سوپر آلیاژها - معرفی و كاربردها

[Peyman 16,150]

معرفی و كاربرد سوپر آلیاژها

 

سوپرآلیاژها در واقع آلیاژهایی مقاوم در برابر حرارت، خوردگی و اكسیداسیون میباشند كه به لحاظ تركیب شیمیایی شامل سه گروه پایه نیكل، نیكل-آهن و پایه كبالت میباشند. اولین استفاده از سوپرآلیاژها در ساخت توربینهای گازی، طرحهای تبدیل ذغال‌سنگ و صنایعی كه نیاز به مقاومت حرارتی و خوردگی داشته اند بوده است.

 

امروزه تناژ وسیعی از قطعات مصرفی در توربینهای گازی از جنس سوپرآلیاژها میباشند. در ذیل به بعضی از مصارف این قطعات اشاره شده است:

 

- توربینهای گازی هواپیما

- توربینهای بخار نیروگاه‌های تولید برق

- ساخت قالب‌های ریخته گری و ابزارهای گرمكار

- مصارف پزشكی و دندانپزشكی

- فضاپیماها

- تجهیزات عملیات حرارتی

- سیستمهای نوترونی و هستهای

- سیستمهای شیمیایی و پتروشیمی

- تجهیزات كنترل آلودگی

- تجهیزات و كورههای نورد فلزات

- مبدلهای حرارتی تبدیل ذغال سنگ

 

به منظور انتخاب سوپرآلیاژها جهت مصرف در كاربردهای فوق لازم است خواص فنی نظیر شكل پذیری، استحكام، مقاومت خزشی، استحكام خستگی و پایداری سطحی در نظر گرفته شوند.

 

 

 

 

 

 

[Peyman 16,150]

تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب روش تولید

 

با توجه به نحوة تولید می توان سوپر آلیاژها را به چهار گروه كلی تقسیم‌بندی نمود كه عبارتنداز:

 

1) سوپرآلیاژهای كارپذیر

 

سوپرآلیاژهای كارپذیر در حقیقت گروهی از سوپر آلیاژها هستند كه قابلیت كار مكانیكی دارند و از روشهای مكانیكی میتوان به آنها شكل داد. به منظور تولید مقاطع معینی از سوپرآلیاژهای كارپذیر، اولین گام آن است كه شمشهای سوپرآلیاژها به دلیل حضور عناصر فعال (عناصری كه سریع در مجاورت هوا اكسید میشوند) در شرایط خاصی تهیه شوند. فرایندهای ذوب در خلاء در مورد تهیه سوپرآلیاژهای پایه نیكل و پایه آهن جزء ضروریات می باشد. اما در مورد سوپرآلیاژهای پایه كبالت امكان ذوب در هوا وجود دارد. این فرایند به طور خلاصه شامل ذوب القائی تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الكتریكی در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرایندهای ترمومكانیكی و متالورژی پودر میباشند.

 

پس از تهیه شمش آلیاژهای كارپذیر به یكی از روش‌های فوق عملیات شكل دهی صورت میگیرد. عملیات شكل دهی سوپرآلیاژها نیز میتواند توسط عملیات متداول كلیه آلیاژهای فلزی انجام پذیرد. سوپرآلیاژهای پایه آهن، كبالت و نیكل را میتوان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سیم و اشكال دیگر توسط فرایندهای نورد، اكستروژن و آهنگری تولید نمود. معمولاً عملیات شكل دهی در دمای بالا صورت میگیرد و تعداد كمی از سوپرآلیاژها را میتوان به صورت سرد شكل‌دهی نمود. ساختارهای یكنواخت و ریزدانه ای كه از شكل‌دهی سرد حاصل میشود نسبت به ساختارهای شكل دادن گرم ارجحیت دارند.

 

عملیات ترمودینامیكی بر روی سوپرآلیاژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتیگراد انجام می شود كه به این ترتیب در حین شكل دادن عملیات حرارتی نیز صورت میگیرد.

 

 

2) سوپر آلیاژهای متالورژی پودر

 

بسیاری از انواع آلیاژهای كارپذیر از طریق فرایندهای متالورژی پودر تولید می گردند. امروزه قطعات متالورژی پودر از جنس سوپرآلیاژ با دانسیته كامل از طریق روش‌های اكستروژن یا پرسكاری ایزواستاتیك گرم (HIP) تولید می گردند. مهمترین این قطعات قیچیها و سوزنهای جراحی میباشند. فرایندهای متالورژی پودر به‌دلیل داشتن مزایای زیر بر فرایندهای ریخته گری ترجیح داده می شوند هر چند كه معایبی را نیز به همراه خواهند داشت:

 

- یكنواختی در تركیب شیمیایی و ساختار كریستالی

- ریز بودن اندازه دانه های كریستالی

- كاهش جدایش ها

- راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد

 

اما مشكلاتی نظیر حضور گاز باقیمانده، آلودگی كربنی و آخال‌های سرامیكی باعث میگردد كه در برخی موارد نیز فرایندهای شمش‌ریزی و ترمومكانیكی متداول صورت پذیرند.

