به یاد پدر صنعت فولاد

سوپر آلیاژها و کاربرد آنها

معرفي وکاربردها

سوپرآلياژها در واقع آلياژهايي مقاوم در برابر حرارت، خوردگي و اکسيداسيون ميباشند که به لحاظ ترکيب شيميايي شامل سه گروه پايه نيکل، نيکل-آهن و پايه کبالت ميباشند. اولين استفاده از سوپرآلياژها در ساخت توربينهاي گازي، طرحهاي تبديل ذغال‌سنگ، صنايع شيميايي  و صنايعي که نياز به مقاومت حرارتي و خوردگي داشتهاند بوده است.

امروزه تناژ وسيعي از قطعات مصرفي در توربينهاي گازي از جنس سوپرآلياژها ميباشند. در ذيل به بعضي از مصارف اين قطعات اشاره شده است:

- توربينهاي گازي هواپيما

- توربينهاي بخار نيروگاه‌هاي توليد برق

- ساخت قالب‌هاي ريختهگري و ابزارهاي گرمکار

- مصارف پزشکي و دندانپزشکي

- فضاپيماها

- تجهيزات عمليات حرارتي

- سيستمهاي نوتروني و هستهاي

- سيستمهاي شيميايي و پتروشيمي

- تجهيزات کنترل آلودگي

- تجهيزات و کورههاي نورد فلزات

- مبدلهاي حرارتي تبديل ذغال سنگ

به منظور انتخاب سوپرآلياژها جهت مصرف در کاربردهاي فوق لازم است خواص فني نظير شکلپذيري، استحکام، مقاومت خزشي، استحکام خستگي و پايداري سطحي در نظر گرفته شوند.

تقسيم‌بندي سوپرآلياژها برحسب روش توليد

با توجه به نحوة توليد ميتوان سوپرآلياژها را به چهار گروه كلي تقسيم‌بندي نمود که عبارتنداز:

1) سوپرآلياژهاي کارپذير

سوپرآلياژهاي کارپذير در حقيقت گروهي از سوپر آلياژها هستند که قابليت کار مکانيکي دارند و از روشهاي مکانيکي ميتوان به آنها شکلداد. به منظور توليد مقاطع معيني از سوپرآلياژهاي کارپذير، اولين گام آن است که شمشهاي سوپرآلياژها به دليل حضور عناصر فعال(عناصري که سريع در مجاورت هوا اکسيد ميشوند) در شرايط خاصي تهيه شوند. فرايندهاي ذوب در خلاء در مورد تهيه سوپرآلياژهاي پايه نيکل و پايه آهن جزء ضروريات ميباشد. اما در مورد سوپرآلياژهاي پايه کبالت امکان ذوب در هوا وجود دارد. اين فرايند به طور خلاصه شامل ذوب القائي تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الکتريکي در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرايندهاي ترمومکانيکي و متالورژي پودر ميباشند.

پس از تهيه شمشآلياژهاي کارپذير به يکي از روش‌هاي فوق عمليات شکلدهي صورت ميگيرد. عمليات شکلدهي سوپرآلياژها نيز ميتواند توسط عمليات متداول کليه آلياژهاي فلزي انجام پذيرد. سوپرآلياژهاي پايه آهن، کبالت و نيکل را ميتوان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سيم و اشکال ديگر توسط فرايندهاي نورد، اکستروژن و آهنگري توليد نمود. معمولاً عمليات شکلدهي در دماي بالا صورت ميگيرد و تعداد کمي از سوپرآلياژها را ميتوان به صورت سرد شکل‌دهي نمود. ساختارهاي يکنواخت و ريزدانهاي که از شکل‌دهي سرد حاصل ميشود نسبت به ساختارهاي شکلدادن گرم ارجحيت دارند.

عمليات ترموديناميکي بر روي سوپرآلياژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتيگراد انجام ميشود که به اين ترتيب در حين شکل دادن عمليات حرارتي نيز صورت ميگيرد.

2) سوپرآلياژهاي متالورژي پودر

بسياري از انواع آلياژهاي کارپذير از طريق فرايندهاي متالورژي پودر توليد ميگردند. امروزه قطعات متالورژي پودر از جنس سوپرآلياژ با دانسيته کامل از طريق روش‌هاي اکستروژن يا پرسکاري ايزواستاتيک گرم (HIP) توليد ميگردند. مهمترين اين قطعات قيچيها و سوزنهاي جراحي ميباشند.

فرايندهاي متالورژي پودر به‌دليل داشتن مزاياي زير بر فرايندهاي ريختهگري ترجيح داده ميشوند هر چند که معايبي را نيز به همراه خواهند داشت:

- يكنواختي در ترکيب شيميايي و ساختار كريستالي

- ريز بودن اندازه دانههاي كريستالي

- کاهش جدايشها

- راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد

اما مشکلاتي نظير حضور گاز باقيمانده، آلودگي کربني و آخال‌هاي سراميکي باعث ميگردد که در برخي موارد نيز فرايندهاي شمش‌ريزي و ترمومکانيکي متداول صورت پذيرند.

3) سوپرآلياژهاي پلي‌کريستال ريختگي

وجود محدوديت‌هاي تکنولوژيکي سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلياژ مي‌گردد و بنابراين با پيدايش فرايندهاي جديد توليد، اين صنعت نيز روز به روز توسعه مييابد.

