکل مانند آلیاژ IN-718 از فن آوری فولادهای زنگ نزن توسعه یافته اند و معمولا به صورت کار شده هستند. سوپر آلیاژ های پایه نیکل و پایه کبالت بسته به نوع کاربرد و ترکیب شیمیایی می توانند به صورت ریخته یا کار شده باشند.
از آغاز پیدایش سوپر آلیاژ ها، تعداد زیادی آلیاژ شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته و تعدادی نیز به عنوان اختراع ثبت شده اند. تعدادی از آن ها در طول سالیان گذشته غربال شده و تعدادی به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند. در شکل زیر رفتار تنش گسیختگی سه گروه آلیاژی با یکدیگر مقایسه شده اند (سور آلیاژهای پایه آهن- نیکل، پایه نیکل و پایه کبالت).
سوپرآلیاژ های دارای ترکیب شیمیایی مناسب را می توان با آهنگری و نورد به اشکال گوناگون درآورد. ترکیب های شیمیایی پرآلیاژ تر معمولا به صورت ریخته گری می باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می توان با جوشکاری یا لحیم کاری بدست آورد، اما ترکیب های شیمیایی که دارای مقادیر زیادی از فازهای سخت کننده هستند، به سختی جوشکاری می شوند. خواص سوپرآلیاژها را با تنظیم ترکیب شیمیایی و فرآیند (شامل عملیات حرارتی) می توان کنترل کرد و استحکام مکانیکی بسیار عالی در محصول تمام شده به دست آورد

اصول متالورژی سوپر آلیاژها
سوپرآلیاژهای پایه آهن، نیکل و کبالت معمولا دارای ساختار بلوری با شبکه 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 آن ها به FCC تبدیل می شود. 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 نمی شود بلکه توسط دمای ذوب موضعی آلیاژها و انحلال فازهای استحکام یافته تعیین می گردد. در ذوب موضعی بخشی از آلیاژ که پس از انجماد ترکیب شیمیایی تعادلی نداشته است در دمایی کمتر از مناطق مجاور خود ذوب می شود. همه آلیاژها دارای یک محدوده دمایی ذوب می شوند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه ای صورت نمی گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد. استحکام سوپر آلیاژ ها نه تنها به وسیله شبکه FCC و ترکیب شیمیایی آن، بلکه با حضور فازهای استحکام دهنده ویژه مانند رسوب ها افزایش می یابد. کار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ (مانند تغییر شکل سرد) نیز استحکام را افزایش می دهد، اما این استحکام به هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می شود.
تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتر در دمای پایین وجود دارد که گاهی در سوپر آلیاژ های کبالت اتفاق می افتد. شبکه FCC سوپر آلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحکام دهنده (در سوپر آلیاژ های پایه آهن – نیکل و پایه نیکل) انعطاف پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص 7.8 گرم بر سانتی متر مکعب و چگالی نیکل و کبالت تقریبا 8.9 گرم بر سانتی متر مکعب است. چگالی سوپر آلیاژ های پایه آهن - نیکل تقریبا 8.3-7.9 گرم بر سانتی متر مکعب، پایه کبالت 9.4-8.3 و پایه نیکل 7.8-8.9 است.
چگالی سوپر آلیاژ ها به مقدار عناصر آلیاژی افزوده شده بستگی دارد. عناصر آلیاژی Ti،Cr و Al چگالی را کاهش و W،Re و Ta آنرا افزایش می دهند. مقاومت به خوردگی سوپر آلیاژ ها نیز به عناصر آلیاژی افزوده شده و به ویژه Al، Cr و محیط بستگی دارد.
دمای ذوب عناصر خالص نیکل،کبالت و آهن به ترتیب 1453،1495 و 1537 درجه سانتی گراد است. دمای ذوب حداقل (دمای ذوب موضعی) و دامنه ذوب سوپر آلیاژ ها، تابعی از ترکیب شیمایی و فرآیند اولیه است. به طور کلی دمای ذوب موضعی سوپر آلیاژ های پایه کبالت نسبت به سوپرآلیاژها پایه نیکل بیشتر است. سوپرآلیاژهای پایه نیکل ممکن است در دمای 1204 درجه سانتی گراد از خود ذوب موضعی نشان دهند. انواع پیشرفته سوپر آلیاژ های 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 آلیاژ های پایه کبالت هستند.


