سوپر آلیاژها
فصل اول
مقدمه
مقدمه
طراحان نیاز فراوانی به مواد مستحكم‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی دارند. فولادهای زنگ نزن توسعه داده شده و به كار رفته در دهه‌های دوم و سوم قرن بیستم میلادی، نقطه شروعی برای برآورده شدن خواسته‌های مهندسی در دماهای بالا بودند. بعداً معلوم شد كه این مواد تحت این شرایط دارای استحكام محدودی هستند. جامعه متالوژی با توجه به نیازهای روز افزون بوجود آمده، با ساخت جایگزین فولاد زنگ نزن كه سوپر آلیاژ نامیده شد به این تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلیاژها مواد اصلاح شده پایه آهن به وجود آمدند، كه بعدها نام سوپر آلیاژ به خود گرفتند.
با شروع و ادامه جنگ جهانی دوم توربین‌های گازی تبدیل به یك محرك قوی برای اختراع و كاربرد آلیاژها شدند. در سال 1920 افزودن آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژهای از نوع نیكروم به عنوان اختراع به ثبت رسید، ولی صنعت سوپر آلیاژها با پذیرش آلیاژ كبالت (ویتالیوم) برای برآورده كردن نیاز به استحكام در دمای بالا در موتورهای هواپیما پدیدار شدند. بعضی آلیاژهای نیكل- كروم (اینكونل و نیمونیك) مانند سیم نسوز كم و بیش وجود داشتند و كار دستیابی به فلز قوی‌تر در دمای بالاتر برای رفع عطش سیری ناپذیر طراحان ادامه یافت و هنوز هم ادامه دارد.
1-1- معرفی و به كار گیری سوپر آلیاژها
سوپر آلیاژها؛ آلیاژهای پایه نیكل، پایه آهن- نیكل و پایه كبالت هستند كه عموماً در دماهای بالاتر از oC540 استفاده می‌شوند. سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل مانند آلیاژ IN-718 از فن‌آوری فولادهای زنگ نزن توسعه یافته و معمولاً به صورت كار شده می‌باشند. سوپر آلیاژهای پایه نیكل و پایه كبالت بسته به نوع كاربرد و تركیب شیمیایی می‌توانند به صورت ریخته یا كار شده باشند.
در شكل 1-1 رفتار تنش- گسیختگی سه گروه آلیاژی با یكدیگر مقایسه شده‌اند (سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل، پایه نیكل و پایه كبالت). در جدولهای 1-1 و 1-2 فهرستی از سوپر آلیاژها و تركیب شیمیایی آنها آورده شده است.
سوپر آلیاژهای دارای تركیب شیمیایی مناسب را می‌توان با آهنگری و نورد به اشكال گوناگون در آورد. تركیب‌های شیمیایی پر آلیاژتر معمولاً به صورت ریخته‌گری می‌باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می‌توان با جوشكاری یا لحیم‌كاری بدست آورد، اما تركیب‌های شیمیایی كه دارای مقادیر زیادی از فازهای سخت كننده هستند، به سختی جوشكاری می‌شوند. خواص سوپر آلیاژها را با تنظیم تركیب شیمیایی و فرآیند (شامل عملیات حرارتی) می‌توان كنترل كرد و استحكام مكانیكی بسیار عالی درمحصول تمام شده بدست آورد.