 

 

3) سوپرآلیاژهای پلی‌كریستال ریختگی

 

وجود محدودیت‌های تكنولوژیكی سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلیاژ می‌گردد و بنابراین با پیدایش فرایندهای جدید تولید، این صنعت نیز روز به روز توسعه مییابد. تعداد زیادی از فرایندها را می توان در تولید قطعات سوپرآلیاژ با اندازه نزدیك به قطعة نهایی مورد استفاده قرار داد اما اساساً این قطعات توسط فرایند ریخته گری دقیق تولید میگردند.

 

محدوده تركیب شیمیایی سوپرآلیاژهای ریختگی بسیار گسترده تر از سوپرآلیاژهای كارپذیر بوده و بنابراین خواص متنوع تری نیز از این طریق قابل حصول خواهند بود هر چند كه انعطاف‌پذیری و مقاومت به خستگی در فرآیندهای كار مكانیكی بهتر از ریخته گری خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآیندهای جدید ریخته گری و انجام عملیات حرارتی متعاقب، خواص سوپرآلیاژهای ریختگی نیز افزایش یافته است.

 

 

4) سوپرآلیاژهای تك كریستالی انجماد جهتدار

 

به‌منظور توسعه توربینهای گازی مصرفی در هواپیماها و افزایش دماهای كاری و كارآیی موتورها، به‌طور مداوم روشهای تولید سوپرآلیاژها در حال بهبود است. قسمت‌های بحرانی توربینها معمولاً شامل پره های تحت فشار بالا، هواكشها و دیسكها میباشند. در طول 15 سال گذشته تحقیقات بسیاری در زمینه افزایش راندمان توربینها صورت گرفته است و عمده این تحقیقات بر امكان افزایش دمای ورودی، فشاركاری و كاهش هزینههای تولید استوار بوده است. توسعه فرایند انجماد جهتدار به‌منظور تولید تك‌كریستالی‌های ریختگی سبب شده تا بتوان از این طریق پرههای توربین را با دانههای جهتدار در راستای اعمال تنش تولید نمود و به این ترتیب علاوه بر خواص پایدار حرارتی، استحكام خستگی، استحكام خزشی و انعطاف‌پذیری نیز افزایش یابند.

 

با توسعه این تكنولوژی، امروزه در توربینهای مصرفی در نیروگاه‌های برق نیز از قطعات تك‌كریستال از جنس سوپرآلیاژها استفاده به‌عمل می آید. در سالهای اخیر شركت هواپیمایی PWA یكی از پیشگامان تولید سوپرآلیاژها می‌باشد و تولید آلیاژهای PWA 1480 به صورت تك‌كریستال توسط این شركت، سبب افزایش عمركاری هواپیمای جنگی F-100 گردیده است.

 

 

تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب تركیب شیمیایی

 

به طور كلی این آلیاژها شامل سه گروه پایه نیكل، پایه آهن و پایه كبالت می باشند كه بسته به درجه حرارت كاربردی مورد استفاده قرار می گیرند

 

 

1) سوپرآلیاژهای پایه نیكل

 

امروزه آلیاژهای نیكل در حالت‌های "تك‌فازی"، "رسوب سختی شده" و "مستحكم‌شده توسط رسوبات اسیدی و كامپوزیت ها" در مصارف صنعتی مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. سوپرآلیاژهای پایه نیكل پیچیده ترین تركیباتی می باشند كه در قطعات دمای بالا به كار میروند. در حال حاضر 50 درصد وزن موتورهای هواپیماهای پیشرفته از جنس این آلیاژها میباشد. خصوصیات اصلی آلیاژهای نیكل، پایداری حرارتی و قابلیت مستحكم شدن میباشد.

 

بسیاری از این آلیاژها حاوی 10 الی 20 درصد كرم، حداكثر 8 درصد آلومینیوم و تیتانیم، 5 تا 15 درصد كبالت و مقادیر كمی مولیبدن، نیوبیم و تنگستن میباشند. دو گروه اصلی از آلیاژهای آهن- نیكل كه میزان نیكل آنها بیشتر از مقدار آهن است عبارت از گروه Incoloy 706 و Inconel 718 می باشند. این آلیاژها معمولاً حاوی 3 تا 5 درصد نیوبیم میباشند و در ردیف آلیاژهای پایه نیكل قرار میگیرند. آلیاژهای پایه نیكل معمولاً تا دمای 650 درجه سانتیگراد استحكام خود را حفظ میكنند. اما در دماهای بالاتر به سرعت استحكام خود را از دست میدهند.

