ابر آلیاژ چیست و چه انواعی دارد؟

اَبَرآلیاژ (Superalloy)، آلیاژی است که توانایی کار در کسری بالا از نقطه ذوب خود را دارد که این دما معمولا بالای 540 درجه سانتی‌گراد است. عنصر پایه ابرآلیاژها، معمولاً نیکل، کبالت یا آهن-نیکل است. این مقاومت توسط عناصری نظیر آلومینیم و کروم ایجاد می‌شود. ساختار کریستالی این آلیاژها معمولاً مکعبی وجه پر (FCC) است.

سوپر آلیاژها چندین مشخصه اصلی دارند از جمله: قدرت مکانیکی عالی، مقاومت در برابر تغییر شکل‌های حرارتی، پایداری و استحکام خوب سطوح و  در برابر خزش، خوردگی و اکسایش نیز مقاوم است. عمده کاربرد ابرآلیاژها در قسمت‌های داغ توربین‌های گاز (پره‌های توربین و محفظه احتراق) می‌باشد که دمای گاز در این بخش‌ها به بیش از ۱۰۰۰ درجه سلسیوس می‌رسد.

آلیاژهای پرکاربرد خانواده ابرآلیاژها

نمونه‌هایی از سوپرآلیاژها هستند که در صنعت بیش از دیگر موارد کاربرد دارند. از جمله آن‌ها می‌توان آلیاژ هاستلوی ، آلیاژ  اینکونل، واسپولی، آلیاژهای رنه، اینکولوی و آلیاژهای تک کریستال CMSX اشاره کرد.

سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل

سوپر آلیاژهای پایه آهن – نیکل مانند آلیاژ IN-718 از فن آوری فولادهای زنگ نزن توسعه یافته‌اند و معمولا به صورت کار شده هستند. سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت بسته به نوع کاربرد و ترکیب شیمیایی می‌توانند به صورت ریخته یا کار شده‌ باشند.

از آغاز پیدایش سوپر آلیاژها، تعداد زیادی آلیاژ شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته و تعدادی نیز به عنوان اختراع ثبت شده‌اند. تعدادی از آن‌ها در طول سالیان گذشته غربال شده و تعدادی به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

سوپرآلیاژ‌های دارای ترکیب شیمیایی مناسب را می‌توان با آهنگری و نورد به اشکال گوناگون درآورد. ترکیب های شیمیایی پرآلیاژ تر معمولا به صورت ریخته گری می‌باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می‌توان با جوشکاری یا لحیم‌کاری بدست آورد اما ترکیب های شیمیایی که دارای مقادیر زیادی از فازهای سخت کننده هستند، به سختی جوشکاری می‌شوند. خواص سوپرآلیاژها را با تنظیم ترکیب شیمیایی و فرآیند (شامل عملیات حرارتی) می‌توان کنترل کرد و استحکام مکانیکی بسیار عالی در محصول تمام شده به دست آورد.

اگر به مطالعه درباره آلیاژهای پایه آهنی علاقمند هستید، مطالعه مقاله تفاوت آهن، چدن و فولاد که از آلیاژهای پایه آهنی هستند، می‌تواند برایتان جالب باشد.

تاریخچه سوپر آلیاژها 

طراحان نیاز فراوانی به مواد مستحکم‌تر و مقاوم تر در برابر خوردگی دارند . فولادهای زنگ نزن توسعه داده شده و به کار رفته در دهه های دوم و سوم قرن بیستم میلادی، نقطه شروعی برای برآورده شدن خواسته های مهندسی در دماهای بالا بودند . بعدها معلوم شد که این مواد تحت این شرایط دارای استحکام محدودی هستند. بنابراین، جامعه متالورژی با توجه به نیازهای روز افزون بوجود آمده ، با ساخت جایگزین فولاد زنگ نزن که سوپر آلیاژ نامیده شد به این تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلیاژها مواد اصلاح شده پایه آهن به وجود آمدند ، که بعد ها نام سوپر آلیاژ به خود گرفتند.

برای مطالعه درباره انواع مختلف آلیاژهای آهنی میتوانید به مقاله فولاد آلیاژی مراجعه کنید و درباره انواع آن‌ها بخوانید.