1-2- مروری كوتاه بر فلزات با استحكام در دمای بالا
استحكام اكثر فلزات در دماهای معمولی به صورت خواص مكانیكی كوتاه مدت مانند استحكام تسلیم یا نهایی اندازه‌گیری و گزارش می‌شود. با افزایش دما به ویژه در دماهای بالاتر از 50 درصد دمای نقطه ذوب (بر حسب دمای مطلق) استحكام باید بر حسب زمان انجام اندازه‌گیری بیان شود. اگر در دماهای بالا باری به فلز اعمال شود كه به طور قابل ملاحظه‌ای كمتر از بار منجر به تسلیم در دمای اتاق باشد، دیده خواهد شد كه فلز به تدریج با گذشت زمان ازدیاد طول پیدا می‌كند. این ازدیاد طول وابسته به زمان خزش نامیده می‌شود و اگر به اندازه كافی ادامه یابد به شكست (گسیختگی) قطعه منجر خواهد شد. استحكام خزش یا استحكام گسیختگی (در اصطلاح فنی استحكام گسیختگی خزش یا استحكام گسیختگی تنشی نامیده می‌شود) همانند استحكام‌های تسلیم و نهایی در دمای اتاق یكی از مولفه‌های مورد نیاز برای فهم رفتار مكانیكی ماده است. در دماهای بالا استحكام خستگی فلز نیز كاهش پیدا می‌كند. بنابراین برای ارزیابی توانایی فلز با در نظر گرفتن دمای كار و بار اعمال شده لازم است، استحكام‌های تسلیم و نهایی، استحكام خزش، استحكام گسیختگی و استحكام خستگی معلوم باشند. ممكن است به خواص مكانیكی مرتبط دیگری مانند مدول دینامیكی، نرخ رشد ترك و چقرمگی شكست نیز نیاز باشد. خواص فیزیكی ماده مانند ضریب انبساط حرارتی، جرم حجمی و غیره فهرست خواص را تكمیل می‌كنند.
1-3- اصول متالورژی سوپر آلیاژها
سوپر آلیاژهای پایه آهن، نیكل و كبالت معمولاً دارای ساختار بلوری با شكل مكعبی با سطوح مركزدار (FCC) هستند. آهن و كبالت در دمای محیط دارای ساختار FCC نیستند. هر دو فلز در دماهای بالا یا در حضور عناصر آلیاژی دیگر دگرگونی یافته و شبكه واحد آنها به FCC تبدیل می‌شود. در مقابل، ساختمان بلوری نیكل در همه دماها به شكل FCC است. حد بالایی این عناصر در سوپر آلیاژها توسط دگرگونی فازها و پیدایش فازهای آلوتروپیك تعیین نمی‌شود بلكه توسط دمای ذوب موضعی آلیاژها و انحلال فازهای استحكام یافته تعیین می‌گردد. در ذوب موضعی بخشی از آلیاژ كه پس از انجماد تركیب شیمیایی تعادلی نداشته است در دمایی كمتر از مناطق مجاور خود ذوب می‌شود. همه آلیاژها دارای یك محدوده دمایی ذوب شدن هستند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه‌ای صورت نمی‌گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد. استحكام سوپر آلیاژها نه تنها بوسیله شبكه FCC و تركیب شیمیایی آن، بلكه با حضور فازهای استحكام دهنده ویژه‌ای مانند رسوب‌ها افزایش می‌یابد. كار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ (مانند تغییر شكل سرد) نیز استحكام را افزایش می‌دهد، اما این استحكام به هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می‌شود.
تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتری در دمای پایین وجود دارد كه گاهی در سوپر آلیاژهای كبالت اتفاق می‌افتد. شبكه FCC سوپر آلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحكام دهنده (در سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل و پایه نیكل) انعطاف‌پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص gr/cm3 87/7 و چگالی نیكل و كبالت تقریباً gr/cm3 9/8 می‌باشد. چگالی سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل تقریباً gr/cm3 3/8-9/7 پایه كبالت gr/cm3 4/9-3/8 و پایه نیكل gr/cm3 9/8-8/7 است.
چگالی سوپر آلیاژها به مقدار عناصر آلیاژی افزوده شده بستگی دارد. عناصر آلیاژی Cr, Ti و Al چگالی را كاهش و Re, W و Ta آنرا افزایش می‌دهند. مقاومت به خوردگی سوپر آلیاژها نیز به عناصر آلیاژی افزوده شده به ویژه Cr, Al و محیط بستگی دارد.
دمای ذوب عناصر خالص نیكل، كبالت و آهن به ترتیب 1453 و 1495 و 1537 درجه سانتیگراد است. دمای ذوب حداقل (دمای ذوب موضعی) و دامنه ذوب سوپر آلیاژها، تابعی از تركیب شیمیایی و فرآیند اولیه است. به طور كلی دمای ذوب موضعی سوپر آلیاژهای پایه كبالت نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیكل بیشتر است. سوپر آلیاژهای پایه نیكل ممكن است در دمای oC1204 از خود ذوب موضعی نشان دهند. انواع پیشرفته سوپر آلیاژهای پایه نیكل تك بلور دارای مقادیر محدودی از عناصر كاهش دهنده دمای ذوب هستند و به همین لحاظ، دارای دمای ذوب موضعی برابر یا كمی بیشتر از سوپر آلیاژهای پایه كبالت هستند.
1-4- بعضی از ویژگیها و خواص سوپر آلیاژها
1- فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیوم در دماهای بالاتر oC540 دارای استحكام كافی نیستند و امكان خسارت دیدن آلیاژ در اثر خوردگی وجود دارد.
2- چنانچه استحكام در دماهای بالاتر (زیر دمای ذوب كه برای اكثر آلیاژها تقریباً 1371-1204 درجه سانتیگراد است) مورد نیاز باشد، سوپر آلیاژهای پایه نیكل انتخاب می‌شوند.
3- از سوپر آلیاژهای پایه نیكل می‌توان در نسبت دمایی بالاتری (نسبت دمای كار به دمای ذوب) در مقایسه با مواد تجاری موجود استفاده كرد. فلزات دیرگداز (نسوز) نسبت به سوپر آلیاژها دمای ذوب بالاتری دارند ولی سایر خواص مطلوب آنها را ندارند و به همین خاطر به طور وسیعی مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.
4- سوپر آلیاژهای پایه كبالت را می‌توان به جای سوپر آلیاژهای پایه نیكل استفاده كرد كه این جایگزینی به استحكام مورد نیاز و نوع خوردگی بستگی دارد.
5- در دماهای پایین‌تر وابسته به استحكام مورد نیاز، سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیكل و پایه كبالت كاربرد بیشتری پیدا كرده‌اند.
6- استحكام سوپر آلیاژ نه تنها مستقیماً به تركیب شیمیایی بلكه به فرآیند ذوب، آهنگری و روش شكل‌دهی، روش ریخته‌گری و بیشتر از همه به عملیات حرارتی پس از شكل‌دهی، آهنگری یا ریخته‌گری بستگی دارد.
7- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیكل و پایه كبالت ارزان‌تر هستند.
8- اكثر سوپر آلیاژهای كار شده برای بهبود مقاومت خوردگی دارای مقداری كروم هستند. مقدار كروم در آلیاژهای ریخته در ابتدا زیاد بود، اما به تدریج مقدار آن كاهش یافت تا عناصر آلیاژی دیگری برای افزایش خواص مكانیكی سوپر آلیاژهای دما بالا، به آنها افزوده شوند. در سوپر آلیاژهای پایه نیكل با كاهش كروم مقدار آلومینیوم افزایش یافت، در نتیجه مقاومت اكسیداسیون آنها در همان سطح اولیه باقی می‌ماند و یا افزایش می‌یابد، اما مقاومت در برابر انواع دیگر خوردگی كاهش می‌یابد.
9- سوپر آلیاژها مقاومت در برابر اكسیداسیون بالایی دارند اما در بعضی موارد مقاومت خوردگی كافی ندارند. در كاربردهایی مانند توربین هواپیما كه دما بالاتر از oC760 است سوپر آلیاژها باید دارای پوشش باشند. سوپر آلیاژها در كاربردهای طولانی مدت در دماهای بالاتر از oC649 مانند توربین‌های گازی زمینی می‌توانند پوشش داشته باشند.