ویژگی ها و خواص سوپر آلیاژها
1- فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیم در دماهای بالاتر از 540 درجه سانتی گراد دارای استحکام کافی نیستند و امکان خسارت دیدن آلیاژ در اثر خوردگی وجود دارد.
2- چنانچه استحکام در دماهای بالاتر (زیر دمای ذوب که برای اکثر آلیاژها تقریبا 1204-1371) مورد نیاز باشد، سوپر آلیاژ های پایه نیکل انتخاب می شوند.
3- از سوپر آلیاژهای پایه نیکل می توان در نسبت دمایی بالاتری (نسبت به دمای ذوب) در مقایسه با مواد تجاری موجود استفاده کرد. فلزات دیرگداز (نسوز) نسبت به سوپر آلیاژ ها دمای ذوب بالاتری دارند ولی سایر خواص مطلوب آن ها را ندارند و به همین خاطر به طور وسیعی مورد استفاده قرار نمی گیرند.
4- سوپر آلیاژ های پایه کبالت را می توان به جای سوپر آلیاژ های پایه نیکل استفاده کرد که این جایگزینی به استحکام مورد نیاز و نوع خوردگی بستگی دارد.
5- در دماهای پایین تر وابسته به استحکام مورد نیاز، سوپر آلیاژ های پایه آهن - نیکل نسبت به سوپر آلیاژ های پایه نیکل و پایه کبالت کاربرد بیشتری پیدا کرده اند.
6- استحکام سوپر آلیاژ نه تنها مستقیما به ترکیب شیمیایی بلکه به فرآیند ذوب، آهنگری و روش شکل دهی، روش ریخته گری و بیشتر از همه به عملیات حرارتی پس از شکل دهی، آهنگری یا ریخته گری بستگی دارد.
7- سوپر آلیاژ های پایه آهن – نیکل نسبت به سوپر آلیاژ های پایه نیکل و پایه کبالت ارزان تر هستند.
8- اکثر سوپر آلیاژ های کار شده برای بهبود مقاومت خوردگی دارای مقداری کروم هستند. مقدار کروم در آلیاژهای ریخته در ابتدا زیاد بوده، اما به تدریج مقدار آن کاهش یافت تا عناصر آلیاژی دیگری برای افزایش خواص مکانیکی سوپر آلیاژ های دما بالا، به آن ها افزوده شوند. در سوپر آلیاژ های پایه نیکل با کاهش کروم مقدار آلومینیم افزایش یافت، در نتیجه مقاومت اکسیداسیون آن ها در همان سطح اولیه باقی می ماند و یا افزایش می یابد، اما مقاومت در برابر انواع دیگر خوردگی کاهش می یابد.
9- سوپر آلیاژ ها مقاومت در برابر اکسیداسیون بالایی دارند اما در بعضی موارد مقاومت خوردگی کافی ندارند. در کاربرد هایی مانند توربین هواپیما که دما بالاتر از 760 درجه سانتی گراد است سوپرآلیازها باید دارای پوشش کافی باشند. سوپر آلیاژها در کاربردهای طولانی مدت در دماهای بالاتر از 649 درجه سانتی گراد مانند توربین های گازی زمینی می توانند پوشش داشته باشند.
10- فن آوری پوشش دهی سوپر آلیاژ ها بخش مهمی از کاربرد و توسعه آن ها می باشد. نداشتن پوشش به معنی کارآیی کم سوپر آلیاژ در دراز مدت و دماهای بالاست.
11- در سوپر آلیاژ ها به ویژه در سوپر آلیاژ های پایه نیکل بعضی از عناصر در مقادیر جزئی تا زیاد اضافه شده اند. در بعضی از آلیاژ ها تعداد عناصر کنترل شده موجود تا 14 عنصر و بیشتر می تواند باشد.
12- نیکل، کبالت، کروم، تنگستن، مولیبدن، رنیم، هافنیم و دیگر عناصر استفاده شده در سوپر آلیاژ ها اغلب گران بوده و مقدارشان در طی زمان متغییر است.


کاربرد سوپر آلیاژها
کاربرد سوپر آلیاژ ها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزای هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. دما گاز در بخش داغ موتور هواپیما ممکن است به بالاتر از 1093 درجه سانتی گراد برسد. با استفاده از سیستم های خنک کننده دمای اجزای فلزی کاهش پیدا می کند و سوپر آلیاژ که توانایی کار کردن در این دمای بالا را دارد، جز اصلی بخش داغ به شمار می رود. اهمیت سوپر آلیاژ ها در تجارت روز را می توان با یک مثال نشان داد. در سال 1950 فقط 10 درصد از کل وزن توربین های گاز هواپیما از سوپر آلیاژ ها ساخته می شد. اما در سال 1985 میلادی این مقدار به 50 درصد رسید.
جدول زیر کاربرد های سوپر آلیاژ ها را نشان می دهد. باید خاطر نشان ساخت که همه کاربردها به استحکام در دمای بالا نیاز ندارند. ترکیب و مقاومت خوردگی سوپر آلیاژ ها، مواد استانداردی برای ساخت وسایل پزشکی به وجود آورده است. سوپر آلیاژ ها هم چنین کاربردهایی در دماهای بسیار پایین پیدا کرده اند.



سوپر آلیاژهای ریختگی
دو نوع طبقه بندی سوپر آلیاژ ریختگی به شکل مشخص وجود دارند . اول غلظتهای آهن ـ کروم ـ نیکل که به عنوان مقاوم در برابر حرارت شناخته می شوند . دوم پایه های نیکلی و پایه های کبالتی می باشند . در طبقه بندی مقاوم در برابر حرارت بعضی از غلظتها به درستی فولادهای ضد زنگ می باشند . این آلیاژها به شکل وسیعی در این فصل توصیف نمی شوند . آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت که مقادیر عمده ای از کروم و نیکل بیشتر از آنچه که معمولا در فولادهای زنگ نزن دیده می شوند دارند در طبقه سوپر آلیاژها قرار می گیرند و در اینجا مورد بحث قرار می گیرند.
فولادهای حاوی سیلیکون و بور
سیلیکون هم مثل منگنز در همه فولادها به عنوان یک اکسیژن زدای ارزان حضور دارد .وقتی یک فولاد شامل بیش از ۰.۶% باشد آنرا سیلیکونی می گوییم .
تاثیر سیلیسیم بر فولاد
۱- مثل نیکل میل به تشکیل کاربید ندارد .
۲- در فریت به راحتی حل می شود .
۳- استحکام و سختی را بالا می برد .
کاربردها
۱- فولادی با ۱ تا ۲% سیلیکون فولاد navy گفته می شود که برای مصالح که نیاز به نقطه تسلیم بالایی دارند مورد استفاده قرار می گیرد .
۲- فولادهای سیلیکونی هادفیلد با کمتر از ۰.۰۱% کربن و حدود ۳% سیلیکون خواص مغناطیسی عالی دارند و برای هسته های ماشین های الکتریکی استفاده می شوند .
۳- ترکیب مساوی از Mn و Si فولادی با استحکام بالا و انعطاف پذیر و سخنی خوب تولید می کند.این فولاد کاربرد زیادی در سیم پیجها ، فنرها و پانچها دارد .
فولادهای بور دار
مقدار بسیار کمی از بور سختی فولاد را افزایش می دهد . اگر مقدار بور ۰.۱۵ تا ۰.۴۵% باشد سختی پذیری از بقیه حالت ها بیشتر است . به طور کلی فولادهی بور دار خواص گرم کاری و سرد کاری خوبی دارند و سختی پذیری بالائی دارند.
فولاهای حاوی تنگستن و وانادیم
تنگستن
در سختی پذیری اثر زیادی دارد و نیز قابلیت تشکیل کاربید را دارد .به عبارت دیگر اثر تنگستن در فولاد مثل اثر مولیبدن می باشد . به عنوان مثال اثر ۲ تا ۳% تنگستن مثل اثر ۱% مولیبدن می باشد . اما به دلیل گران بودن تنگستن در فولادهای مهندسی کاربرد کمی دارد و بیشتر در فولادهای ابزار کاربرد دارد .
وانادیم
یک عنصر گران است خواص :
۱- اگسیژن زدای عالی است .
۲- تشکیل دهنده کاربید می باشد.
۳- در حالت حل شده در فولاد، در سختی پذیری و افزایش خواص مکانیکی اثر بسزائی دارد.

