معرفی تکنولوژی سوپرآلیاژ

معرفی وکاربردها

سوپرآلیاژها در واقع آلیاژهایی مقاوم در برابر حرارت، خوردگی و اکسیداسیون می­باشند که به لحاظ ترکیب شیمیایی شامل سه گروه پایه نیکل، نیکل-آهن و پایه کبالت می­باشند. اولین استفاده از سوپرآلیاژها در ساخت توربین­های گازی، طرح­های تبدیل ذغال‌سنگ، صنایع شیمیایی و صنایعی که نیاز به مقاومت حرارتی و خوردگی داشته­اند بوده است.

امروزه تناژ وسیعی از قطعات مصرفی در توربین­های گازی از جنس سوپرآلیاژها می­باشند. در ذیل به بعضی از مصارف این قطعات اشاره شده است:

- توربین­های گازی هواپیما

- توربین­های بخار نیروگاه‌های تولید برق

- ساخت قالب‌های ریخته­گری و ابزارهای گرمکار

- مصارف پزشکی و دندانپزشکی

- فضاپیماها

- تجهیزات عملیات حرارتی

- سیستم­های نوترونی و هسته­ای

- سیستم­های شیمیایی و پتروشیمی

- تجهیزات کنترل آلودگی

- تجهیزات و کوره­های نورد فلزات

- مبدل­های حرارتی تبدیل ذغال سنگ

به منظور انتخاب سوپرآلیاژها جهت مصرف در کاربردهای فوق لازم است خواص فنی نظیر شکل­پذیری، استحکام، مقاومت خزشی، استحکام خستگی و پایداری سطحی در نظر گرفته شوند.

تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب روش تولید با توجه به نحوة تولید می­توان سوپرآلیاژها را به چهار گروه کلی تقسیم‌بندی نمود که عبارتنداز:

-1 سوپرآلیاژهای کارپذیر

سوپرآلیاژهای کارپذیر در حقیقت گروهی از سوپر آلیاژها هستند که قابلیت کار مکانیکی دارند و از روش­های مکانیکی می­توان به آنها شکل­داد. به منظور تولید مقاطع معینی از سوپرآلیاژهای کارپذیر، اولین گام آن است که شمش­های سوپرآلیاژها به دلیل حضور عناصر فعال(عناصری که سریع در مجاورت هوا اکسید می­شوند) در شرایط خاصی تهیه شوند. فرایندهای ذوب در خلاء در مورد تهیه سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن جزء ضروریات می­باشد. اما در مورد سوپرآلیاژهای پایه کبالت امکان ذوب در هوا وجود دارد. این فرایند به طور خلاصه شامل ذوب القائی تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الکتریکی در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرایندهای ترمومکانیکی و متالورژی پودرمی باشند . 

پس از تهیه شمش­ آلیاژهای کارپذیر به یکی از روش‌های فوق عملیات شکل­دهی صورت می­گیرد. عملیات شکل­دهی سوپرآلیاژها نیز می­تواند توسط عملیات متداول کلیه آلیاژهای فلزی انجام پذیرد. سوپرآلیاژهای پایه آهن، کبالت و نیکل را می­توان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سیم و اشکال دیگر توسط فرایندهای نورد، اکستروژن و آهنگری تولید نمود. معمولاً عملیات شکل­دهی در دمای بالا صورت می­گیرد و تعداد کمی از سوپرآلیاژها را می­توان به صورت سرد شکل‌دهی نمود. ساختارهای یکنواخت و ریزدانه­ای که از شکل‌دهی سرد حاصل می­شود نسبت به ساختارهای شکل­دادن گرم ارجحیت دارند. عملیات ترمودینامیکی بر روی سوپرآلیاژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتی­گراد انجام می­شود که به این ترتیب در حین شکل دادن عملیات حرارتی نیز صورت می­گیرد.

-2 سوپرآلیاژهای متالورژی پودر

بسیاری از انواع آلیاژهای کارپذیر از طریق فرایندهای متالورژی پودر تولید می­گردند. امروزه قطعات متالورژی پودر از جنس سوپرآلیاژ با دانسیته کامل از طریق روش‌های اکستروژن یا پرسکاری ایزواستاتیک گرم (HIP) تولید می­گردند. مهمترین این قطعات قیچی­ها و سوزنهای جراحی می­باشند. فرایندهای متالورژی پودر به‌دلیل داشتن مزایای زیر بر فرایندهای ریخته­گری ترجیح داده می­شوند هر چند که معایبی را نیز به همراه خواهند داشت:

