همه چیز در مورد سوپر آلیاژ و کاربرد آن

سوپر آلیاژ ها (Superalloy) که با نام ابرآلیاژ نیز شناخته می‌شوند، از پیچیده‌ترین گروه آلیاژهای فلزی بحساب می‌آیند. از ویژگی این سوپرآلیاژها می‌توان به مقاومت زیاد در برابر دمای بالا ، خوردگی، اکسایش و خزش اشاره نمود. گفتنی است وجود عناصری چون کروم و آلومینیم باعث این مقاومت می‌شود.

معمولا عنصر پایه‌ی این نوع آلیاژ، آهن– نیکل، کبالت یا نیکل است و دارای ساختار کریستالی FCC (مکعبی وجه پر) می‌باشد. ابرآلیاژها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود کاربرد گسترده‌ای در صنایعی مانند نفت، پتروشیمی، نیروگاهی و هوايی دارند. همچنین بیشترین کارایی را در بخش‌های داغ توربین‌های گاز، محفظه احتراق و پره‌های توربین دارند.

سوپر آلیاژ

در دهه‌ی 1940 و 1950 اولین ابرآلیاژها اختراع شدند که در آن‌ها کاربیدها در مرزهای دانه وظیفه اصلی استحکام را برعهده داشتند. نسل اول سوپر آلیاژهای جدید در دهه 1980 به همراه مقادیری از تیتانیوم، نیوبیم، آلومینیوم و تاتنال تولید شد که وجود آن‌ها باعث افزایش کسر حجمی فاز ‘γ تا بین 50 و 70 درصد در این آلیاژها می‌شد. این آلیاژها عبارتند از: SRR99، PWA1480 و René N4

نسل دوم و سوم این ابرآلیاژها با وجود 3 تا 6 درصد وزنی رنیوم، دارای ظرفیت گرمایی بیشتری بودند. همچنین رنیوم باعث بهبود عملکرد در دمای بالا و کاهش نرخ نفوذ می‌شود. رنیوم با تقویت فازهای TCP باعث کاهش میزان کروم، مولیبدن، کبالت و تنگستن می‌شود. ابرآلیاژهای نسل دوم شامل René N5 و PWA1484 است.

CMSX-10 و René N6 نسل سوم سوپر آلیاژها هستند. به دلیل وجود مقادیر اضافی روتنیم در نسل‌های چهارم، پنجم و ششم این آلیاژها گرانتر از نسل‌های قبلی خود می‌یاشند. گفتنی است تلاش می‌شود تا حد امکان از عناصر سنگین و با قیمت بالا در تولید آلیاژها استفاده نشود.

انواع سوپر آلیاژ

سوپر آلیاژها براساس روش تولید و ترکیب شیمیایی تقسیم بندی می‌شوند که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

طبقه‌بندی برحسب ترکیب شیمیایی

1) سوپرآلیاژهای پایه نیکل: از ویژگی‌های این آلیاژ می‌توان به قابلیت مستحکم شدن و پایداری حرارتی اشاره نمود. سوپر آلیاژهای نیکل در قطعات دمای بالا مانند موتورهای هواپیماهای پیشرفته کاربرد دارند. اکثر این آلیاژها شامل حداکثر 8 درصد آلومینیوم و تیتانیم، 10-20 درصد کروم، 5 تا 15 درصد کبالت، و مقادیر کمی تنگستن، نیوبیم و مولیبدن است.
آلیاژهای پایه نیکل استحکام خود را معمولاً تا دمای 650 درجه سانتیگراد حفظ می‌کنند. اما در برابر دماهای بالاتر مقاومت ندارند.

2) سوپرآلیاژهای پایه آهن: این سوپرآلیاژها از فولادهای زنگ نزن آستینتی نشات گرفته‌اند و دارای پایه‌ای از محلول آهن جامد و نیکل می‌باشد. حداقل 25 درصد نیکل برای پایداری زمینه نیاز است.

3) سوپرآلیاژهای پایه کبالت: سوپر آلیاژهای پایه‌ی کبالت از استحکام بخشی متقاوتی برخوردارند و خواص حرارتی خوبی در دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد دارند. از ویژگی‌های این سوپر آلیاژ می‌توان به مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون، مقاومت به خستگی حرارتی و قابلیت جوشکاری بالاتر در مقایسه با آلیاژهای پایه نیکل اشاره نمود. همچنین امکان ذوب و ریخته گری این آلیاژ، در هوا با اتمسفر آرگون یک مزیت محسوب می‌شود. سه گروه اصلی از سوپر آلیاژهای کبالت عبارتند از:

• آلیاژهایی در محدوده‌ی دمای 650 تا 1150 درجه سانتی گراد: شامل آلیاژهای 55625HAYNES ، 25HAYNES ، S-816 188 25HAYNES، 50UMCO
• آلیاژهایی تا حدود 650 درجه سانتی گراد: مانند TN3MP و 159 MP
• آلیاژ مقاوم به سایش: مانند B 6 Stellite

طبقه‌بندی برحسب روش تولید

• سوپرآلیاژهای کارپذیر
• سوپرآلیاژهای متالورژی پودر
• سوپرآلیاژهای پلی کریستال ریختگی
• سوپرآلیاژهای تک کریستالی انجماد جهتدار

سوپر آلیاژ اینکونل

اینکونل یک سوپر آلیاژ مبتنی بر نیکل است و مقاومت خوبی در برابر دما، فشار بالا و خوردگی از خود نشان می‌دهد. در دمای بالا بر روی سطح اینکونل یک لایه مقاوم، غیر فعال و پایدار از اکسید تشکیل می‌گردد که مانع از خوردگی خواهد شد. در آلیاژ iconel یا inco کروم به عنوان دومین عنصر از نظر فراوانی شناخته می‌شود. در این آلیاژ میزان آهن همیشه بیشتر از 1 درصد است و عناصر دیگیری مانند کبالت، مولیبدن، نیوبیم و تیتانیوم در این ترکیب شیمیایی وجود دارد. پرکاربرد انواع آلیاژ اینکونل عبارتند از:

