موضوع مقاله: ابرآلیاژ | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # ابرآلیاژ | مقدمه: ابرآلیاژ استحکام زیادی در دماهای بالا دارد و در برابر خزش، خوردگی و اکسایش مقاوم است. | ## بخش 1: ابرآلیاژ | عمدهٔ 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. به دلیل استفاده این آلیاژها در دمای بالا، مقاومتشان در برابر تغییر شکل و اکسایش بسیار مهم است. اَبَرآلیاژی که بیش از ۵۰ درصد وزن آن عنصر نیکل باشد، ابرآلیاژ نیکلی نامیده می‌شود. این آلیاژها می‌توانند با افزودن عناصر فلزی و نافلزی دیگری نظیر کروم، آهن، کبالت، مولیبدن، تنگستن، آلومینیم، تیتانیوم، زیرکونیم، ایتریم، وانادیم، کربن و بور گسترش یابند. بدین منظور در آلیاژهای پایه نیکل جدید یک فاز بین فلزی گاماپریم ('γ) غالباً به کمک آلومینیم و تیتانیوم ایجاد می‌شود. جهت بهبود مقاومت در برابر اکسایش آلومینیم، کروم، بور و ایتریم به این آلیاژها افزوده می‌شود. آلومینیم و کروم با ایجاد یک لایه اکسید از سطح آلیاژ در برابر اکسایش محافظت کرده و بور و ایتریم موجب پخش شدن این لایه در تمام سطح آلیاژ می‌شوند.Klein, L. با وجوداینکه ابرآلیاژهای پایه نیکل در دماهای بالا عملکردی عالی دارند ولی ابرآلباژهای پایه کبالت به صورت بالقوه مقاومت بالاتری در برابر حرارت و اکسایش نسبت به ابرآلیاژهای پایه نیکل دارند. به همین دلیل استفاده از این آلیاژها در سالیان اخیر به صورت چشمگیری افزایش داشته است اما به دلیل استحکام کمتر در دماهای پایین نسبت به ابرآلیاژهای پایه نیکل کماکان استفاده کمتری دارند.Sato, J. مهم‌ترین دلیل این امر کمبود پیوند فازهای 'γ است که نقش مهمی در استحکام در دمای بالا دارند. در آلیاژ پایه نیکل یک هم سیمایی (coherency) بین دو فاز وجود دارد که نقش بسزایی در افزایش استحکام در دمای بالا دارد. متالورژی ابرآلیاژها فازهای ابرآلیاژ پایه نیکل گاما(γ): این فاز یک محلول جامد با ساختار بلوری مکعبی وجه پر(FCC) از عناصر آلیاژی است.Sabol, G. جهت ایجاد این فاز، اتمهای نیکل در وجوه مکعب و اتم‌های آلومینیم یا تیتانیوم در لبه‌های مکعب قرار می‌گیرند. برای موارد با دمای کمتر از ۶۵۰درجه سانتیگراد فاز "γ می‌تواند برای افزایش استحکام فعال شود. گامازگوند ("γ): این فاز جهت افزایش استحکام ابرآلیاژهای پایه نیکل در دمایی پایینتر نسبت به فاز 'γ (یعنی دمای کمتر از ۶۵۰درجه سلسیوس) استفاده می‌شود. فازهای کاربید: از این فازها در ابرآلیاژهای پایه نیکل به منظور پایدارسازی ساختار ماده در مقابل تغییر شکل در دماهای بالا استفاده می‌شود. فازهای صفحه متراکم(TCP): به خانواده ای از فازها گفته می‌شود که در حالت پیشفرض صفحه متراکم نیستند ولی در اثر مجاورت با بلورهای هگزاگونال(HCP) متراکم می‌شوند. این فازها حاصل اعمال نیروی زیاد در طی دوره‌های زمانی طولانی (هزاران ساعت) تحت دمای بالا (بیش از ۷۵۰درجه سلسیوس) هستند. فازهای ابرآلیاژ پایه کبالت گاما(γ): مشابه ابرآلیاژهای پایه نیکل، این فاز بخش اصلی تشکیل دهنده ماتریس آلیاژ است. عناصر موجود در این فاز کربن، تنگستن، نیکل، تیتانیوم، آلومینیم، ایریدیم و تانتال هستند.Cui, C. کروم هم در ابرآلیاژ پایه کبالت حداکثر تا ۲۰درصد وزنی به کار می‌رود که موجب مقاومت در برابر اکسایش و خوردگی می‌شود، مشخصه ای که برای مواد استفاده شده در توربین گاز بسیار حیاتی است. گاماپریم('γ): مشابه آلیاژهای پایه نیکل، این فاز وظیفه استحکام آلیاژ را بر عهده دارد. در این مورد