سوپرآلیاژ

2

  1. سوپرآلیاژ ۱

  2. سوپرآلیاژ ۲

  3. بررسی پارامترهای بریزینگ جهت بازسازی سطوح تخریب شده سوپرآلیاژها

1

  1. سوپرآلیاژ ۱

  2. سوپرآلیاژ ۲

  3. بررسی پارامترهای بریزینگ جهت بازسازی سطوح تخریب شده سوپرآلیاژها

  4. مقاله سوپرآلیاژ

3

  1. سوپرآلیاژ پایه کبالت

1

معرفی تکنولوژی سوپرآلیاژ و میزان کاربرد آن در جهان و ایران

معرفی وکاربردها :

سوپرآلیاژها در واقع آلیاژهایی مقاوم در برابر حرارت، خوردگی و اکسیداسیون میباشند که به لحاظ ترکیب شیمیایی شامل سه گروه پایه نیکل، نیکل-آهن و پایه کبالت میباشند. اولین استفاده از سوپرآلیاژها در ساخت توربینهای گازی، طرحهای تبدیل ذغال‌سنگ، صنایع شیمیایی و صنایعی که 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 ریختهگری و ابزارهای گرمکار
  • مصارف پزشکی و دندانپزشکی
  • فضاپیماها
  • تجهیزات عملیات حرارتی
  • سیستمهای نوترونی و هستهای
  • سیستمهای شیمیایی و پتروشیمی
  • تجهیزات کنترل آلودگی
  • تجهیزات و کورههای نورد فلزات
  • مبدلهای حرارتی تبدیل ذغال سنگ

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

تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب روش تولید :

با توجه به نحوه تولید میتوان سوپرآلیاژها را به چهار گروه کلی تقسیم‌بندی نمود که عبارتند از :

۱)   سوپرآلیاژهای کارپذیر

سوپرآلیاژهای کارپذیر در حقیقت گروهی از سوپر آلیاژها هستند که قابلیت کار مکانیکی دارند و از روشهای مکانیکی میتوان به آنها شکلداد. به منظور تولید مقاطع معینی از سوپرآلیاژهای کارپذیر، اولین گام آن است که شمشهای سوپرآلیاژها به دلیل حضور عناصر فعال(عناصری که سریع در مجاورت هوا اکسید میشوند) در شرایط خاصی تهیه شوند. فرایندهای ذوب در خلاء در مورد تهیه سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن جزء ضروریات می­باشد. اما در مورد سوپرآلیاژهای پایه کبالت امکان ذوب در هوا وجود دارد. این فرایند به طور خلاصه شامل ذوب القائی تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الکتریکی در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرایندهای ترمومکانیکی و متالورژی پودر میباشند.

پس از تهیه شمشآلیاژهای کارپذیر به یکی از روش‌های فوق عملیات شکلدهی صورت میگیرد. عملیات شکل­دهی سوپرآلیاژها نیز میتواند توسط عملیات متداول کلیه آلیاژهای فلزی انجام پذیرد. سوپرآلیاژهای پایه آهن، کبالت و نیکل را میتوان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سیم و اشکال دیگر توسط فرایندهای نورد، اکستروژن و آهنگری تولید نمود. معمولاً عملیات شکلدهی در دمای بالا صورت میگیرد و تعداد کمی از سوپرآلیاژها را میتوان به صورت سرد شکل‌دهی نمود. ساختارهای یکنواخت و ریزدانهای که از شکل‌دهی سرد حاصل میشود نسبت به ساختارهای شکلدادن گرم ارجحیت دارند. عملیات ترمودینامیکی بر روی سوپرآلیاژها معمولاً در حدود ۱۰۰۰-۹۵۰ درجه سانتیگراد انجام میشود که به این ترتیب در حین شکل دادن عملیات حرارتی نیز صورت میگیرد.

۲)  سوپرآلیاژهای متالورژی پودر

بسیاری از انواع آلیاژهای کارپذیر از طریق فرایندهای متالورژی پودر تولید میگردند. امروزه قطعات متالورژی پودر از جنس سوپرآلیاژ با دانسیته کامل از طریق روش‌های اکستروژن یا پرسکاری ایزواستاتیک گرم (HIP) تولید میگردند. مهمترین این قطعات قیچیها و سوزنهای جراحی میباشند. فرایندهای متالورژی پودر به‌دلیل داشتن مزایای زیر بر فرایندهای ریختهگری ترجیح داده میشوند هر چند که معایبی را نیز به همراه خواهند داشت:

  1.   یکنواختی در ترکیب شیمیایی و ساختار کریستالی
  2.  ریز بودن اندازه دانههای کریستالی
  3.  کاهش جدایشها
  4. راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد

اما مشکلاتی نظیر حضور گاز باقیمانده، آلودگی کربنی و آخال‌های سرامیکی باعث میگردد که در برخی موارد نیز فرایندهای شمش‌ریزی و ترمومکانیکی متداول صورت پذیرند.

