ابرآلیاژ

اَبَرآلیاژ (به انگلیسی: Superalloy)، آلیاژی است که از نظر اکسایش و حفظ استحکام در مقابل حرارتِ بیش از یک‌سومِ نقطهٔ ذوب خود مقاوم باشد. عنصرِ پایهٔ ابرآلیاژها، معمولاً نیکل، کبالت یا آهن-نیکل است.
ابرآلیاژ استحکام زیادی در دماهای بالا دارد و در برابر خزش، خوردگی و اکسایش مقاوم است. این مقاومت توسط عناصری نظیر آلومینیم و کروم ایجاد می‌شود. ساختار کریستالی این آلیاژها معمولاً مکعبی وجه پر (FCC) است.
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.

ساختار شیمیایی

به دلیل استفاده این آلیاژها در دمای بالا، مقاومتشان در برابر تغییر شکل و اکسایش بسیار مهم است. آلیاژهای پایه نیکل در این موارد مصرف می‌شوند. 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. هرکدام از این عناصر به منظور تقویت مشخصه خاصی از آلیاژ بکار می‌روند.
مقاومت ابرآلیاژها بستگی به کندی حرکت نابجایی(Dislocation)ها در ساختار کریستالی دارد. 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.
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 داشته‌است اما به دلیل استحکام کمتر در دماهای پایین نسبت به ابرآلیاژهای پایه نیکل کماکان استفاده کمتری دارند. 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.

ریزساختار ابرآلیاژها

در فاز Ni₃Al خالص، اتم‌های آلومینیم در وجوه عمودی کریستال مکعبی قرار دارند و زیر-بعدA را تشکیل می‌دهند. اتم‌های نیکل هم در مراکز وجوه قرار گرفته و زیر-بعدB را تشکیل می‌دهند. زیر بعد A و B از فاز 'γ می‌توانند مقادیر قابل ملاحظه ای از سایر عناصر را در خود حل کنند. عناصر آلیاژی می‌توانند به همین شکل در فاز γ حل شوند. فاز 'γ طی یک سازوکار(mechanism) غیرمعمول و غیرعادی به نام تسلیم(Yield strength anomaly) سختی را تعیین می‌کند. 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.
ابرآلیاژهای جدید در دهه ۱۹۸۰ میلادی تولید شدند. 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. چند مثال از این ابر آلیاژها PWA1480 و René N4 و SRR99 هستند.
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. 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 شده‌است. در حال حاضر شگردهای پیشرفته لایه گذاری(coating) موجب کاهش از دست رفتن مقاومت در برابر اکسایش در آلیاژهای فاقد کروم شده‌است. مثال‌هایی از ابرآلیاژهای نسل دوم PWA1484 و PWA1484 و René N5 هستند. از ابرآلیاژهای نسل سوم هم می‌توان به CMSX-10 و René N6 اشاره کرد. 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. رفتار خزشی ابرآلیاژ تک کریستال بستگی به دما، تنش و جهتگیری کریستال آلیاژ دارد. برای یک ابرآلیاژ تک کریستال سه حالت متفاوت خزش تحت دما و تنش مختلف وجود دارد: Rafting و Tertiary و Primary. در دمای پایین (حدود ۷۵۰درجه سانتیگراد) رفتار به صورت Primary, در دمای حدود ۸۵۰درجه سلسیوس به صورت Tertiary و در دمای ۱۰۰۰درجه سانتیگراد به صورت Rafting خواهد بود.

پوشش ابرآلیاژها

تولیدات سوپرآلیاژ که برای کارهای دردمای بالا و محیط‌های خورنده مثل: (مناطق تیغه ای توربین‌های موتور جت) مورد استفاده قرار می‌گیرند. به وسیلهٔ انواع مختلفی از پوشش‌ها، پوشش داده می‌شوند. عمدتاً دو نوع مختلف از روش‌های پوشش دهی نمایش داده شده‌است.
پروسهٔ پک کردن و پوشش دهی فاز گازی هر دو گونه ای از روش GVD هستند. دراکثر مواد، بعد ازمرحلهٔ پوشش دهی در نزدیک نواحی سطحی از آلومینا غنی می‌گردد. زمینهٔ پوشش از نیکل آلومیناید است. ورود یک روش جدید تحقیقاتی در تهیهٔ آلیاژها و سوپرآلیاژهای این چنین از روش تهیه به وسیلهٔ فاز ذرات است.
این پروسه یک روش کلی تهیه نانو ذرات است. با توسعهٔ دانستنیهایمان در زمینهٔ علم مواد تولید نانو ذرات مواد توسعه می‌یابد. 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. 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 ساخت 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.
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

کاربرد ابر آلیاژها

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.