ویژگی ها و خواص سوپر آلیاژها

از ویژگی‌های سوپر آلیاژها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• • 1. فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیوم در دماهای بالاتر از 540 درجه سانتی‌گراد دارای استحکام کافی نیستند و امکان خسارت دیدن آلیاژ در اثر خوردگی وجود دارد.
    2. از سوپر آلیاژهای پایه نیکل می‌توان در نسبت دمایی بالاتری (نسبت به دمای ذوب) در مقایسه با مواد تجاری موجود استفاده کرد. فلزات دیرگداز (نسوز) نسبت به سوپر آلیاژها دمای ذوب بالاتری دارند ولی سایر خواص مطلوب آن‌ها را ندارند و به همین خاطر به طور وسیعی مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.
    3. سوپر آلیاژ‌های پایه کبالت را می‌توان به جای سوپر آلیاژ های پایه نیکل استفاده کرد که این جایگزینی به استحکام مورد نیاز و نوع خوردگی بستگی دارد.
    4. چنان‌چه استحکام در دماهای بالاتر (زیر دمای ذوب که برای اکثر آلیاژها تقریبا ( 1371 -1204) مورد نیاز باشد، سوپر آلیاژ های پایه نیکل انتخاب می‌شوند.
    5. سوپر آلیاژهای پایه آهن – نیکل نسبت به سوپر آلیاژ‌های پایه نیکل و پایه کبالت ارزان‌تر هستند.
    6. اکثر سوپر آلیاژهای 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 آلیاژهای دما بالا، به آن ها افزوده شوند. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل با کاهش کروم مقدار آلومینیم افزایش یافت، در نتیجه مقاومت اکسیداسیون آنها در همان سطح اولیه باقی می‌ماند و یا افزایش می‌یابد، اما مقاومت در برابر انواع دیگر خوردگی کاهش می‌یابد.
    7. در دماهای پایین‌تر وابسته به استحکام مورد نیاز، سوپر آلیاژ‌های پایه آهن - نیکل نسبت به سوپر آلیاژ‌های پایه نیکل و پایه کبالت کاربرد بیشتری پیدا کرده‌اند.
    8. استحکام سوپر آلیاژ نه تنها مستقیما به ترکیب شیمیایی بلکه به فرآیند ذوب، آهنگری و روش شکل دهی، روش ریخته‌گری و بیشتر از همه به عملیات حرارتی پس از شکل‌دهی، آهنگری یا ریخته‌گری بستگی دارد.
    9. - فن آوری پوشش‌دهی سوپر آلیاژها بخش مهمی از کاربرد و توسعه آن‌ها است. نداشتن پوشش به معنی کارآیی کم سوپر آلیاژ در دراز مدت و دماهای بالاست.
    10. سوپر آلیاژ ها مقاومت در برابر اکسیداسیون بالایی دارند اما در بعضی موارد مقاومت خوردگی کافی ندارند. در کاربردهایی مانند توربین هواپیما که دما بالاتر از 760 درجه سانتی گراد است سوپرآلیاژها باید دارای پوشش کافی باشند. سوپر آلیاژها در کاربردهای طولانی مدت در دماهای بالاتر از 649 درجه سانتی گراد مانند توربین های گازی زمینی می‌توانند پوشش داشته باشند.
    11. نیکل، کبالت، کروم، تنگستن، مولیبدن، رنیم، هافنیم و دیگر عناصر استفاده شده در سوپر آلیاژ ها اغلب گران بوده و مقدارشان در طی زمان متغیر است.
    12. در سوپرآلیاژ ها به ویژه در سوپرآلیاژ های پایه نیکل بعضی از عناصر در مقادیر جزئی تا زیاد اضافه شده‌اند. در بعضی از آلیاژها تعداد عناصر کنترل شده موجود تا 14 عنصر و بیشتر می‌تواند باشد.

کاربرد سوپر آلیاژها یا ابر آلیاژها

استفاده از سوپرآلیاژها در صنایع مختلف با توجه به ویژگی‌های منحصر به فرد روز به روز در حال افزایش می‌باشد. سوپرآلیاژها درجاهایی که نیاز به مقاومت گرمایی و مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی باشد، استفاده می‌گردد.

کاربرد سوپرآلیاژها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزا هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. اهمیت سوپرآلیاژها در تجارت روز را می‌توان با یک مثال نشان داد. در سال ۱۹۵۰ فقط ۱۰ درصد از کل وزن توربین‌های گاز هواپیما از سوپرآلیاژ ساخته می‌شد، اما در سال ۱۹۸۵ میلادی این مقدار به ۵۰ درصد رسید.