10- فن‌آوری پوشش‌دهی سوپر آلیاژها بخش مهمی از كاربرد و توسعه آنها می‌باشد. نداشتن پوشش به معنی كارآیی كم سوپر آلیاژ در دراز مدت و دماهای بالا است.
11- در سوپر آلیاژها به ویژه در سوپر آلیاژهای پایه نیكل بعضی از عناصر در مقادیر جزئی تا زیاد اضافه شده‌اند. در بعضی از آلیاژها تعداد عناصر كنترل شده موجود تا 14 عنصر و بیشتر می‌تواند باشد.
12- نیكل، كبالت، كروم، تنگستن، مولیبدن، رنیم، هافنیم و دیگر عناصر استفاده شده در سوپر آلیاژها اغلب گران بوده و مقدارشان در طی زمان متغیر است.
1-5- كاربردها
كاربرد سوپر آلیاژها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزاء هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. موتور F119 كه یكی از آخرین موتورهای هواپیماهای نظامی است، نشان داده شده است. دمای گاز در بخش داغ موتور (ناحیه خروجی موتور) ممكن است به دمایی بالاتر از oC 1093 برسد. با استفاده از سیستمهای خنك كننده دمای اجزاء فلزی كاهش پیدا می‌كند و سوپر آلیاژ كه توانایی كار كردن در این دمای بالا را دارد، جزء اصلی بخش داغ به شمار می‌رود.
اهمیت سوپر آلیاژها در تجارت روز را می‌توان با یك مثال نشان داد. در سال 1950 فقط 10 درصد از كل وزن توربین‌های گاز هواپیما از سوپر آلیاژها ساخته می‌شد، اما در سال 1985 میلادی این مقدار به 50 درصد رسید.
در جدول 1-3 فهرستی از كاربردهای جاری سوپر آلیاژها آورده شده است.باید خاطر نشان ساخت، كه همه كاربردها به استحكام در دمای بالا نیاز ندارند. تركیب و مقاومت خوردگی سوپر آلیاژها، مواد استانداردی برای ساخت وسایل پزشكی بوجود آورده است. سوپر آلیا ژها همچنین كاربردهایی در دماهایی بسیار پایین پیدا كرده‌اند.
فصل دوم
انتخاب سوپر آلیاژها
2-1- كلیات
در جدولهای 2-1 و 2-2 داده‌هایی درباره تنش گسیختگی سوپر آلیاژها آورده شده است. با مراجعه به شكل 1-1 می‌توانید یك نگاه كلی بر روی تنش گسیختگی سوپر آلیاژها داشته باشید. جمع‌آوری اطلاعات بیشتر به داده‌های ارائه شده، از طرف سازندگان و نیز دسترسی به اطلاعات فنی منتشر شده بستگی دارد. به استثناء محصولات نورد شده مانند ورق و میله در بقیه محصولات قطعاً نمی‌توان انتظار داشت، كه تركیب شیمیایی بدست آمده، از آزمون در آزمایشگاه‌های مختلف با یكیدگر برابر و یكسان باشند. ریز ساختار تنها عامل مهم در تعریف و تعیین خواص مكانیكی سوپر آلیاژهاست. تغییر ریز ساختار به معنی تغییر خواص و نتایج آزمون است. بدون توجه به ریز ساختار و شرایط آزمون نتایج بدست آمده، از آزمایش تركیب شیمیایی از نوع آماری خواهند بود. دنبال كردن و نتیجه گیری از داده‌ها در هر آلیاژی كاری دشوار است.
