اَبَرآلیاژها (سوپرآلیاژها)

اَبَرآلیاژها (سوپرآلیاژها)

ابرآلیاژها یا سوپرآلیاژها آلیاژهایی مقاوم در برابر حرارت هستند که بر پایه نیکل، نیکل- آهن و یا کبالت تشکیل شده و ترکیبی از استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر تخریب سطحی را از خود نشان می­­دهند. ساختار کریستالی این آلیاژها معمولاً مکعبی وجه پر یا اصطلاحا FCC است. این آلیاژها عموما در ساخت توربین­های گازی، واحدهای تبدیل ذغال سنگ و سایر صنایع شیمیایی که در آن­ها با آلیاژی با مقاومت بالا در برابر حرارت و خوردگی نیاز است استفاده می­شوند. یکی از ویژگی­های قابل توجه آلیاژهای بر پایه نیکل که از پرمصرفترین سوپرآلیاژهست، امکان استفاده از آن در مصارف تحت تنش در دمایی تا 80 درصد دمای ذوب این آلیاژ است. بطور کلی می توان کاربرد های این سوپرآلیاژها را طی موارد زیر برشمرد:

• قطعات توربین های گازی هواپیما از جمله دیسک­ ها، محفظه­ های احتراق، پیچ ­ها، جداره ­ها، شَفت ­ها، سیستم اگزوز، پره­‌ها و ….
• قطعات واحدهای تولید برق با توربین­های گازی از جمله پیچ ­ها، پره ­ها و …
• قطعات موتورهای رفت و برگشتی مانند توربوشارژها، والوهای اگزوز و …
• صنایع فرآورش فلزات
• صنایع مهندسی پزشکی مانند مصارف دندان سازی و صنایع ساخت اعضای مصنوعی
• صنایع فضایی مانند جداره­ های آئرودینامیک تحت دما و قطعات موتورهای پرتابه­ های فضایی
• صنایع ساخت ادوات در معرض حرارت مانند سینی ها، قطعات ثابت، نوارهای نقاله، هواکش­ها و کوره‌­ها
• صنایع و سیستم­های انرژی اتمی
• قطعات مورد نیاز در صنایع شیمیایی و پتروشیمی از جمله پیچ و مهره، پره و هواکش، شیرها، راکتورها، خطوط لوله و پمپ‌­ها
• تجهیزات کنترل آلایندگی مانند اسکرابر
• تجهیزات سیستم­های تولید گاز و مایع از ذغال سنگ مانند مبدل­‌ها و خطوط لوله

در ادامه بصورت جداگانه به معرفی سوپرآلیاژهای بر پایه نیکل، بر پایه آهن – نیکل و بر پایه کبالت می­پردازیم.

سوپرآلیاژهای بر پایه نیکل

سوپرآلیاژها بر پایه نیکل پیچیده ترین و پراستفاده ترین سوپرآلیاژها در مصارفی با دمای بالا هستند. اَبَرآلیاژی که بیش از ۵۰ درصد وزن آن عنصر نیکل باشد، ابرآلیاژ بر پایه نیکل نامیده می‌شود. ویژگی منحصر به فرد این آلیاژ همواره نظر متالوژیست­های زیادی را به خود جلب کرده است. این آلیاژ تقریبا 50% وزن موتورهای پیشرفته هواپیماها را به خود اختصاص می­دهد. خاصیت اساسی نیکل که این فلز را به عنوان یک پایه جهت ساخت آلیاژ مطرح می­کند پایداری فازی ماتریس FCC این فلز است که می تواند با روش­های متعدد مستقیم و غیر­مستقیم تقویت شود. علاوه بر این پایداری نیکل به آسانی توسط آلیاژ شدن با کروم و / یا آلومینیوم ارتقا می­یابد.

سوپرآلیاژهای بر پایه آهن – نیکل

سوپرآلیاژهای پایه آهن – نیکل متشکل از فولاد ضد زنگ آستنیتی است که (در اکثر موارد) با روش­های سخت شدن جامد – محلول و عناصر تشکیل دهنده رسوب تشکیل می­شود. ماتریس آستنیتی این آلیاژ بر پایه نیکل و آهن است که حداقل به 25 درصد نیکل نیاز دارد  تا فاز FCC پایدار شود. دیگر عناصر آلیاژ شونده مانند کروم نیز جهت سخت شدن فلز- محلول در این آستنیت استفاده می­شوند. تعداد زیادی آلیاژهای آهن – نیکل با توجه به ترکیب و مکانیزم سخت شدگی مطرح شده اند که هریک می­توانند ویژگی­ هایی را در اختیار کاربران قرار دهند.

سوپرآلیاژهای بر پایه کبالت

آلیاژهای ساخته شده بر پایه کبالت برخلاف دیگر سوپرآلیاژها با یک رسوب متصل شده مقاوم سازی نمی­شود بلکه این آلیاژها با یک ماتریس استنیتی تشکیل شده از سخت شدن محلول جامد مشخص می شوند که یک مقدار اندک کاربید در آن پخش شده است. کبالت زیر دمای 417 درجه سلسیوس بصورت یک ساختار HPC کریستاله می­شود. در دماهای بالاتر این ساختار به FCC تبدیل می­شود. جهت جلوگیری از این تغییر ساختار حین استفاده از این آلیاژ عملا تمام آلیاژهای بر پایه کبالت با نیکل نیز آلیاژ می­شوند تا ساختار FCC بین دمای اتاق و دمای ذوب پایدار شود.

آلیاژهای بر پایه کبالت مقاومت خوردگی بالایی در دماهای بالا از خود نشان می­دهند که احتمالا ناشی از میزان بالاتر کروم در آنهاست که از شاخصه‌­های این نوع آلیاژ به شمار می­رود. این نوع آلیاژ همچنین خاصیت جوش­پذیری بالاتر و مقاومت در برابر فرسودگی حرارتی بیشتری را نسبت به آلیاژهای بر پایه نیکل از خود نشان می­دهد. یکی دیگر از ویژگی­‌های توسعه یافته این نوع آلیاژها قابلیت ذوب شدن آن­ها در هوا یا آرگون است در حالی که آلیاژهای بر پایه آهن-نیکل و نیکل احتیاج به ذوب تحت خلا در حضور فلزات فعال آلومینیوم و تیتانیوم دارند.

جوشکاری: آلیاژهای اینکونل 600، نایمونیک 75 و دیگر آلیاژهای پایه نیکل که توسط محلول جامد استحکام دهی شده اند را می توان بدون بروز هر گونه مشکل خاصی تحت عملیات جوشکاری قرار داد. کلیه فرایندهای جوشکاری مقاومتی و ذوبی (بجز جوشکاری زیرپودری) را می توان در مورد این آلیاژها مورد استفاده قرار داد. در جوشکاری سوپرآلیاژهای پیرسخت شده با فاز گاماپریم  (Ni3(Al,Ti)) رعایت اصولی از قبیل جوشکاری ماده در شرایط آنیل به منظور جلوگیری از ایجاد ترک در ناحیه جوش یا فلز پایه ضروری است.  اگر اجزا و قطعات به شدت تحت فرایند تغییرفرم قرار گرفته اند بهتر است که قبل از جوشکاری، تحت عملیات تنش زدایی قرار گیرند

منبع www.fooladiranian.com