معمولاً از صفحات متراکم ترکیبات کبالت-اکسیژن-تیتانیوم یا بلورهای مکعبی وجه پر(FCC) استفاده می‌شود. در این مورد پایداری بسیار مهم است همان‌طور که ناپایداری یک فاکتور کلیدی در ضعیفتر بودن ابرآلیاژهای پایه کبالت نسبت به ابرآلیاژهای پایه نیکل در دماهای فراتر از معمول است.Suzuki, A. فازهای کاربید: این بخش استحکام ابرآلیاژ را فراهم می‌کند ولی موجب کاهش خصلت شکل‌پذیری و مفتول پذیری ابرآلیاژ پایه کبالت می‌شود. سری AISI 600 شامل ۶ دسته‌بندی اولیه از آلیاژهای پایه آهن هستند که به شرح زیر است: ۱–۶۰۱ تا ۶۰۴ :فولاد کم آلیاژ مارتنزیتی. اولین مشکل این است که ساختار الکترونی آهن تمایل بیشتری نسبت به نیکل برای افزایش شکل‌گیری فاز شکننده و ترد TCP دارد. دومین مشکل این است که جایگزینی نیکل با آهن باعث می‌شود تا مقاومت به اکسیداسیون کاهش یابد. | ## بخش 2: ابرآلیاژ | سومین مشکل و شاید مهم‌ترین مشکل این است که آهن به علت ساختار الکترونی ای که دارد به تشکیل دیگر فازها به غیر از فاز مطلوب گاما پرایم که دارای ساختار FCC است کمک می‌کند وباعث می‌شود تا در بهترین حالت در اغلب موارد این فاز به صورت غیر پایدارتشکیل شود. به علت دشواری بالای استفاده از آلمینیوم این عنصر در بیشتر سوپر آلیاژهای غنی از آهن در مقادیر کمتر لزوماً با هدف اکسیژن زدایی در طول فرایند ذوب مورد استفاده قرار می‌گیرد. در بسیاری از درجه‌های این سوپر آلیاژها Ti در آن‌ها از عناصراصلی می‌باشد و با گامای ناپایدار Ni3Ti سخت شده‌اند. زمانی که آلمینیوم به علت خواص ضد اکسیداسیونی که به سوپر آلیاژ پایه آهن می‌دهد اضافه می‌شود باید میزان درصد وزنی آن در مقادیر پایین نگه داشته شود زیرا آلمینیوم پایدار کنندهٔ شبکهٔ فاز فریت اولیه که دارای ساختار BCC است می‌باشد که یک فاز نا مطلوب در ریز ساختار سوپر آلیازها می‌باشد. این فاز برای استحکام در دمای بالایی که توسط شبکهٔ آستنیت اولیه با ساختار FCC ایجاد شده است نا مطلوب است. گاما پرایم :فاز گاما پرایم به صورت رسوب‌هایی که باعث افزایش استحکام در سوپر آلیاژها وجود دارد. شبیه به آلیاژهای پایه نیکل رسوب‌های گاما پرایم می‌توانند با عناصری مانند Al , Ni, Nb , Ti تولید شود. ریز ساختار سوپر آلیاژهای پایه آهن دو نوع عمده از فولادهای ضدزنگ وجود دارند که با لایه اکسیدی ای که روی سطح آن‌ها تشکیل می‌شود توصیف می‌شوند: فولاد ضدزنگ کروم_تشکیل فولاد ضدزنگ آلومینا _تشکیل فولاد ضدزنگ کروم تشکیل:این نوع از فولاد ضدزنگ در دسترس‌ترین نوع فولاد ضدزنگی است که تولید شده است با این حال فولاد ضدزنگ کروم_تشکیل مقاومت به خزش بالایی بالای در هنگام کار در دمای بالا به خصوص در محیط‌هایی که دارای بحار آب می‌باشند و در مقایسه با با سوپر آلیاژهای پایه نیکل از خود نشان نمی‌دهند. قرار گرفتن این سوپر آلیاژ هنگام کار در دمای بالا در معرضبخار آب می‌تواند موجب افزایش اکسیداسیون داخلی و افزایش سرعت شکل‌گیری مادهٔ فرٌار کروم هیدروکسید می‌شود که هر دو عامل ذکر شده می‌تواند باعث کاهش عمر و کارکرد این آلیاژ شود. فولادهای ضدزنگ آلومینا_تشکیل:این نوع از فولاد ضدزنگ دارای یک شبکه از آهن آستنیتی با ساختار FCC به همراه آلمینیوم اکسید بر روی سطح فولاد می‌باشد. آلومینیوم از لحاظ ترمودینامیکی دارای پایداری بیشتری نسبت به کروم با اکسیژن دارد. با وجود آن که فازهای رسوبی برای افزایش استحکام و مقاومت به خزش استفاده می‌شوند در فولادهای ضدزنگ آلومینا_تشکیل رسوبات NiAl