2-2- شكل سوپر آلیاژها
سوپرآلیاژها به صورت ریخته (معمولاً عملیات حرارتی شده یا تحت فرآیندهای دیگر قرار گرفته) و یا كار شده (اغلب عملیات حرارتی شده یا تحت فرآیندهای دیگر قرار گرفته) هستند. محصولات ریخته ممكن است به صورت شمش برای ذوب مجدد، یا كار مجدد، مانند آهنگری و یا به شكل محصول نیمه تمام مشابه محصول نهایی باشند. محصولات كار شده اغلب، در حد واسط شكل نهایی مانند، محصولات نورد شده شامل میله، ورق، سیم، صفحه و غیره قرار دارند.
یكی از مسائل مهم متالوژی سوپرآلیاژها در قرن بیستم، تولید شكل نهایی یا نزدیك به آن محصولات كار شده بود. (اشكال ریخته نهایی به روش ریخته‌گری دقیق چندین دهه است كه تولید می‌شوند). در نتیجه تلاش‌های به عمل آمده، فهم كامل فرآیندهای كار گرم و كار سرد، با استفاده از رایانه و به كار بردن فن‌آوری‌های جدید، طراحان را قادر ساخت كه شكل محصولات را تا حد ممكن به شكل نهایی نزدیك گردانند.
2-3- دمای كاری سوپرآلیاژها
همانگونه كه گفته شد، سوپر آلیاژها عموماً برای كار در دماهای بالاتر از oC 540 و كمتر از نقطه ذوب كه معمولاً بالاتر از oC1204 است، مناسب هستند.
آلیاژهای پایه نیكل و پایه آهن- نیكل عموماص دارای حد دمایی در حدود oC816 هستند. در دماهای بالاتر از این حد از آلیاژهای ریخته استفاده می‌شود. استحكام اكثر سوپر آلیاژها توسط رسوب فاز ثانویه افزایش پیدا می‌كند، و حد بالائی محدوده دمائی استفاده از آلیاژ تحت تاثیر نوع پایه آلیاژ (پایه نیكل یا پایه آهن- نیكل) مقدار و نوع رسوب و شكل آلیاژ (ریخته یا كار شده) است.
امروزه در صنعت سوپر آلیاژها كاملاً مشخص است كه از چه نوع آلیاژ ویژه‌ای برای كار در یك دمای مشخص استفاده شود. به عنوان مثال اكثر سوپر آلیاژهای پایه نیكل و پایه آهن- نیكل كار شده، فقط در دماهای oC704-649 مورد استفاده قرار می‌گیرند. محدوده دمایی بعضی از سوپر آلیاژها در دمای زیر oC540 و اكثراً كمتر از oC427 شروع می‌شود. سوپر آلیاژهای كار شده در توربین‌های گازی استفاده می‌شوند، زیرا آلیاژهای تیتانیوم برای این كار مناسب نیستند. آلیاژهای ریخته در بیشترین دما می‌توانند كار كنند و از آنها در موتورهای توربین استفاده می‌شود.
سوپر آلیاژها معمولاً دارای یك ویژگی مقدم بر دیگر ویژگیها هستند. در یك تركیب شیمیایی مشابه، اگر به صورت ریخته یا كار شده استفاده شوند ممكن است عملیات حرارتی متفاوتی بر روی آنها انجام گیرد. زمانی كه یك سوپر آلیاژ به همان شكل تولید شده استفاده می‌شود برای بهینه كردن یكی از ویژگی‌های آن می‌توان از یك عملیات فرآیندی استفاده كرد. به عنوان مثال آلیاژ Waspaloy كار شده در ساخت دیسك توربین گاز استفاده می‌شود. با تنظیم شرایط فرآیند تولید این آلیاژ می‌توان با عملیات حرارتی فرآیندی استحكام تسلیم و در نتیجه استحكام گسیختگی خزش آن را بهبود بخشید.
2-4- مقایسه سوپر آلیاژهای ریخته و كار شده
2-4-1- سوپر آلیاژهای كار شده
یك آلیاژ كار شده معمولاً از شمش‌های ریخته به دست می‌آید اما چندین بار تغییر شكل و عملیات پیش گرم روی آن انجام می‌شود، تا به حالت نهایی خود برسد. آلیاژهای كار شده به مراتب همگن‌تر از آلیاژهای ریخته كه معمولاً دارای جدایش ناشی از فرآیند انجماد هستند می‌باشند. جدایش نتیجه طبیعی انجماد آلیاژ است، اما در بعضی از موارد به صورت شدیدتری روی می‌دهد.
