سوپر آلیاژها
سوپر آلیاژها
با گذشت زمان و پیشرفت صنایع مختلف نیاز طراحان به مواد مستحکم تر و مقاوم تر در برابر خوردگی افزایش یافته است. فولادهای زنگ نزن توسعه داده شده و به کار رفته در دهه های دوم و سوم قرن ۲۰ میلادی، نقطه شروعی برای برآورده شدن خواسته های مهندسی در دماهای بالا بودند. هنگامی که نیازهایی از قبیل استحکام کافی در برابر بارگذاری، خزش و خستگی مورد نظر باشد، سوپرآلیاژها (پایه نیکل) به عنوان مواد قابل استفاده دردماهای بالا (بالاتر از ۸۰۰ سانتیگراد) کاملاً شناخته شده هستند. در سال ۱۹۲۰ میلادی افزودن آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژهای از نوع نیکروم (nichrom type) به عنوان اختراع به ثبت رسید، ولی صنعت سوپرآلیاژها با پذیرش آلیاژ کبالت (وایتالیم) برای برآورده کردن نیاز به استحکام در دمای بالا در موتورهای هواپیما پدیدار شد.
به طور کلی سوپرآلیاژها، در سه گروه:
پایه نیکل، پایه آهن _ نیکل و پایه کبالت که هرکدام از نظر ماکروسکوپی به دو نوع ریخته و کارشده (شامل آلیاژهای متالورژی پودر) تقسیم بندی می شوند و عموماً در دماهای بالاتر از ۵۴۰ درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار می گیرند. سوپرآلیاژهای پایه آهن _ نیکل معمولاً به صورت کارشده موجود می باشند، در حالیکه دو گروه دیگر بسته به نوع کاربرد و ترکیب شیمیایی می توانند به صورت ریخته گری شده و یا کارشده در دسترس قرار بگیرند.
اگر بخواهیم نگاهی بر روند پیشرفت سوپرآلیاژها و نقش افراد و شرکتهای تاثیرگذار بر این آلیاژها را داشته باشیم، با توجه به اطلاعات در دسترس مشخص است که در ابتدا پیشرفت سوپرآلیاژها از آمریکا شروع شده و با فعالیتهای برجسته ای در انگلستان و آلمان در سالهای اخیر ادامه یافته است. اخیراً ژاپن و فرانسه نیز در این پیشرفتها تاثیرگذار بوده اند.
مقاومت به خوردگی سوپرآلیاژها به عناصر آلیاژی افزوده شده به ویژه آلومینیوم، کروم و شرایط محیطی بستگی دارد. فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیوم در دمای بالاتر از ۵۴۰ درجه سانتیگراد دارای استحکام کافی نیستند و امکان خسارت دیدن آلیاژها در اثر خوردگی وجود دارد در حالیکه سوپرآلیاژها برای کار در دماهای بالاتر از ۵۴۰ درجه سانتیگرادو کمتر از نقطه ذوبشان (بیشتر از ۱۲۰۴ درجه سانتیگراد) مناسب هستند. حد بالایی محدوده دمایی استفاده از آلیاژ تحت تاثیر نوع پایه آلیاژ (پایه نیکل و یا پایه آهن _ نیکل) مقدار و نوع رسوب و شکل آلیاژ (ریخته یا کارشده) است. برای مثال اکثر سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن _ نیکل کارشده فقط در دماهای ۷۰۴-۶۴۹ درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از کاربردهای سوپرآلیاژها در جدول ۱ ارائه شده است، لازم به ذکر است که همه کاربردها به استحکام در دمای بالا نیاز ندارند.
سوپرآلیاژها در دو گروه ریخته و کارشده تقسیم بندی می شوند، آلیاژهای کارشده معمولاً از شمش های ریخته بدست می آیند اما چندین بار تغییرشکل و عملیات پیشگرم روی آنها انجام می شود، تا به حالت نهایی خود برسد. آلیاژهای کارشده به مراتب همگنتر و انعطاف پذیرتر از آلیاژهای ریخته که معمولاً دارای جدایش ناشی از فرآیند انجماد هستند، می باشند. لازم به ذکر است که هر آلیاژی را نمی توان به شکل کارشده در آورد و بعضی از قطعات فقط به صورت ریخته تولید می شوند. سوپرآلیاژهای ریخته در ناحیه دما بالای توربینهای گازی، به ویژه در قطعاتی نظیر پره های هوا یافت می شوند. اکثر آلیاژهای ریخته از نوع چند بلوری با دانه های هم محور و بعضی دیگر از نوع انجماد جهت دار هستند. کاربرد آلیاژهای کارشده در محدوده دمایی متوسط (۵۴۰ تا ۷۶۰ درجه سانتیگراد) و کاربرد آلیاژهای ریخته در دمای بالا (از ۸۱۶ درجه سانتیگراد تا دمای ذوب فلز) می باشد.
استحکام دهی سوپرآلیاژها توسط سختکاری محلولی (تداخل اتمهای جانشینی همراه با تغییر شکل)، کارسختی (انرژی نهان ناشی از تغییر شکل) و رسوب سختی (تداخل رسوبها همراه با تغییر شکل) افزایش می یابد. همچنین ایجاد کاربیدها (توزیع مناسب از تداخل فازهای ثانویه به همراه تغییر شکل) به ویژه در سوپرآلیاژهای پایه کبالت افزایش استحکام را در پی دارد.