۳)سوپرآلیاژهای پلی‌کریستال ریختگی

وجود محدودیت‌های تکنولوژیکی 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 میتوان در تولید قطعات سوپرآلیاژ با اندازه نزدیک به قطعه نهایی مورد استفاده قرار داد اما اساساً این قطعات توسط فرایند ریختهگری دقیق تولید میگردند. محدوده ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژهای ریختگی بسیار گستردهتر از سوپرآلیاژهای کارپذیر بوده و بنابراین خواص متنوعتری نیز از این طریق قابل حصول خواهند بود هر چند که انعطاف‌پذیری و مقاومت به خستگی در فرآیندهای کار مکانیکی بهتر از ریختهگری خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآیندهای جدید ریختهگری و انجام عملیات حرارتی متعاقب، خواص سوپرآلیاژهای ریختگی نیز افزایش یافته است.

۴)  سوپرآلیاژهای تک کریستالی انجماد جهتدار

به‌منظور توسعه توربینهای گازی مصرفی در هواپیماها و افزایش دماهای کاری و کارآیی موتورها، به‌طور مداوم روشهای تولید سوپرآلیاژها در حال بهبود است. قسمت‌های بحرانی توربینها معمولاً شامل پرههای تحت فشار بالا، هواکشها و دیسکها میباشند. در طول ۱۵ سال گذشته تحقیقات بسیاری در زمینه افزایش راندمان توربینها صورت گرفته است و عمده این تحقیقات بر امکان افزایش دمای ورودی، فشارکاری و کاهش هزینههای تولید استوار بوده است. توسعه فرایند انجماد جهتدار به‌منظور تولید تک‌کریستالی‌های 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، استحکام خستگی، استحکام خزشی و انعطاف‌پذیری نیز افزایش یابند. با توسعه این تکنولوژی، امروزه در توربینهای مصرفی در نیروگاه‌های برق نیز از قطعات تک‌کریستال از جنس سوپرآلیاژها استفاده به‌عمل میآید.

در سالهای اخیر شرکت هواپیمایی PWA یکی از پیشگامان تولید سوپرآلیاژها می‌باشد و تولید آلیاژهای PWA 1480 به صورت تک‌کریستال توسط این شرکت، سبب افزایش عمرکاری هواپیمای جنگی F-100 گردیده است.

  2 3

تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب ترکیب شیمیایی :

به طور کلی این آلیاژها شامل سه گروه پایه نیکل، پایه آهن و پایه کبالت میباشند که بسته به درجه حرارت کاربردی مورد استفاده قرار میگیرند :

۱)      سوپرآلیاژهای پایه نیکل

امروزه آلیاژهای نیکل در حالت‌های “تک‌فازی” ، “رسوب سختی شده” و “مستحکم‌شده توسط رسوبات اسیدی و کامپوزیتها” در مصارف صنعتی مختلف مورد استفاده قرار میگیرند.

سوپرآلیاژهای پایه نیکل پیچیدهترین ترکیباتی میباشند که در قطعات دمای بالا به کار میروند. در حال حاضر ۵۰ درصد وزن موتورهای هواپیماهای پیشرفته از جنس این آلیاژها میباشد. خصوصیات اصلی آلیاژهای نیکل، پایداری حرارتی و قابلیت مستحکم شدن میباشد. بسیاری از این آلیاژها حاوی ۱۰ الی ۲۰ درصد کرم، حداکثر ۸ درصد آلومینیوم و تیتانیم، ۵ تا ۱۵ درصد کبالت و مقادیر کمی مولیبدن، نیوبیم و تنگستن میباشند. دو گروه اصلی از آلیاژهای آهن- نیکل که میزان نیکل آنها بیشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهIncoloy 706 و Inconel 718 میباشند.

این آلیاژها معمولاً حاوی ۳ تا ۵ درصد نیوبیم میباشند و در ردیف آلیاژهای پایه نیکل قرار میگیرند. آلیاژهای پایه نیکل معمولاً تا دمای ۶۵۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ میکنند. اما در دماهای بالاتر به سرعت استحکام خود را از دست میدهند.