- یکنواختی در ترکیب شیمیایی و ساختار کریستالی

- ریز بودن اندازه دانه­های کریستالی

- کاهش جدایش­ها

- راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد    

-3 سوپرآلیاژهای پلی ‌کریستال ریختگی

وجود محدودیت‌های تکنولوژیکی سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلیاژ می‌گردد و بنابراین با پیدایش فرایندهای جدید تولید، این صنعت نیز روز به روز توسعه می­یابد .  تعداد زیادی از فرایندها را می­توان در تولید قطعات سوپرآلیاژ با اندازه نزدیک به قطعة نهایی مورد استفاده قرار داد اما اساساً این قطعات توسط فرایند ریخته­گری دقیق تولید می­گردند. محدوده ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژهای ریختگی بسیار گسترده­تر از سوپرآلیاژهای کارپذیر بوده و بنابراین خواص متنوع­تری نیز از این طریق قابل حصول خواهند بود هر چند که انعطاف‌پذیری و مقاومت به خستگی در فرآیندهای کار مکانیکی بهتر از ریخته­گری خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآیندهای جدید ریخته­گری و انجام عملیات حرارتی متعاقب، خواص سوپرآلیاژهای ریختگی نیز افزایش یافته است.

-4 سوپرآلیاژهای تک­ کریستالی انجماد جهت­دار

به‌منظور توسعه توربین­های گازی مصرفی در هواپیماها و افزایش دماهای کاری و کارآیی موتورها، به‌طور مداوم روش­های تولید سوپرآلیاژها در حال بهبود است. قسمت‌های بحرانی توربین­ها معمولاً شامل پره­های تحت فشار بالا، هواکش­ها و دیسک­ها می­باشند. در طول 15 سال گذشته تحقیقات بسیاری در زمینه افزایش راندمان توربین­ها صورت گرفته است و عمده این تحقیقات بر امکان افزایش دمای ورودی، فشارکاری و کاهش هزینه­های تولید استوار بوده است. توسعه فرایند انجماد جهت­دار به‌منظور تولید تک‌کریستالی‌های ریختگی سبب شده تا بتوان از این طریق پره­های توربین را با دانه­های جهت­دار در راستای اعمال تنش تولید نمود و به این ترتیب علاوه بر خواص پایدار حرارتی، استحکام خستگی، استحکام خزشی و انعطاف‌پذیری نیز افزایش یابند. با توسعه این تکنولوژی، امروزه در توربین­های مصرفی در نیروگاه‌های برق نیز از قطعات تک‌کریستال از جنس سوپرآلیاژها استفاده به‌عمل می­آید. در سال­های اخیر شرکت هواپیمایی PWA یکی از پیشگامان تولید سوپرآلیاژها می‌باشد و تولید آلیاژهای PWA 1480 به صورت تک‌کریستال توسط این شرکت، سبب افزایش عمرکاری هواپیمای جنگی F-100 گردیده است.  

تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب ترکیب شیمیایی 
 

به طور کلی این آلیاژها شامل سه گروه پایه نیکل، پایه آهن و پایه کبالت می­باشند که بسته به درجه حرارت کاربردی مورد استفاده قرار می­گیرند

-1سوپرآلیاژهای پایه نیکل

امروزه آلیاژهای نیکل در حالت‌های "تک‌فازی"، "رسوب سختی شده" و "مستحکم‌شده توسط رسوبات اسیدی و کامپوزیت­ها" در مصارف صنعتی مختلف مورد استفاده قرار می­گیرند. سوپرآلیاژ­های پایه نیکل پیچیده­ترین ترکیباتی می­باشند که در قطعات دمای بالا به کار می­روند. در حال حاضر 50 درصد وزن موتورهای هواپیماهای پیشرفته از جنس این آلیاژها می­باشد. خصوصیات اصلی آلیاژهای نیکل، پایداری حرارتی و قابلیت مستحکم شدن می­باشد. بسیاری از این آلیاژها حاوی 10 الی 20 درصد کرم، حداکثر 8 درصد آلومینیوم و تیتانیم، 5 تا 15 درصد کبالت و مقادیر کمی مولیبدن، نیوبیم و تنگستن می­باشند. دو گروه اصلی از آلیاژهای آهن- نیکل که میزان نیکل آنها بیشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهIncoloy 706 و Inconel 718 می­باشند. این آلیاژها معمولاً حاوی 3 تا 5 درصد نیوبیم می­باشند و در ردیف آلیاژهای پایه نیکل قرار می­گیرند. آلیاژهای پایه نیکل معمولاً تا دمای 650 درجه سانتی­گراد استحکام خود را حفظ می­کنند. اما در دماهای بالاتر به سرعت استحکام خود را از دست می­دهند.