به عنوان مخزن Al برای نگه داری و حفظ لایه آلومینا نقش ایفا می‌کنند. علاوه بر این اضافه کردن عناصر Nb و Cr می‌تواند به تشکیل و پایداری آلومینا به وسیلهٔ افزایش کسر حجمی رسوبات NiAl کمک کند. تلاش‌های تحقیقاتی برای توسعهٔ سوپر آلیاژهای پایه آهن آلومینا_تشکیل به پنج درجه‌بندی برای فولاد آلومینا_تشکیل آستنیتی(AFA) با کارکردهای متفاوت در دماهای مختلف به هنگام اکسید شدن در هوا+۱۰٪ بخار آب رسیده است که به شرح زیر می‌باشند: AFA Grade: (50-60)Fe-(20-25)Ni-(14-15)Cr-(2.5-3.5)Al-(1-3)Nb wt. این آلیاژ یک فولاد آستنیتی می‌باشد و می‌تواند به روش پیر سختی به استحکام‌های بسیار بالا برسد. هم چنین این آلیاژ را می‌توان در دماهای پایین‌تر در محدودهٔ بالاتر از دمای اتاق تا دمای -۱۹۶ درجهٔ سانتی گراد به عنوان مادهٔ شکل‌پذیر و مستحکم غیر مغناطیسی به کار برد. مقاومت به خوردگی این آلیاژ در دماهای بالا به خوبی مقاومت به خوردگی آن در دماهای پایین می‌باشد. مقاومت به اکسیداسیون در این آلیاژ در صورتی که به صورت پیوسته عملیاتی باشد تا دمای ۸۱۶ درجهٔ سانتی گراد و در صورتی که متناوباً کارکند تا دمای ۹۸۲ درجهٔ سانتی گراد در مقدار بالایی قرار دارد. داری عناصر کروم و نیکل به عنوان عناصر آلیاژی اصلی می‌باشد مطالب پایین اطلاعات بیشتری دربارهٔ ویژگی‌های این سوپر آلیاژ می‌دهد. جوشکاری Discaloy با استفاده از روش‌های قوس تنگستن گازی، قوس فلزی محافظت شده و جوشکاری قوس فلزی استفاده می‌شود. استفاده از مواد نرم قالب مانند آلیاژهای روی و برنز می‌تواند باعث بهبود خروجی کار سرد و کاهش چسبندگی قطعات در اثر سایش شود.[ویرایش] آنیل این آلیاژ در دمای ۱۰۱۰ درجهٔ سانتی گراد به مدت دوساعت آنیل می‌شود و سپس در روغن کوئنچ می‌شود. پیرسختی Discaloy پیر سختی این آلیاژ به این صورت است که ابتدا در دمای ۱۰۱۰ درجهٔ سانتی گراد به مدت دو ساعت آنیل می‌شود سپس در روغن خنک می‌شود و سپس به مدت ۲۰ ساعت در دمای ۷۳۳ درجهٔ سانتی گراد می‌ماند و در هوا خنک می‌شود و در نهایت در دمای ۶۴۹ درجهٔ سانتی گراد به مدت ۲۰ ساعت می‌ماند و در هوا خنک می‌شود. ریزساختار ابرآلیاژها در فاز Ni3Al خالص، اتم‌های آلومینیم در وجوه عمودی کریستال مکعبی قرار دارند و زیر-بعدA را تشکیل می‌دهند. زیر بعد A و B از فاز 'γ می‌توانند مقادیر قابل ملاحظه ای از سایر عناصر را در خود حل کنند. نابجایی‌ها از مکان خود جدا شده و با ایجاد فواصل زیاد در ساختار، باعث ایجاد ناکاملی بلوری(Crystallographic defect) می‌شوند؛ بنابراین استنباط می‌شود که در دمای بالا، انرژی آزاد شده از پیوندهای بین فازی(APB) به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش می‌یابد اگر این پیوند بر یک صفحه خاص تکیه داشته باشد که اجازه لغزش را دارا نباشد. به محض حرکت نابجایی‌ها، پیوندهای بین فازی بر صفحات کم انرژی تکیه داده و به دلیل اینکه این صفحات اجازه حرکت ندارند، نابجایی‌ها به شکل مؤثری قفل شده و اجازه تغییرشکل را نمی‌دهند. به وسیلهٔ این سازوکار، تنش تسلیم فاز 'γ در Ni3Al تا دمای ۱۰۰۰درجه سانتیگراد افزایش یافته و موجب استحکام فوق‌العاده ابرآلیاژ در دماهای بالا می‌شود. نخستین ابرآلیاژها در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ میلادی ابداع و استفاده شدند که در آن‌ها کاربیدها در مرزهای دانه نقش اصلی استحکام بخشی را بر عهده داشتند.D. | ## بخش 3: ابرآلیاژ | نسل اول این ابرآلیاژها دارای مقادیر اضافه شده آلومینیم، تیتانیوم، تاتنال و نیوبیم بود که منجر به افزایش کسر حجمی فاز 'γ تا بین ۵۰ و ۷۰درصد در این آلیاژها می‌شد. نسل دوم و سوم این ابرآلیاژها شامل ۳ تا ۶ درصد وزنی رنیوم بودند که منجر به افزایش ظرفیت گرمایی می‌شد. علاوه بر این رنیوم باعث کاهش نرخ نفوذ (و به طبع آن خزش در دمای بالا) و بهبود عملکرد در دمای بالا می‌شود.Reed, R.C. همچنین رنیوم موجب تقویت فازهای TCP شده که منجر به کاهش مقادیر کبالت، تنگستن، مولیبدن و به ویژه کروم می‌شود. به همین دلیل در نسل‌های جدیدتر ابرآلیاژهای پایه نیکل مقدار کروم کاهش قابل ملاحظه ای داشته که خود باعث کاهش مقاومت در برابر اکسایش شده است. نسل‌های چهارم، پنجم و ششم ابرآلیاژها نیز تولید شده‌اند که به دلیل دارا بودن مقادیر اضافی روتنیم گرانتر از نسل‌های قبل که شامل مقادیری رنیوم بودند، هستند. تمام تلاش بر این است که تا حد ممکن از عناصر سنگین و گران‌قیمت در تولید آلیاژها دوری شود، به عنوان مثال فولاد اگلین(Eglin steel) یک آلیاژ ارزان با تحمل حرارت زیاد و واکنش پذیری شیمیایی کم است. ابرآلیاژهای تک کریستال ابرآلیاژهای تک کریستال (ابرآلیاژهای SC یا SX) به وسیلهٔ یک شگرد انجماد پیشرفته به صورت تک کریستال ساخته می‌شوند که در نتیجه آن، هیچ مرز دانه ای در ماده وجود ندارد. خواص مکانیکی اکثر آلیاژهای دیگر به وضعیت مرز دانه‌ها بستگی دارد، اما این مرز دانه‌ها در دمای بالا در پدیه خزش شرکت کرده و باید با سازوکار دیگری جایگزین شوند. در اینچنین 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. با افزایش دمای توربین مهم است که یک درک پایه ای از فرایند فیزیکی خزش تک کریستال در آن شرایط ویژه (دما و تنش زیاد) حاصل شود. اکسایش در ابرآلیاژها پوشش ابرآلیاژها تولیدات سوپرآلیاژ که برای کارهای دردمای بالا و محیط‌های خورنده مثل: (مناطق تیغه ای توربین‌های موتور جت) مورد استفاده قرار می‌گیرند. ورود یک روش جدید تحقیقاتی در تهیهٔ آلیاژها و سوپرآلیاژهای این چنین از روش تهیه به وسیلهٔ فاز ذرات است. سپس ما می‌توانیم تحقیقاتمان را در جنبه‌های تولید سوپرآلیاژهای، شبیه آلیاژهای پایه نیکل توسعه دهیم. موارد استفاده سوپرآلیاژها درجاهایی که نیاز به مقاومت گرمایی و مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی نیازباشد استفاده می‌گردد. کاربرد سوپرآلیاژها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزا هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. 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. ترکیب و مقاومت خوردگی سوپرآلیاژها، مواد استانداردی برای ساخت وسایل پزشکی به وجود آورده است. در نهایت بیشترین کاربرد سوپرآلیاژها در موارد زیر است :هواپیماها و توربین‌های گازی صنعتی، موتورهای الکتریکی نظامی، فضاپیماها، زیردریایی‌ها، رآکتورهای اتمی، مجاری فرایندهای شیمیایی، مجاری تبادل گرمایی ابرآلیاژهای جدید سوپرآلیاژها به طورخاص ساختار کریستالی مکعبی مرکز وجوه (FCC)دارد. توسعهٔ سوپرآلیاژها به‌طور وسیعی بر دو عامل شیمیایی و پروسه‌های نوآوری وابسته است و در ابتدا به وسیلهٔ صنایع قدرت و فضاپیما مشتق و ساخته شد. کاربردهای خاصش در فضاپیماها، توربین‌های گازطبیعی و صنایع توربین‌های دریایی به عنوان مثال برای پره‌های توربین برای قسمت‌های موتورجت استفاده می‌شود. 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. | ## جمع‌بندی | 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.