۲)     سوپرآلیاژهای پایه آهن

سوپرآلیاژهای پایه آهن نشات گرفته از فولادهای زنگ نزن آستینتی میباشند که دارای زمینهای از محلول جامد آهن و نیکل بوده و برای پایداری زمینه نیاز به حداقل ۲۵ درصد نیکل است.

  • گروه‌های متعددی از این آلیاژها تاکنون مشخص گردیدهاند که هر یک با مکانیزمهای خاصی مستحکم میشوند. برخی از این آلیاژها نظیر ۵۷-V و ۲۸۶-A حاوی ۲۵ تا ۳۵ درصد وزنی نیکل میباشند و استحکامشان به دلیل حضور آلومینیوم و تیتانیم می‌باشد.
  • گروه دوم آلیاژهای پایه آهن که آلیاژهایX750 و Incoloy901 نمونههای آن میباشند، حداقل ۴۰ درصد وزنی نیکل داشته و همانند گروههای با نیکل بالاتر استحکام بخشی توسط سختی رسوبی صورت میگیرد.
  • گروه دیگر این آلیاژها بر پایه آهن- نیکل- کبالت میباشند و استحکام این گروه در محدوده ۶۵۰ درجه سانتیگراد مناسب بوده و ضریب انبساط حرارتی آنها پایین میباشد. این آلیاژها شامل Incoloy با شمارههای ۹۰۳، ۹۰۷، ۹۰۹، ۱-۱- PyrometCTX و ۳-PyrometCTX و غیره میباشند.

۳)    سوپرآلیاژهای پایه کبالت

سوپرآلیاژهای کارپذیر پایه کبالت برخلاف سایر سوپرآلیاژها مکانیزم استحکام بخشی متقاوتی دارند و خواص حرارتی خوبی در دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد خواهند داشت. سوپرآلیاژهای پایه کبالت حاوی کرم، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون خوبی داشته و هم چنین قابلیت جوشکاری و مقاومت به خستگی حرارتی آنها نسبت به آلیاژهای پایه نیکل بالاتر میباشد. از طرف دیگر امکان ذوب و ریختهگری این آلیاژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزیت دیگری نسبت به سایر سوپرآلیاژها که نیاز به خلاء دارند می­باشد.

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

  • آلیاژهایی که در دماهای بالا در محدوده ۶۵۰ تا ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار میگیرند که شامل آلیاژهایS-816، ۲۵HAYNES، ۱۸۸ ۲۵HAYNES، ۵۵۶۲۵HAYNES، ۵۰UMCO میباشند.
  • آلیاژهایی که تا حدود ۶۵۰ درجه سانتیگراد به کار میروند نظیرTN3MP، ۱۵۹ MP
  • آلیاژ مقاوم به سایش B 6 Stellite

آلیاژ ۲۵۲۵HAYNES بیشترین کاربرد را در میان آلیاژهای کارپذیر پایه کبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمکار نظیر توربینهای گازی، اجزاء راکتورهای هستهای، ایمپلنت‌های جراحی و غیره مورد استفاده قرار گرفتهاند. آلیاژهای گروه پایه کبالت که شامل کرم- تنگستن- کربن میباشند معروف به آلیاژهای Satellite بوده که به شدت مقاوم به سایش میباشند. این گروه معمولاً در مواردی که مقاومت سایشی در درجه حرارت‌های بالا مورد نیاز باشد به کار میروند. در واقع سختی این مواد در دمای بالا حفظ شده و در مواقعی که نمیتوان در حین کار روغنکاری 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 که با توجه به رشد روزافزون این صنعت و قطعات یدکی آن در سطح جهان پیش بینی میگردد که تنها بازار قطعات یدکی هواپیماها بالغ بر ۴،۵ میلیارد دلار باشد، بررسیها حاکی از آنست که تا سال ۲۰۱۵ تعداد ۱۶۰۰۰ فروند هواپیمای جدید با موتورهای توربین گازی وارد بازار میشوند که نیمی از وزن این موتورها از جنس سوپر آلیاژ خواهد بود.

بر اساس آمارهای تخمینی موجود در ایران، سوپرآلیاژها سالانه به میزان ۸۰ میلیون دلار در سه وزارتخانه نفت، نیرو و دفاع مورد استفاده قرار میگیرند.

معرفی کتاب مرتبط با سوپر آلیاژها

56

مطالب برگرفته از :                                                       http://www.sstc.semnan.mihanblog.com

پاسخ دهید