باید خاطر نشان کرد که همه کاربردها به استحکام در دمای بالا نیاز ندارند. ترکیب و مقاومت خوردگی سوپرآلیاژها، مواد استانداردی برای ساخت وسایل پزشکی به وجود آورده‌است. سوپرآلیاژها همچنین کاربردهایی در دماهایی بسیار پایین پیدا کرده‌اند.

امروزه در مقیاس وسیعی از سوپر آلیاژها در صنایع مختلف استفاده می‌شود که از جمله آن می‌توان به پره‌های توربین‌های گاز در نیروگاه‌ها و موتورهای جت اشاره کرد. جنس این پره‌ها و قابلیت تحمل آن‌ها در برابر خوردگی و دمای بالا در راندمان نهایی توربین گاز مؤثر است امروزه سوپرآلیاژهایی که در پره‌های توربین گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توانند دمای ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کنند حال اگر بتوان سوپر آلیاژی ساخت که دمای بیشتری را تحمل کند راندمان نیروگاه‌ها و هواپیماهایی که از این توربین‌های گازی استفاده می‌کنند بیشتر می‌شود و در مقیاس وسیع بسیار ارزشمند است و گاه برای اینکه فقط ۲۰ درجه سانتیگراد این سقف حرارتی را بالا ببرند هزینه‌های هنگفتی صرف می‌شود.

سوپر آلیاژهایی که در پره‌های توربین گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند معمولاً با پایه نیکل و از پیچیده‌ترین ترکیبات انواع سوپر آلیاژها هستند. کشورهایی که به تکنولوژی ساخت سوپر آلیاژها دست پیدا می‌کنند عملاً به برتری اقتصادی و استراتژیکی دست خواهند یافت.

به علت استفاده گسترده از این فناوری در صنایع نظامی دانش ساخت آن جزء اطلاعات محرمانه است و برای بدست آوردن چنین دانشی نیاز به سرمایه‌گذاری سنگینی وجود دارد.

در نهایت بیشترین کاربرد سوپرآلیاژها در موارد زیر است :

1. 1. صنایع شیمیایی و پتروشیمی
   2. راکتورهای نظامی و هسته ای
   3. لوله مبدل حرارتی
   4. توربین های صنعتی
   5. صنایع دریایی
   6. صنایع هوا فضا
   7. قطعات پزشکی

و سایر صنایع کاربردهای گسترده و فراوانی دارند.

مقاله آهن زنگ نزن چیست هم درباره استنلس استیل صحبت میکند که یکی از آلیاژهای پرکاربرد در صنعت است. میتوانید در ادامه این مطلب برای شناخت دیگر آلیاژهای فولادی صنعتی به این مقاله مراجعه کنید.

دسته بندی سوپر آلیاژها از نظر ترکیب شیمیایی

سوپر آلیاژها به سه دسته تقسیم می‌شوند:

1. 1. 1. سوپر آلیاژهای پایه نیکل
      2. سوپر آلیاژهای پایه کبالت
      3. سوپر آلیاژهای پایه آهن

سوپر آلیاژهای پایه نیکل

این آلیاژها در مواردی که نیاز به عدم تغییر شکل در درجه حرارت بالا مورد نیاز است، کاربرد دارد. با استفاده از افزودن عناصری مانند کروم، کبالت، آهن، مولیبدن، تنگستن، آلومینیوم، تیتانیوم، مولیبدن، تنگستن و غیره می‌توان خواص مورد نظر را سوپر الیاژهای پایه نیکل ایجاد کرد. هر کدام از این عناصر برای ایجاد هدف خاصی در بهبود خواص فولاد در دمای بالا انتخاب شده‌اند.

سوپر آلیاژهای پایه کبالت

با وجود اینکه سوپر آلیاژهای پایه نیکل مقاومت بسیار خوبی در درجه حرارت بالا از خودشان نشان داده‌اند و بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند، سوپر آلیاژهای پایه کبالت دارای مقاومت حرارتی، اکسیداسیون و مقاومت سایشی برتری نسبت به سوپر آلیاژ پایه نیکل هستند، به همین دلیل در چندین سال گذشته تلاش‌هایی در زمینه تولید فراورده‌های سوپر آلیاژی بر پایه کبالت صورت گرفته‌است.