 

 

2) سوپرآلیاژهای پایه آهن

 

سوپرآلیاژهای پایه آهن نشات گرفته از فولادهای زنگ نزن آستینتی میباشند كه دارای زمینهای از محلول جامد آهن و نیكل بوده و برای پایداری زمینه نیاز به حداقل 25 درصد نیكل است.

 

- گروه‌های متعددی از این آلیاژها تاكنون مشخص گردیدهاند كه هر یك با مكانیزمهای خاصی مستحكم می شوند. برخی از این آلیاژها نظیر 57-V و 286-A حاوی 25 تا 35 درصد وزنی نیكل میباشند و استحكامشان به دلیل حضور آلومینیوم و تیتانیم می‌باشد.

 

- گروه دوم آلیاژهای پایه آهن كه آلیاژهایX750 و Incoloy901 نمونه های آن می باشند، حداقل 40 درصد وزنی نیكل داشته و همانند گروههای با نیكل بالاتر استحكام بخشی توسط سختی رسوبی صورت میگیرد.

 

- گروه دیگر این آلیاژها بر پایه آهن- نیكل- كبالت میباشند و استحكام این گروه در محدوده 650 درجه سانتیگراد مناسب بوده و ضریب انبساط حرارتی آنها پایین میباشد. این آلیاژها شامل Incoloy با شمارههای 903، 907، 909، 1-1- PyrometCTX و 3-PyrometCTX و غیره میباشند.

 

 

3) سوپرآلیاژهای پایه كبالت

 

سوپرآلیاژهای كارپذیر پایه كبالت برخلاف سایر سوپرآلیاژها مكانیزم استحكام بخشی متقاوتی دارند و خواص حرارتی خوبی در دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد خواهند داشت. سوپرآلیاژهای پایه كبالت حاوی كرم، مقاومت به خوردگی و اكسیداسیون خوبی داشته و هم چنین قابلیت جوشكاری و مقاومت به خستگی حرارتی آنها نسبت به آلیاژهای پایه نیكل بالاتر میباشد. از طرف دیگر امكان ذوب و ریخته گری این آلیاژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزیت دیگری نسبت به سایر سوپرآلیاژها كه نیاز به خلاء دارند می باشد.

 

سه گروه اصلی آلیاژهای پایه كبالت را میتوان به صورت ذیل در نظر گرفت:

 

- آلیاژهایی كه در دماهای بالا در محدودة 650 تا 1150 درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار میگیرند كه شامل آلیاژهایS-816، 25HAYNES، 188 25HAYNES، 55625HAYNES، 50UMCO میباشند.

 

- آلیاژهایی كه تا حدود 650 درجه سانتیگراد به كار میروند نظیرTN3MP، 159 MP

 

- آلیاژ مقاوم به سایش B 6 Stellite

 

آلیاژ 2525HAYNES بیشترین كاربرد را در میان آلیاژهای كارپذیر پایه كبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمكار نظیر توربین های گازی، اجزاء راكتورهای هسته ای، ایمپلنت‌های جراحی و غیره مورد استفاده قرار گرفته اند. آلیاژهای گروه پایه كبالت كه شامل كرم- تنگستن- كربن میباشند معروف به آلیاژهای Satellite بوده كه به شدت مقاوم به سایش میباشند.

 

این گروه معمولاً در مواردی كه مقاومت سایشی در درجه حرارت‌های بالا مورد نیاز باشد به كار میروند. در واقع سختی این مواد در دمای بالا حفظ شده و در مواقعی كه نمیتوان در حین كار روغنكاری انجام داد به خوبی مورد استفاده قرار میگیرند.

 

 

بازار سوپرآلیاژها

 

شاید بتوان گسترش بازار سوپرآلیاژها را در دنیا مربوط به صنایع هوا _ فضا در نظر گرفت كه با توجه به رشد روزافزون این صنعت و قطعات یدكی آن در سطح جهان پیش بینی میگردد كه تنها بازار قطعات یدكی هواپیماها بالغ بر 4،5 میلیارد دلار باشد، بررسیها حاكی از آنست كه تا سال 2015 تعداد 16000 فروند هواپیمای جدید با موتورهای توربین گازی وارد بازار میشوند كه نیمی از وزن این موتورها از جنس سوپر آلیاژ خواهد بود. بر اساس آمارهای تخمینی موجود در ایران، سوپرآلیاژها سالانه به میزان 80 میلیون دلار در سه وزارتخانة نفت، نیرو و دفاع مورد استفاده قرار میگیرند.

 

 

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام