سوپر آلیاژهای 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 دمای بالا یا در حضور عناصر آلیاژی دیگر دگرگونی یافته و شبکه واحد آنها 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 دماهای 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 شدن هستند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه ای صورت نمی گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی آلیاژی وجود نداشته باشد. استحکام سوپر آلیاژها نه تنها به وسیله شبکه FCC و ترکیب شیمیایی آن، بلکه با حضور فازهای استحکام دهنده ویژه ای 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 در هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می شود.

تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتری در دمای پایین وجود دارد که گاهی در سوپرآلیاژهای کبالت اتفاق می افتد. شبکه FCC سوپرآلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحکام دهنده (در سوپرآلیاژهای پایه آهن-نیکل و پایه نیکل) انعطاف پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص gr/cm3 7.87 و چگالی نیکل و کبالت تقریبا gr/cm3 8.9 می باشد. چگالی سوپر آلیاژهای پایه آهن-نیکل تقریبا gr/cm3 8.3 – 7.9، پایه کبالت gr/cm3 9.4 – 8.3 و پایه نیکل gr/cm3 8.9 – 7.8 است.

چگالی سوپرآلیاژها به مقدار عناصر آلیاژی افزوده شده بستگی دارد. عناصر آلیاژی Ti، Cr، Al چگالی را کاهش و W، Re، Ta آنرا افزایش می دهند. مقاومت به خوردگی سوپرآلیاژها 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 سوپرآلیاژها، تابعی از ترکیب شیمیایی و فرآیند اولیه است. به طور کلی دمای ذوب موضعی سوپرآلیاژهای پایه کبالت نسبت به سوپرآلیاژهای پایه نیکل بیشتر است. سوپرآلیاژهای پایه نیکل ممکن است در دمای 1204 درجه سانتی گراد از خود ذوب موضعی نشان دهند. انواع پیشرفته سوپرآلیاژهای 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 سوپرآلیاژهای پایه کبالت هستند.

بعضی از ویژگی ها و خواص سوپرآلیاژها

1- فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیوم در دمای 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 1371 – 1204 درجه سانتی گراد است) مورد نیاز باشد، سوپرآلیاژهای پایه نیکل انتخاب می شوند.

3-از سوپرآلیاژهای پایه نیکل می توان در نسبت دمایی بالاتری (نسبت دمای کار به دمای ذوب)  در مقایسه با مواد تجاری موجود استفاده کرد. فلزات دیرگداز (نسوز) نسبت به سوپرآلیاژها دمای ذوب بالاتری دارند ولی سایر خواص مطلوب آنها را ندارند و به همین خاطر به طور وسیعی مورد استفاده قرار نمی گیرند.

4-سوپر آلیاژهای پایه کبالت را می توان به جای سوپرآلیاژهای پایه نیکل استفاده کرد که این جایگزینی به استحکام مورد نیاز و نوع خوردگی بستگی دارد.

5-در دمای پایین تر وابسته به استحکام مورد نیاز، سوپرآلیاژهای پایه آهن-نیکل نسبت به سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت کاربرد بیشتری پیدا کرده اند.

6-استحکام سوپرآلیاژها 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-سوپرآلیاژهای پایه آهن-نیکل نسبت به سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت ارزان تر هستند.

8- 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 سوپرآلیاژهای 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 می ماند و یا افزایش می یابد، اما مقاومت در برابر انواع دیگر خوردگی کاهش می یابد.

9-سوپرآلیاژها مقاومت در برابر اکسیداسیون بالایی دارند اما در بعضی موارد مقاومت به خوردگی کافی ندارند. در کاربرد هایی مانند توربین هواپیما که دما بالاتر از 760 درجه سانتی گراد است، سوپرآلیاژها باید دارای پوشش باشند. سوپرآلیاژها 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 سوپرآلیاژها بخش مهمی از کاربرد و توسعه آنها می باشد. نداشتن پوشش به معنی کارآیی کم سوپرآلیاژ در دراز مدت و دماهای بالا است.

11-در سوپرآلیاژها به ویژه در سوپرآلیاژهای پایه نیکل بعضی از عناصر در مقادیر جزئی تا زیاد اضافه شده اند. در بعضی از آلیاژها 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 سوپرآلیاژها اغلب گران بوده و مقدارشان در طی زمان متغیر است.

کاربرد سوپرآلیاژها

کاربرد سوپرآلیاژها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزا هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. اهمیت سوپرآلیاژها 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 سوپرآلیاژ ساخته می  شد، اما در سال 1985 میلادی این مقدار به 50 درصد رسید.

در جدول زیر فهرستی از کاربردهای جاری سوپرآلیاژها آورده شده است. 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 بوجود آورده است. سوپرآلیاژها همچنین کاربردهایی در دماهایی بسیار پایین پیدا کرده اند.