آلیاژهای كار شده، معمولاً انعطاف‌پذیرتر از آلیاژهای ریخته هستند. محصولات نورد مانند میله‌ها از نوع كار شده هستند. انعطاف پذیری آلیاژ باعث می‌شود كه بتوان آنها را به قطعات و اشكال بهتری درآورد. قطعات آهنگری نیز محصولات كار شده هستند كه مزیت انعطاف پذیری بالاتر ماده كار شده برای تولید اشكال بزرگتر مانند، دیسك‌های توربین‌های گازی را دارند.
هر آلیاژ را نمی‌توان به شكل كار شده در آورد. بعضی از قطعات فقط به صورت ریخته تولید می‌شوند. آلیاژهایی كه كارپذیری خیلی كمی دارند، ابتدا با متالورژی پودر تولید شده و سپس آهنگری می‌شوند. برای ساخت دیسك‌های سنگین كه در ناحیه دماهای متوسط توربین گازی كار می‌كنند، از آلیاژهای متالورژی پودر و یا آلیاژهای كار شده استفاده می‌شود. با فرآیند متالورژی پودر می‌توان قطعاتی تولید كرد كه مستقیماً ماشین‌كاری شوند.
2-4-2- سوپر آلیاژهای ریخته
سوپرآلیاژهای ریخته در ناحیه دما بالای توربین‌های گاز، به ویژه در قطعاتی نظیر پره‌های هوا یافت می‌شوند. اكثر آلیاژهای ریخته از نوع چند بلوری (PC)[1] با دانه‌های هم محور و بعضی دیگر از نوع انجماد جهت‌دار یافته (DS)[2] هستند. ریخته‌های چند بلوری دارای دانه‌هایی هستند كه اندازه آنها از یك قطعه به قطعه دیگر تغییر می‌كند. دانه‌های یك ریخته انجماد جهت‌دار یافته، با یكدیگر موازی هستند (عمدتاً به موازات محور طولی پره) و تحت عنوان قطعات انجماد جهت‌دار یافته دانه ستونی (CGDS)[3] شناخته می‌شوند. ممكن است یك ریخته انجماد جهت‌دار یافته فقط دارای یك بلور با محور موازی با محور طولی پره‌های توربین باشد، در این صورت به آن تك بلور انجماد جهت‌دار یافته (SCDS)[4] گفته می‌شود. آلیاژهای ریخته نسبت به آلیاژهای كار شده استحكام بیشتری در دمای بالا دارند.
ریخته‌های چند بلوری دانه درشت، نسبت به قطعات آهنگری شده دانه‌ریز استحكام بهتری در دماهای بالا دارند. تركیب شیمیایی آلیاژ ریخته به نحو موثری تعیین كننده استحكام دما بالای آن است. در فرآیند آهنگری تركیب شیمیایی آلیاژ نقش چندانی در تعیین قابلیت آهنگری ندارد. سوپرآلیاژهای پایه نیكل ریخته دارای بالاترین استحكام گسیختگی خزش در دماهای بالا هستند، به همین خاطر از آنها برای كار در پره‌های هوا توربین گاز تحت شرایط دمای بالا و تنش زیاد استفاده می‌شود. در طرف مقابل قطعات آهنگری دانه‌ریز، استحكام تسلیم بالاتر و استحكام خستگی كم دامنه (LCF)[5] بهتری در دماهای متوسط دارند، و به همین دلیل از آنها در ساخت دیسك‌های آهنگری شده استفاده می‌شود.
جهت دریافت فایل سوپر آلیاژهالطفا آن را خریداری نمایید