کاربرد
۱- فولادهای C-V برای لوکوموتیوهای سنگین و ماشین های فورج بزرگ استفاده می شود.
۲- فولادهای Cr-V کم کربن برای ساخت پینها و میل لنگ ها استفاده می شوند.
۳- فولادهای Cr-V کربن متوسط سختی بالائی دارد و برای اکسلها و فنر ها استفاده می شوند .
۴- فولادهای Cr-V کربن بالا دارای سختی و مقاومت سایش بالا هستند و برای ابزارها و بلبرینگها استفاده می شوند .
فولادهای مولیبدن دار
مولیبدن یک عنصر آلیاژی گران است که میل به تشکیل کاربید زیادی دارد و در عوض میل ترکیبی کمی با گاما و آلفا دارد.
اثر مولیبدن بر خواص فولاد
۱- اثر زیادی بر سختی پذیری می گذارد .
۲- متل کروم سختی در دمای بالا و استحکام فولاد را بالا می برد .
۳- مقاومت حرارت فولاد را بالا می برد .
۴- با افزودن مولیبدن فاز مارتنزیت پایدار می شود و مقاومت به نرم شدن در اثر حرارت در آن بالا می رود.
۵- این عنصر معمولاً به صورت ترکیبی از نیکل یا کروم یا هردوی آنها استفاده می شود .
۶- اگر روی قطعه مربوطه کربورایزینگ انجام گیرد مقاومت سایشی سطح و سختی مغز افزایش می یابد.
کاربردها
۱- فولادهای مولیبدن دار با کربن کم برای شفتها و چرخ دنده ها استفادهمی شوند.
۲- اگر درصد کربن افزایش یابد برای سیم پیچ ها و فنرها استفاده می شود .
۳- فولادهای Cr-Mo ارزان هستند و قابلیت جوشکاری و انعطاف پذیری خوبی دارند. به همین جهت در مخازن تحت فشار ، قطعات هواپیما ، اکسل های اتومبیل و... کاربرد دارند.
۴- فولادهای نیکل مولیبدن دارای استحکام و انعطاف پذیری بالائی هستند و قابلیت ماشینکاری خوبی دارند. همچنین دارای سختی خوب ،استحکام خستگی بالا و مقاومت سایش می باشند. به همین جهت شفتها و بلبرینگها کاربرد دارند.
۵- فولادهای Ni-Cr-Mo سختی پذیری خوب دارند .به همین جهت در صنایع هواپیما سازی برای قطعات مختلف آن کاربرد دارند.
فولادهای منگنزدار
منگنز یکی از عناصر آلیاژی است که در اکثر فولادها به عنوان اکسیژن زدا استفاده می شود .هم به طور مستقیم و هم به طور غیر مستقیم اثر مفیدی در فولاد دارد .هنگامی که درصد منگنز در فولاد ۰.۸% به بالا باشد فولاد منگنزی داریم .
اثر منگنز بر خواص فولاد
۱- با گوگرد ، آهن و کربن تشکیل پیوند می دهد .
۲- تمایل به (Hot-shortness) راکاهش مش دهد .
hot-shrtness
هنگامی که در فولاد منگنز وجود داشته باشد گوگرد با آهن واکنش می دهد و FeS تشکیل می دهد .در این شرایط یک فیلم پیوسته در حین انجماد به دور کریستالها ایجاد می شود .هنگامی که فولاد برای شکل دهی یا نورد حرارت داده می شود این فیلم ذوب می گردد و موجب می شود تا در خلال شکل دهی در مرز دانه ها ترک ایجاد شود .اما MnS چون نقطه ذوب بالائی دارد از این اتفاق جلوگیری می کند.

با تشکر

مجید غفوری

metallurgydata