سوپر آلیاژ ها
سوپر آلیاژ ها
سوپر آلیاژ ها یا آلیاژهایی با عملکرد بالا، آلیاژهای هستند که مقاومت مکانیکی عالی و مقاومت خزش در دماهای بالا، پایداری سطح خوب و مقاومت به اکسیداسیون را از خود نشان می‌دهند. آنها معمولا یک ساختار بلوری فولادی آستنیتی با یک عنصر آلیاژی از نیکل، کبالت و یا آهن و نیکل دارند. توسعه فوق العاده سوپر آلیاژ ها عمدتا در صنایع هوافضا و انرژی انجام شده‌است.
سوپر آلیاژ های مقاوم در برابر خوردگی به طور گسترده در محیط‌های سخت مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر گرما برای یکپارچگی محصول نهایی بیشترین اهمیت را دارد. صنایع شیمیایی و پتروشیمی، نیروگاه‌های برق، و صنایع نفت و گاز به طور گسترده از این سوپر آلیاژها استفاده می‌کنند.
بسیاری از ابررساناهای صنعتی مبتنی بر نیکل شامل عناصر آلیاژی شامل کروم Cr))، آلومینیوم Al))، تیتانیم Ti))، مولیبدن Mo))، تنگستن W))، نایوبیم Nb) )، تانتالم (Ta) و کبالت (Co) می باشد.
سوپر آلیاژها آلیاژهای با عملکرد بالا به عنوان فولاد انتخابی برای شرایط مقاومت در برابر خوردگی و تطبیق پذیری، انتخاب شده‌اند.
کدام آلیاژهای مبتنی بر نیکل ، سوپر آلیاژ هستند؟
- آلیاژ C276 ، دیگر اسامی تجاری متداول Hastelloy C276
- آلیاژ X، دیگر نام‌های تجاری معمول Hastelloy X، Inconel HX
- آلیاژ ۷۱۸ ، دیگر اسامی تجاری معمولی Inconel 718 .
موارد استفاده از سوپر آلیاژها در صنایع
- هوافضا
- توربین و موتور جت
- صنعت دریایی
- زیردریایی‌ها
- صنعت پردازش شیمیایی
- رآکتورهای هسته‌ای
- لوله مبدل حرارتی
- توربین‌های گاز صنعتی
ویژگی های سوپر آلیاژ ها چیست؟
- مقاومت مکانیکی عالی و مقاومت خزش در دماهای بالا
- ثبات سطح خوب
- مقاوم در برابر خوردگی و اکسیداسیون
اصطلاح “سوپر آلیاژ” اولین بار پس از جنگ جهانی دوم به کار رفت تا گروهی از آلیاژهای توسعه‌یافته برای استفاده در موتورهای توربو شارژ و توربین هواپیما که نیازمند عملکرد بالا در دماهای بالا بودند را توصیف کند.
بررسی تاریخچه سوپر آلیاژ
اولین سوپر آلیاژها در دهه ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ اختراع شده و به صنعت فولاد معرفی شد. وظیفه اصلی نسل اول سوپر الیاژ در کاربیدها حفظ استحکام و مقاومت بود. سپس در دهه ۱۹۸۰ نسل دیگر از این دسته محصولات معرفی شدند که در ساختار آنها مقادیری از تیتانیوم، تاتنال، نیوبیم، آلومینیوم نیز به کار رفته بود. استفاده از موارد نام برده در ساختار ابر الیاژ موجب افزایش کسر حجمی فاز ‘γ تا بین ۵۰ و ۷۰ درصد شد.
در نسل دوم و سوم حدود ۳ تا ۶ درصد وزنی به ساختار ابر آلیاژها رنیوم اضافه شد که این عامل ظرفیت گرمایی آنها را در مقایسه با گذشته تا حدود زیادی افزایش داد. همچنین رنیوم عملکرد آنها را در دمای بالا بهینه کرده و منجر به کاهش نرخ نفوذ در آنها شد. رنیوم با تقویت فازهای TCP باعث کاهش میزان کروم، مولیبدن، کبالت و تنگستن می شود. René N5 و PWA1484 دو مورد از ابر الیاژهای معروف نسل دوم و CMSX-10 و René N6 نیز دو مورد از شناخته شده ترین سوپر آلیاژهای نسل سوم به شمار می روند.