• آلیاژ اینکونل X-750
• آلیاژ اینکونل 625
• آلیاژ اینکونل 718
• آلیاژ اینکونل 600
• آلیاژ اینکونل 601

سوپر آلیاژ مونل

این سوپر آلیاژ بر پایه نیکل، مس، آهن، منگنز و دیگر عناصر است. این نوع آلیاژ در محیط‌های خورنده مقاومت خوبی در برابر خوردگی از خود نشان می‌دهد. مونل به طور گسترده در زمینه‌های شیمیایی و پردازش دریایی کاربرد دارد. از انواع این آلیاژ می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• آلیاژ مونل K-500
• آلیاژ مونل 400

سوپر آلیاژ هاینس

این آلیاژ بر پایه نیکل بوده و شامل کبالت، کروم، مولیبدن، تنگستن، آهن، سیلیکون، منگنز، کربن، آلومینیوم، تیتانیوم و دیگر عناصر است. از پرکاربردترین انواع این آلیاژ عبارتند از:

• آلیاژ هاینس HR 120
• آلیاژ هاینس 230
• آلیاژ هاینس 556
• آلیاژ هاینس 214
• آلیاژ هاینس HR 160

آلیاژ هستلوی

آلیاژهای HASTELLOY مقاوم در برابر خوردگی هستند و به طور گسترده توسط صنایع فرآوری شیمیایی استفاده می‌شوند. نیاز به عملکرد قابل اعتماد منجر به پذیرش و رشد آنها در زمینه های انرژی، بهداشت و محیط زیست، صنایع نفت و گاز، داروسازی و گوگرد زدایی گازهای دودکش و … میشود. آلیاژ هاستلوی دارای مقاومت فوق العاده ای در برابر اسیدهای غیر اکسید کننده مانند اسید هیدروکلریک و اسید سولفوریک است. مزایای آلیاژ Hastelloy B-3 نسبت به آلیاژهای قبلی خانواده B، افزایش پایداری حرارتی و بهبود ویژگی های ساخت است.

ویژگی های آلیاژهای HASTELLOY عبارتند از:

– مقاومت بالا در برابر حمله یکنواخت
– مقاومت در برابر خوردگی موضعی برجسته
-مقاومت در برابر خوردگی تنشی عالی در برابر ترک خوردگی
– سهولت در جوشکاری و ساخت.

انواع آلیاژ هستلوی

• آلیاژ هستلوی C-4
• آلیاژ هستلوی B3
• آلیاژ هستلوی C-276
• آلیاژ هستلوی C-22
• آلیاژ هستلوی C-2000
• آلیاژ هستلوی ایکس

آلیاژ اینوار

اینوار یک آلیاژ بر پایه نیکل-آهن است و ضریب منحصر به فرد انبساط حرارتی پایین (CTE یا α)، آن را مورد توجه قرار داده است. نام این سوپر آلیاژ از کلمه invariable برگرفته شده و منظور آن عدم انبساط یا انقباض نسبی با تغییرات دما است. دانشمند کاشف اینوار چارلز ادوارد گیوم به خاطر آن جایزه نوبل فیزیک را در سال 1920 دریافت نمود. این آلیاژ باعث پیشرفت در ابزارهای علمی شد.

• آلیاژ اینوار 36
• آلیاژ اینوار 42

 آلیاژ اینکولوی

آلیاژهای اینکولوی در طیف گسترده ای از صنایع و کاربردها در سراسر جهان مانند فرآوری پتروشیمی پردازش حرارتی و عملیات حرارتی، کنترل آلودگی و جوشکاری پردازش زباله، گرمایش مقاومتی الکتریکی مهندسی هوافضا و … استفاده می شوند. انواع پرکاربرد این سوپر آلیاژ شامل موارد زیر است:

• آلیاژ اینکولوی 800
• آلیاژ اینکولوی 825

آلیاژ نیمونیک

آلیاژهای نیمونیک معمولاً از بیش از 50 درصد نیکل و 20 درصد کروم با افزودنی‌هایی مانند تیتانیوم و آلومینیوم تشکیل شده‌اند. کاربرد اصلی آن‌ها در اجزای توربین گاز و موتورهای احتراق داخلی با عملکرد بسیار بالا است. خانواده آلیاژهای نیمونیک برای اولین بار در دهه 1940 توسط تیم های تحقیقاتی در کارخانه ویگین در هرفورد، انگلستان، در حمایت از توسعه موتور جت ویتل توسعه یافت. انواع پرکاربرد این آلیاژ عبارتند از:

• آلیاژ نیمونیک 80A
• آلیاژ نیمونیک 90
• آلیاژ نیمونیک 75

کاربرد سوپر آلیاژ

سوپرآلیاژها با توجه به نوع و خواص فیزیکی و شیمیایی و به دلیل مقاومت بالا در برابر گرما و اکسیداسیون کاربرد بسیاری در صنایع مختلف دارند که عبارتند از:

• صنایع هوایی
• نفت و پتروشیمی
• صنعت ساخت کوره
• صنعت خودرو
• فضاپیماها
• قطعات و اجزا هواپیما
• موتورهای الکتریکی نظامی
• توربین های صنعتی در صنایع نیروگاهی و نفت
• توربین‌های گازی هوایی
• موتورهای توربین گازی
• مجاری تبادل گرمایی