سوپر آلیاژهای پایه آهن

آلیاژهای بر پایه آهن دارای یک فاز ترکیبی آهن آستنیت هستند. استفاده از آهن در کاربردهای سوپر آلیاژی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا فولادهای سوپر آلیاژی مقاومت سایشی و مقاومت در برابر اکسیداسیون شبیه به سوپر آلیاژهای مبتنی بر نیکل را نشان داده اند، در حالی که تولید آن‌ها به مراتب ارزان تر است.

اشکال در دسترس سوپر آلیاژها

سوپر آلیاژها در انواع فرم‌های رایج کارخانه – شمش، ورق ، میله و آهنگری و هم‌چنین مقاطع خاص در اکثر آلیاژها در دسترس هستند.

فولاد ck45 از دیگر فولادهای آلیاژی است که مقاطع بسیاری از آن ساخته می‌شود و کاربرد فراوانی در صنعت دارد. برای مطالعه بیشتر درباره آن به مقاله فولاد ck45 مراجعه کنید.

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 می‌شود. 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 نمی‌شود بلکه توسط دمای ذوب موضعی آلیاژها و انحلال فازهای استحکام یافته تعیین می‌گردد. در ذوب موضعی بخشی از آلیاژ که پس از انجماد ترکیب شیمیایی تعادلی نداشته‌است در دمایی کمتر از مناطق مجاور خود ذوب می‌شود.

همه آلیاژها دارای یک محدوده دمایی ذوب می‌شوند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه‌ای صورت نمی‌گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد. استحکام سوپر آلیاژها نه تنها به وسیله شبکه FCC و ترکیب شیمیایی آن، بلکه با حضور فازهای استحکام دهنده ویژه مانند رسوب‌ها افزایش می یابد. کار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ (مانند تغییر شکل سرد) نیز استحکام را افزایش می‌دهد، اما این استحکام به هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می‌شود.

تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتر در دمای پایین وجود دارد که گاهی در سوپر آلیاژ‌های کبالت اتفاق می‌افتد. شبکه FCC سوپر آلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحکام دهنده (در سوپر آلیاژهای پایه آهن – نیکل و پایه نیکل) انعطاف‌پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص 7.8 گرم بر سانتی‌متر مکعب و چگالی نیکل و کبالت تقریبا 8.9 گرم بر سانتی متر مکعب است. چگالی سوپر آلیاژهای 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.

مطالعه درباره آلیاژهای خاص مثل سوپرآلیاژها بسیار جذاب است و شناخت آن ها راه های جدیدی را پیش روی مهندسان می گذرد. از دیگر آلیاژهای جذاب، مواد هوشمند یا همان آلیاژ حافظه دار است که درحال تبدیل شدن به یکی از متریال های نوین ساختمانی است. پیشنهاد می‌کنیم درکنار سوپرآلیاژها درباره آلیاژ هوشمند هم مطالعه کنید.

ابرآلیاژهای تک کریستال

ابرآلیاژهای تک کریستال (ابرآلیاژهای SC یا SX) به وسیله یک روش انجماد پیشرفته به صورت تک کریستال ساخته می‌شوند که در نتیجه آن، هیچ مرز دانه‌ای در ماده وجود ندارد. خواص مکانیکی اکثر آلیاژهای دیگر به وضعیت مرز دانه‌ها بستگی دارد، اما این مرز دانه‌ها در دمای بالا در پدیده خزش شرکت کرده و باید با سازوکار دیگری جایگزین شوند. در چنین آلیاژهایی، فازهایی بین فلزی با جهت‌گیری کریستالی یکسان بین دانه‌ها قرار می‌گیرند. این هم‌نشینی سبب قفل شدن نابجایی‌ها بدون برهم زدن ساختار کریستالی و تبدیل ساختار به آمورف می‌شود.

ابرآلیاژهای تک کریستال استفاده فراوانی در صفحات تحت فشار توربین‌ها و توربین‌های گازی صنعتی دارند. از ابتدای مطرح شدن فناوری ایجاد تک کریستال، تولید ابرآلیاژهای تک کریستال متمرکز بر افزایش ظرفیت گرمایی بود و بهبود عملکرد این آلیاژها مدیون رنیوم و روتنیم است.