در نسل های چهارم، پنجم و ششم میزان روتنیم موجود در ساختار ابر آلیاژها بیشتر شد و از این رو قیمت آنها نیز نسبت به نسل های پیشین بالاتر رفت. البته در حال حاضر تلاش ها بر این است که برای کنترل قیمت این دسته از آلیاژها حتی المقدور از به کارگیری عناصر گران قیمت و سنگین در ساختار آنها جلوگیری شود.
انواع سوپر الیاژها
سوپر آلیاژ بر اساس معیارهای مختلفی نظیر روش تولید و ترکیب شیمیایی دسته بندی می شوند. در ادامه مطلب به طور مفصل انواع این دسته از آلیاژها بر اساس معیارهای نام برده مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
انواع سوپر الیاژ بر مبنای ترکیبات شیمیایی
سوپر آلیاژها از نظر ساختار و عناصری که برای تولید آنها به کار رفته است انواع مختلفی دارند. به طور کلی این دسته از آلیاژها با استفاده از چندین عنصر خاص ساخته می شوند. اما در حالت کلی شامل ۳ دسته اصلی که از آنها به عنوان ابر آلیاژ نیز یاد می شود هستند. هر ۳ دسته در مقابل افزایش دما مقاومت بسیار بالایی دارند و از این رو در صنایعی که با دما و حرارت بالا مرتبط هستند، مورد استفاده قرار می گیرند. در ادامه این ۳ ابر آلیاژ در بحث های جداگانه مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
ابر آلیاژهای پایه نیکل
عنصر پایه این دسته از آلیاژها را نیکل تشکیل می دهد و پایه حرارتی دارند. همچنین دیگر ویژگی قابل ذکر برای آنها این است که قابلیت مستحکم شدن دارند. آلیاژهای پایه نیکل به صورت گسترده ای در صنعت ساخت موتور برای هواپیماهای پیشرفته مورد استفاده قرار می گیرند. شایان ذکر است که تا دمای ۶۵۰ درجه سانتیگراد را تحمل می کنند. اما در برابر دمای بالاتر مقدار ذکر شده مقاومت و استحکام خود را از دست می دهند. ۱۰ الی ۲۰ درصد کروم، ۸ درصد تیتانیوم و آلومینیوم، ۵ الی ۱۵ درصد کبالت و مقادیر کمی مولیبدن، تنگستن و نیوبیوم از جمله عناصری هستند که در ساختار شیمایی این دسته از ابر آلیاژها به کار می روند.
دیگر ویژگی قابل ذکر برای ابر آلیاژهای پایه نیکل این است که دارای شبکه ساختاری FCC بوده و در برابر خوردگی و خزش نیز فوق العاده مقاوم هستند. برخی از مهمترین انواع این نوع آلیاژ شامل هستلوی، مونل و اینکولوی می باشد که در ادامه توضیحات بیشتری در رابطه با آنها ارائه خواهد شد.
هستلوی
آلیاژ پایه نیکل هستلوی به دلیل برخورداری از مقاومت بالا در برابر خوردگی بیشترین کاربرد را در صنایع فرآوری شیمیایی دارد. در برابر اسیدهای غیر اکسید کننده نظیره اسید فولیک و اسید هیدرولیک نیز این دسته از ابر آلیاژها بیشترین مقاومت را دارند. دیگر ویژگی قابل ذکر برای این دسته از محصولات داشتن سهولت جوشکاری و ساخت و همچنین مقاومت بالا در برابر خوردگی تنشی عالی و ترک خوردگی است. آلیاژ هستلوی تنوع بسیار بالایی دارد و برخی از انواع آن شامل آلیاژ هستلوی C-4، B3، C-276، C-22، C-2000 و آلیاژ هستلوی ایکس است.
مونل
یکی دیگر از آلیاژ های معروف پایه نیکل شامل آلیاژ مونل است و شامل آلیاژ مونل ۴۰۰ و آلیاژ مونل K – 500 می باشد.
اینکولوی
این دسته از آلیاژ ها شامل دو نوع آلیاژ اینکولوی ۸۰۰ و ۸۲۵ هستند و در صنایع مختلفی نظیر جوشکاری، پردازش زباله، مهندسی فضا، گرمایش مقاومتی الکتریکی، فراورده های پتروشیمی، عملیات حرارتی و پردازش حرارتی کارایی دارند.
ابر آلیاژ پایه آهن
این نوع از سوپر آلیاژها نوعی ضد زنگ آستینی هستند و حجم زیادی از عناصر به کار رفته در ساختار آنها را نیکل و محلول آهن جامد تشکیل. البته ناگفته نماند، برای برخورداری از حداقل پایداری زمینه، باید حداقل ۲۵ درصد از عناصر تشکیل دهنده آنها شامل نیکل باشد. به همین دلیل به عنوان ابر آلیاژ پایه نیکل – آهن نیز خوانده می شوند.
ابر آلیاژهای پایه کبالت
این دسته از آلیاژها در مقایسه با دیگر موارد نام برده قابلیت جوشکاری بالاتری دارند و همچنین در مقابل دما و حرارت بالا نیز مقاومت تر هستند. به نحوی که حتی در مقابل دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ می کنند. علاوه بر دمای بالا در برابر خستگی حرارتی، اکسیداسیون، خوردگی نیز کاملا مقاوم هستند. سوپر الیاژهای پایه کبالت شامل ۳ دسته مهم به شرح زیر می باشند.
- آلیاژ پایه کبالت مقاوم به سایش
- آلیاژ کبالت محدوده دمایی ۶۵۰ الی ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد
- آلیاژ پایه کبالت تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد
انواع سوپر آلیاژ برحسب روش تولید
همانطور که در ابتدای مطلب عنوان شد یکی دیگر از معیارهای موجود برای دسته بندی سوپر آلیاژها شامل روش تولید آنها است که بر اساس معیار نام برده انواع سوپر آلیاژها شامل موارد زیر می باشد.
ابر آلیاژهای انجماد تک کریستالی جهت دار
در این شیوه تولید، ابر آلیاژ روی یک سطح با استفاده از یک شیب حرارتی با درجه حرارت کم هسته شود در طول جهت دانش ابر آلیاژ در برابر خزش مقاوم شود.
ابر آلیاژهای پلی کریستال ریختگی
در این شیوه ساخت ابر آلیاژ در یک روند آهسته از یک جزسوپر تک بلوره ای یک دانه بلور ایجاد می شود.
ابر آلیاژهای متالوژی پودری
ابر آلیاژ های که به روش متالوژی پودری ساخته می شوند برای تولید آلیاژ هایی که در فرسودگی بحرانی مورد استفاده قرار می گیرند. از این‌رو مواردی که به این شیوه ساخته می شوند تشکیل شده از مخلوط پودر های فلزی هستند.
ابر آلیاژهای کار پذیر
قیمت سوپر آلیاژها
همانطور که در مطالب قبلی عنوان شد این دسته از آلیاژ ها با استفاده از عناصر مختلفی تولید می شوند و همین عامل سبب شده است که همواره قیمت آن ها در انواع مختلف بسیار متفاوت باشد. از طرف دیگر به دلیل وجود نوسان بالا در قیمت عناصر، قیمت سوپر آلیاژها نیز مدام در حال نوسان است و ثبات چندانی ندارد.
اما به طور کلی این دسته از محصولات به دلیل کاربرد زیاد در تولید صنایع هوافضا و قطعات یدکی روز به روز بیشتر از قبل مورد توجه قرار می گیرند و همین عامل سبب شده است که همواره از بازار و فروش ایده آلی برخوردار باشند.