-2 سوپرآلیاژهای پایه آهن

سوپرآلیاژهای پایه آهن نشات گرفته از فولادهای زنگ نزن آستینتی می­باشند که دارای زمینه­ای از محلول جامد آهن و نیکل بوده و برای پایداری زمینه نیاز به حداقل 25 درصد نیکل است .

- گروه‌های متعددی از این آلیاژها تاکنون مشخص گردیده­اند که هر یک با مکانیزم­های خاصی مستحکم می­­شوند. برخی از این آلیاژها نظیر 57-V و 286-A حاوی 25 تا 35 درصد وزنی نیکل می­باشند و استحکامشان به دلیل حضور آلومینیوم و تیتانیم می‌باشد.

- گروه دوم آلیاژهای پایه آهن که آلیاژهایX750 و Incoloy901 نمونه­های آن می­باشند، حداقل 40 درصد وزنی نیکل داشته و همانند گروه­های با نیکل بالاتر استحکام بخشی توسط سختی رسوبی صورت می­گیرد.

- گروه دیگر این آلیاژها بر پایه آهن- نیکل- کبالت می­باشند و استحکام این گروه در محدوده 650 درجه سانتی­گراد مناسب بوده و ضریب انبساط حرارتی آنها پایین می­باشد. این آلیاژها شامل Incoloy با شماره­های 903، 907، 909، 1-1- PyrometCTX و 3-PyrometCTX و غیره می­باشند.

-3 سوپرآلیاژهای پایه کبالت

سوپرآلیاژهای کارپذیر پایه کبالت برخلاف سایر سوپرآلیاژها مکانیزم استحکام بخشی متقاوتی دارند و خواص حرارتی خوبی در دمای حدود 1000 درجه سانتی­گراد خواهند داشت. سوپرآلیاژهای پایه کبالت حاوی کرم، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون خوبی داشته و هم چنین قابلیت جوشکاری و مقاومت به خستگی حرارتی آنها نسبت به آلیاژهای پایه نیکل بالاتر می­باشد. از طرف دیگر امکان ذوب و ریخته­گری این آلیاژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزیت دیگری نسبت به سایر سوپرآلیاژها که نیاز به خلاء دارند می­باشد.سه گروه اصلی آلیاژهای پایه کبالت را می­توان به صورت ذیل در نظر گرفت:

- آلیاژهایی که در دماهای بالا در محدودة 650 تا 1150 درجه سانتی­گراد مورد استفاده قرار می­گیرند که شامل آلیاژهایS-816، 25HAYNES، 188 25HAYNES، 55625HAYNES، 50UMCO می­باشند.

- آلیاژهایی که تا حدود 650 درجه سانتی­گراد به کار می­روند نظیرTN3MP، 159 MP

- آلیاژ مقاوم به سایش B 6 Stelliteآلیاژ 2525HAYNES بیشترین کاربرد را در میان آلیاژهای کارپذیر پایه کبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمکار نظیر توربین­های گازی، اجزاء راکتورهای هسته­ای، ایمپلنت‌های جراحی و غیره مورد استفاده قرار گرفته­اند. آلیاژهای گروه پایه کبالت که شامل کرم- تنگستن- کربن می­باشند معروف به آلیاژهای Satellite بوده که به شدت مقاوم به سایش می­باشند. این گروه معمولاً در مواردی که مقاومت سایشی در درجه حرارت‌های بالا مورد نیاز باشد به کار می­روند. در واقع سختی این مواد در دمای بالا حفظ شده و در مواقعی که نمی­توان در حین کار روغنکاری انجام داد به خوبی مورد استفاده قرار می­گیرند. شاید بتوان گسترش بازار سوپرآلیاژها را در دنیا مربوط به صنایع هوا _ فضا در نظر گرفت که با توجه به رشد روزافزون این صنعت و قطعات یدکی آن در سطح جهان پیش بینی می­گردد که تنها بازار قطعات یدکی هواپیماها بالغ بر 4،5 میلیارد دلار باشد، بررسی­ها حاکی از آنست که تا سال 2015 تعداد 16000 فروند هواپیمای جدید با موتورهای توربین گازی وارد بازار می­شوند که نیمی از وزن این موتورها از جنس سوپر آلیاژ خواهد بود .. بر اساس آمارهای تخمینی موجود در ایران، سوپرآلیاژها سالانه به میزان 80 میلیون دلار در سه وزارت­خانة نفت، نیرو و دفاع مورد استفاده قرار می­گیرند