سوپر آلياژ،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 آلياژهاي ريختگي
دو نوع طبقه بندي سوپر آلياژ ريختگي به شكل مشخص وجود دارند . اول غلظتهاي آهن ـ كروم ـ نيكل كه به عنوان مقاوم در برابر حرارت شناخته مي شوند . دوم پايه هاي نيكلي و پايه هاي كبالتي مي باشند . در طبقه بندي مقاوم در برابر حرارت بعضي از غلظتها به درستي فولادهاي ضد زنگ مي باشند . اين آلياژها به شكل وسيعي در اين فصل توصيف نمي شوند . آلياژهاي مقاوم در برابر حرارت كه مقادير عمده اي از كروم و نيكل بيشتر از آنچه كه معمولا در فولادهاي زنگ نزن ديده مي شوند دارند در طبقه سوپر آلياژها قرار مي گيرند و در اينجا مورد بحث قرار مي گيرند.
فولادهاي حاوي سيليكون و بور
سيليكون هم مثل منگنز در همه فولادها به عنوان يك اكسيژن زداي ارزان حضور دارد .وقتي يك فولاد شامل بيش از ۰.۶% باشد آنرا سيليكوني مي گوييم .
تاثير سيليسيم بر فولاد
۱- مثل نيكل ميل به تشكيل كاربيد ندارد .
۲- در فريت به راحتي حل مي شود .
۳- استحكام و سختي را بالا مي برد .
كاربردها
۱- فولادي با ۱ تا ۲% سيليكون فولاد navy گفته مي شود كه براي مصالح كه نياز به نقطه تسليم بالايي دارند مورد استفاده قرار مي گيرد .
۲- فولادهاي سيليكوني هادفيلد با كمتر از ۰.۰۱% كربن و حدود ۳% سيليكون خواص مغناطيسي عالي دارند و براي هسته هاي ماشين هاي الكتريكي استفاده مي شوند .
۳- تركيب مساوي از Mn و Si فولادي با استحكام بالا و انعطاف پذير و سخني خوب توليد مي كند.اين فولاد كاربرد زيادي در سيم پيجها ، فنرها و پانچها دارد .
فولادهاي بور دار
مقدار بسيار كمي از بور سختي فولاد را افزايش مي دهد . اگر مقدار بور ۰.۱۵ تا ۰.۴۵% باشد سختي پذيري از بقيه حالت ها بيشتر است . به طور كلي فولادهي بور دار خواص گرم كاري و سرد كاري خوبي دارند و سختي پذيري بالائي دارند.
فولاهاي حاوي تنگستن و واناديم
تنگستن
در سختي پذيري اثر زيادي دارد و نيز قابليت تشكيل كاربيد را دارد .به عبارت ديگر اثر تنگستن در فولاد مثل اثر موليبدن مي باشد . به عنوان مثال اثر ۲ تا ۳% تنگستن مثل اثر ۱% موليبدن مي باشد . اما به دليل گران بودن تنگستن در فولادهاي مهندسي كاربرد كمي دارد و بيشتر در فولادهاي ابزار كاربرد دارد .
واناديم
يك عنصر گران است خواص :
۱- اگسيژن زداي عالي است .
۲- تشكيل دهنده كاربيد مي باشد.
۳- در حالت حل شده در فولاد، در سختي پذيري و افزايش خواص مكانيكي اثر بسزائي دارد.

كاربرد
۱- فولادهاي C-V براي لوكوموتيوهاي سنگين و ماشين هاي فورج بزرگ استفاده مي شود.
۲- فولادهاي Cr-V كم كربن براي ساخت پينها و ميل لنگ ها استفاده مي شوند.
۳- فولادهاي Cr-V كربن متوسط سختي بالائي دارد و براي اكسلها و فنر ها استفاده مي شوند .
۴- فولادهاي Cr-V كربن بالا داراي سختي و مقاومت سايش بالا هستند و براي ابزارها و بلبرينگها استفاده مي شوند .
فولادهاي موليبدن دار
موليبدن يك عنصر آلياژي گران است كه ميل به تشكيل كاربيد زيادي دارد و در عوض ميل تركيبي كمي با گاما و آلفا دارد.
اثر موليبدن بر خواص فولاد
۱- اثر زيادي بر سختي پذيري مي گذارد .
۲- متل كروم سختي در دماي بالا و استحكام فولاد را بالا مي برد .
۳- مقاومت حرارت فولاد را بالا مي برد .
۴- با افزودن موليبدن فاز مارتنزيت پايدار مي شود و مقاومت به نرم شدن در اثر حرارت در آن بالا مي رود.
۵- اين عنصر معمولاً به صورت تركيبي از نيكل يا كروم يا هردوي آنها استفاده مي شود .
۶- اگر روي قطعه مربوطه كربورايزينگ انجام گيرد مقاومت سايشي سطح و سختي مغز افزايش مي يابد.
كاربردها
۱- فولادهاي موليبدن دار با كربن كم براي شفتها و چرخ دنده ها استفادهمي شوند.
۲- اگر درصد كربن افزايش يابد براي سيم پيچ ها و فنرها استفاده مي شود .
۳- فولادهاي Cr-Mo ارزان هستند و قابليت جوشكاري و انعطاف پذيري خوبي دارند. به همين جهت در مخازن تحت فشار ، قطعات هواپيما ، اكسل هاي اتومبيل و... كاربرد دارند.
۴- فولادهاي نيكل موليبدن داراي استحكام و انعطاف پذيري بالائي هستند و قابليت ماشينكاري خوبي دارند. همچنين داراي سختي خوب ،استحكام خستگي بالا و مقاومت سايش مي باشند. به همين جهت شفتها و بلبرينگها كاربرد دارند.
۵- فولادهاي Ni-Cr-Mo سختي پذيري خوب دارند .به همين جهت در صنايع هواپيما سازي براي قطعات مختلف آن كاربرد دارند.
فولادهاي منگنزدار
منگنز يكي از عناصر آلياژي است كه در اكثر فولادها به عنوان اكسيژن زدا استفاده مي شود .هم به طور مستقيم و هم به طور غير مستقيم اثر مفيدي در فولاد دارد .هنگامي كه درصد منگنز در فولاد ۰.۸% به بالا باشد فولاد منگنزي داريم .
اثر منگنز بر خواص فولاد
۱- با گوگرد ، آهن و كربن تشكيل پيوند مي دهد .
۲- تمايل به (Hot-shortness) راكاهش مش دهد .
hot-shrtness
هنگامي كه در فولاد منگنز وجود داشته باشد گوگرد با آهن واكنش مي دهد و FeS تشكيل مي دهد .در اين شرايط يك فيلم پيوسته در حين انجماد به دور كريستالها ايجاد مي شود .هنگامي كه فولاد براي شكل دهي يا نورد حرارت داده مي شود اين فيلم ذوب مي گردد و موجب مي شود تا در خلال شكل دهي در مرز دانه ها ترك ايجاد شود .اما MnS چون نقطه ذوب بالائي دارد از اين اتفاق جلوگيري مي كند.

با تشکر

مجید غفوری

metallurgydata