سوپرآلياژها (Superalloys)

يک سوپرآلياژ ،يا آلياژ با کارايي بالا يک آلياژاست که خواص کششي مکانيکي و مقاومت خستگي بالايي در دماي بالا دارد .همچنين مقاومت سطحي خوب و مقاومت خوردگي و اکسيداسيون بالايي دارد.
سوپرآلياژها به طورخاص ساختار کريستالي مکعبي مرکز وجوه (FGG)دارد .عناصرآلياژي پايه براي سوپرآلياژها معمولاً نيکل ،کبالت يا آهن ـ کبالت هستند .توسعه ي سوپرآلياژها به طور وسيعي بر دو عامل شيميايي و پروسه هاي نوآوري وابسته است و در ابتدا به وسيله ي صنايع قدرت و فضاپيما مشتق و ساخته شد .کاربردهاي خاصش در فضاپيماها ، توربينهاي گازطبيعي و صنايع توربين هاي دريايي به عنوان مثال براي پره هاي توربين براي قسمتهاي موتورجت استفاده مي شود .

نمونه هاي سوپرآلياژها:

ـ آلياژهاست (Hastelloy )
ـ آلياژ اينکونل (Inconel )
ـ آلياژ واسپالي (Wast paloy )
ـ آلياژ رنه الوي (Rene alloys )مانند (رنه 41 ،رنه 80 ، رنه 95)
ـ آلياژهاي هانيس (Hagnasalloys )
ـ آلياژ انيکلوي (Incolog )
ـ آلياژ ام پي (mp98t)T98)
ـ آلياژهاي تي ام اس (TMS)
ـ آلياژهاي کريستال (CMSX)

مقدمه (Introduction ):

سوپرآلياژها مواد فلزي هستند که در دماهاي بالا کار مي کنند .به طورخاص درنقاط گرم توربين هاي گازي اين چنين موادي به توربين اجازه ي بالا بردن بازده را مي دهند با استفاده از کار کردن موتور در دماهاي بالاتر .دماي لوله ي موتور(TIT)،که شاخصي مستقيم از بازده موتورتوربين گازي است ، در قابليت و ظرفيت دمايي اولين پره ي توربين در مرحله ي فشار بالا وابسته است که از جنس سوپرآلياژ پايه نيکل ساخته مي شود .
يکي از مهمترين خواص سوپرآلياژهاي مقاومت خزشي در دماي بالاست . يکي ديگر از خواص حياتي اين مواد مقاومت و دوره ي خزش آنهاست . استقامت فازي ،مانند مقاومت خوردگي و اکسيداسيون بالا است .
سوپرآلياژ مقاومت در دماهاي بالا را ايجاد مي کنند .به واسطه ي سخت کاري محلول جامد مقاومت خوردگي و اکسيداسيون نيز به خاطرلايه ي اکسيدي است که درسطح ماده شکل گرفته است .وقتي فلز با اکسيژن ترکيب شده و ماده را در بر مي گيرد .بنابراين از باقيمانده ي ماده محافظت مي کند .و مقاومت خوردگي و يا مقاومت اکسيداسيون به وسيله ي موادي چون آلومينيوم و کروم ايجاد مي گردد.
مهمترين مکانيزم سخت کاري ، در بين ايجاد رسوبها در فاز ثانويه مثلاً َ لا ( گاها پرايم )و کربايد ها است که ايجاد سختي رسوبي مي کنند .

عکس (1):موتورجت از نوع سوپرآلياژ پايه نيکل

پيشرفت هاي شيميايي (Chemical evelopment ) :

مقاومت خزش وابسته به آهسته کردن سرعت حرکت نابجايي ها در ساختار کريستالي فاز َلا [(Ni3(Al,Ti)]موجود در نيکل و نيکل ـ آهن ، سوپر آلياژها موجب ايجاد يک مانع در برابر نابجايي هاست .
افزودني هاي شيميايي همچون آلومينيوم و تيتانيم باعث گسترش فاز َلا مي گردد.اندازه ي فاز َلا را مي توان با دقت به وسيله ي نحوه ي حرارت دهي در سختکاري رسوبي با دقت کنترل کرد .
سوپرآلياژهاي پايه کبالت فازثانويه ي مقاومت زا مانند َلا را ندارد .خيلي از عناصر ديگر ،هم معمولي ها و هم کم نظيرها شامل (نه تنها فلزات بلکه شبه فلزات و نيم فلزات )مي توانند موجود باشند .کروم ، کبالت ، موليبدن ، تنگستن ، تانتاليم ، آلومينيم ، تيتانيم ، زيرکونيم ، نيوبيوم ،رونيوم ، کربن و برن و هافنيم مثالهايي از آنهاست .

پيشرفت هاي پروسه اي (Process development ) :

توسعه هاي تاريخي درتوليد سوپر آلياژها سبب افزايش قابل ملاحظه اي در دماي کار کردن سوپرآلياژها شد .سوپر آلياژها در ابتدا در پايه ي آهن ساخته شدند البته تا پيش از سالهاي دهه ي 1940.
در دهه ي 1940 ، انيوستمنت کستينگ (investment costing)آلياژهاي پايه کبالتي به خوبي دماي کار را بالا برد . توسعه ي ذوب کردن در خلع دردهه ي 1950 موجب کنترل بهتر ترکيب شيميايي سوپرآلياژها و کاهش ناخالصي و موجب انقلابي در تکنولوژي هاي توليد سوپر آلياژها مانند :انجماد جهتدار آلياژها و سوپر آلياژهاي تک کريستال گشت .
سوپرآلياژها تک کريستال (SG Superalloys )تشکيل شده است از تک کريستال هاي که استفاده گشته است از يک ورژن اصلاح شده از تکنولوژي انجماد جهتدار ، بنابراين در ماده هيچ مرزدانه وجود ندارد . خواص مکانيکي بسياري ديگر از آلياژها وابسته است به وجود مرزدانه ،اما در دماهاي بالا ،آنها درخزش مشارکت کرده و بايد به وسيله ي ديگر مکانيزمها جايگزين گردد .درخيلي از چنين آلياژهايي ، جزايري از فازهاي بين فلزي منظم در زمينه اي از فاز نامنظم قرار مي گيرد .همه با يک شبکه ي کريستالي.
تشابه رفتار درگيري نابجايي ها در مرزدانه ها بدون توليد هيچگونه جامد آمورف درداخل ساختار است .

کاربردها (Application ):

سوپرآلياژها درجاهايي که نياز به مقاومت گرمايي و مقاومت به اکسيداسيون و خوردگي نيازباشد استفاده مي گردد .
بيشترين کاربرد سوپرآلياژها در موارد زير است :هواپيماها و توربين هاي گازي صنعتي ،موتورهاي الکتريکي نظامي ،فضاپيماها ، زيردريايي ها ، رآکتورهاي اتمي ، مجاري فرآيندهاي شيميايي ، مجاري تبادل گرمايي
بسياري از سوپرآلياژهاي پايه نيکل شامل عناصر آلياژي از جمله :کروم ، آلومينيوم ،تيتانيوم ،انواع موليبدن ، تنگستن ، نپوبيوم ،تانتاليم و کبالت است .

عکس (2):کاربرد سوپرآلياژها درموتورهاي جت

متالوژي سوپرآلياژها :

سوپر آلياژهاي توليدي در ابتدا براي کار در دماهاي بالا تا 700 درجه سانتيگراد ساخته شدند .سوپرآلياژهاي امروزي نسل 4ام مورد استفاده قرار مي گيرند به صورت تنها يا تک کريستال و به وسيله ي عناصرديگر همچون روتنيم آلياژ مي گردند .آنها مي توانند تا دماي 1100 درجه ي سانتيگراد را تحمل کنند .ساختار اکثر سوپر آلياژهاي پايه نيکل که سخت کاري رسوبي مي گردند .شامل فاز زمينه ي َلا است .و رسوبات َلا ميان فلزي است
فاز َلا يک محلول جامد با يک شبکه ي کريستالي FCC است .و به صورت راندوم به وسيله ي انواع ديگر ازاتمها توزيع گشته است .
در مقايسه ، فاز َلا يک شبکه ي کريستالي منظم از نوع LI2 دارد .در فاز خالص Ni3Al ، اتمهاي آلومينيوم در فاصله ي واحد شبکه و زير شبکه ي A قرار مي گيرند .
اتمهاي نيکل درمرکز وجوه و به حالت زير شبکه اي B قرار مي گيرند .
فاز به طور دقيق حالت اتوکيلومتري ندارد .علت آن اين است که در ساختار فضاي خالي وجود دارد .زير شبکه ي AوB ي فاز َلا مي تواند به طورقابل ملاحظه اي محلول باشد .درمقايسه با ديگر عناصر ،عناصر آلياژي به خوبي در فاز َلا حل مي شوند .فاز َلا آلياژ را سخت مي کند .به طريق يک مکانيزم غير عادي که کرنش تسليم نام دارد .
نابجايي ها در فاز َلا مجزا گشته که منجر به ايجاد يک مرزدانه هاي فازي مي گردد .اين موجب اين مي گردد که در رده هاي بالا ، انرژي آزاد به اين مرزدانه هاي ضد فازي که کاهش مي يابد اگرمنجر به بخش هاي خاص گردد وابسته مي گردد .که به وسيله ي يک مکان مناسب که سطح خواب نام دارد انجام شود .
يک سري از ناکاملي ها نابجايي مي شوند .که به صورت مرزدانه هاي APB در عرض خطوط APB در مکان هاي کم انرژي تشکيل مي شوند و از آنجا که اين مکان هاي کم انرژي مجاز براي مکان هاي خواب نابجايي هايي ايجاد مي کنند .به صورت مؤثر درهم گير مي کنند .با اين مکانيزم ، مقاومت تسليم فاز َلا Ni3Al به طور واقعي افزايش يافته وقتي دما به 1000 درجه ي سانتيگراد مي رسد که به سوپر آلياژهاي مقاومت دمايي بالا مي دهد .
به علاوه ،اين اغلب پرخاصيت است براي يک مرزدانه شامل آلياژ پايه نيکل براي ايجاد کربايد براي بهبود درمقاومت خزش و جاهايي که کربايد (به عنوان مثال :MC که M در آن يک فلز و C کربن است )رسوب مي کند .در محلهاي مرزدانه .آنها که در داخل مرزدانه ها مانند پين عمل کرده و مقاومت به لغزش و مهاجرت ايجاد مي کند در طي نفوذ خزش اتفاق مي افتد .
به هرحال اگر آنها دريک دانه رسوب کنند و يا اگرآنها به عنوان يک فيلم مرزدانه اي مداوم ايجاد شوند ، تافنس شکست آلياژ با هم افزايش مي يابد با انعطاف پذيري و مقاومت گسستگي .

عکس (3):کاربرد سوپر آلياژها درموتورهاي جت

پوشش هايي از جنس سوپر آلياژ (Cooting of superalloys ):

توليدات سوپرآلياژ که براي کارهاي دردماي بالا و محيط هاي خورنده مثل : (مناطق تيغه اي توربين هاي موتور جت )مورد استفاده قرار مي گيرند . به وسيله ي انواع مختلفي از پوشش ها ،پوشش داده مي شوند .عمدتاً دو نوع مختلف از روشهاي پوشش دهي نمايش داده شده است.
پروسه ي پک کردن و پوشش دهي فاز گازي هر دو گونه اي از روش GVD هستند.دراکثر مواد ،بعد ازمرحله ي پوشش دهي در نزديک نواحي سطحي از آلومينا غني مي گردد .زمينه ي پوشش از نيکل آلومينايد است .ورود يک روش جديد تحقيقاتي در تهيه ي آلياژها و سوپرآلياژهاي اين چنين از روش تهيه به وسيله ي فاز ذرات است.
اين پروسه يک روش کلي تهيه نانو ذرات است .با توسعه ي دانستنيهايمان در زمينه ي علم مواد توليد نانو ذرات مواد توسعه مي يابد .سپس ما مي توانيم تحقيقاتمان را در جنبه هاي توليد سوپرآلياژهاي ،شبيه آلياژهاي پايه نيکل توسعه دهيم.
منبع:www.wikipedia.org
/س