تعداد زيادي از فرايندها را ميتوان در توليد قطعات سوپرآلياژ با اندازه نزديک به قطعة نهايي مورد استفاده قرار داد اما اساساً اين قطعات توسط فرايند ريختهگري دقيق توليد ميگردند.

محدوده ترکيب شيميايي سوپرآلياژهاي ريختگي بسيار گستردهتر از سوپرآلياژهاي کارپذير بوده و بنابراين خواص متنوعتري نيز از اين طريق قابل حصول خواهند بود هر چند که انعطاف‌پذيري و مقاومت به خستگي در فرآيندهاي کار مکانيکي بهتر از ريخته­گري خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآيندهاي جديد ريختهگري و انجام عمليات حرارتي متعاقب، خواص سوپرآلياژهاي ريختگي نيز افزايش يافته است.

4) سوپرآلياژهاي تککريستالي انجماد جهتدار

به‌منظور توسعه توربينهاي گازي مصرفي در هواپيماها و افزايش دماهاي کاري و کارآيي موتورها، به‌طور مداوم روشهاي توليد سوپرآلياژها در حال بهبود است.

قسمت‌هاي بحراني توربينها معمولاً شامل پرههاي تحت فشار بالا، هواکشها و ديسکها ميباشند. در طول 15 سال گذشته تحقيقات بسياري در زمينه افزايش راندمان توربينها صورت گرفته است و عمده اين تحقيقات بر امکان افزايش دماي ورودي، فشارکاري و کاهش هزينههاي توليد استوار بوده است. توسعه فرايند انجماد جهتدار به‌منظور توليد تک‌کريستالي‌هاي ريختگي سبب شده تا بتوان از اين طريق پرههاي توربين را با دانههاي جهتدار در راستاي اعمال تنش توليد نمود و به اين ترتيب علاوه بر خواص پايدار حرارتي، استحکام خستگي، استحكام خزشي و انعطاف‌پذيري نيز افزايش يابند.

با توسعه اين تکنولوژي، امروزه در توربينهاي مصرفي در نيروگاه‌هاي برق نيز از قطعات تک‌کريستال از جنس سوپرآلياژها استفاده به‌عمل ميآيد.

در سالهاي اخير شركت هواپيمايي PWA يكي از پيشگامان توليد سوپرآلياژها مي‌باشد و توليد آلياژهاي PWA 1480 به صورت تك‌كريستال توسط اين شركت، سبب افزايش عمركاري هواپيماي جنگي F-100 گرديده است.

تقسيم‌بندي سوپرآلياژها برحسب ترکيب شيميايي

به طور کلي اين آلياژها شامل سه گروه پايه نيكل، پايه آهن و پايه کبالت ميباشند که بسته به درجه حرارت کاربردي مورد استفاده قرار ميگيرند

1) سوپرآلياژهاي پايه نيكل

امروزه آلياژهاي نيکل در حالت‌هاي "تک‌فازي"، "رسوب سختي شده" و "مستحکم‌شده توسط رسوبات اسيدي و کامپوزيتها" در مصارف صنعتي مختلف مورد استفاده قرار ميگيرند.

سوپرآلياژهاي پايه نيکل پيچيدهترين ترکيباتي ميباشند که در قطعات دماي بالا به کار ميروند. در حال حاضر 50 درصد وزن موتورهاي هواپيماهاي پيشرفته از جنس اين آلياژها ميباشد. خصوصيات اصلي آلياژهاي نيکل، پايداري حرارتي و قابليت مستحکم شدن مي­باشد.

بسياري از اين آلياژها حاوي 10 الي 20 درصد کرم، حداکثر 8 درصد آلومينيوم و تيتانيم، 5 تا 15 درصد کبالت و مقادير کمي موليبدن، نيوبيم و تنگستن ميباشند.

دو گروه اصلي  از آلياژهاي آهن- نيکل که ميزان نيکل آنها بيشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهIncoloy 706  و Inconel 718  ميباشند.

اين آلياژها معمولاً حاوي 3 تا 5 درصد نيوبيم ميباشند و در رديف آلياژهاي پايه نيکل قرار ميگيرند. آلياژهاي پايه نيکل معمولاً تا دماي 650 درجه سانتيگراد استحکام خود را حفظ ميکنند. اما در دماهاي بالاتر به سرعت استحکام خود را از دست مي­دهند.

2) سوپرآلياژهاي پايه آهن

سوپرآلياژهاي پايه آهن نشات گرفته از فولادهاي زنگ نزن آستينتي ميباشند که داراي زمينهاي از محلول جامد آهن و نيکل بوده و براي پايداري زمينه نياز به حداقل 25 درصد نيکل است.

- گروه‌هاي متعددي از اين آلياژها تاکنون مشخص گرديدهاند که هر يک با مکانيزمهاي خاصي مستحکم ميشوند. برخي از اين آلياژها نظير 57-V و 286-A حاوي 25 تا 35 درصد وزني نيکل ميباشند و استحکامشان به دليل حضور آلومينيوم و تيتانيم مي‌باشد.

- گروه دوم آلياژهاي پايه آهن که آلياژهايX750 و Incoloy901 نمونههاي آن ميباشند، حداقل 40 درصد وزني نيکل داشته و همانند گروههاي با نيکل بالاتر استحکام بخشي توسط سختي رسوبي صورت ميگيرد.

- گروه ديگر اين آلياژها بر پايه آهن- نيکل- کبالت ميباشند و استحکام اين گروه در محدوده 650 درجه سانتيگراد مناسب بوده و ضريب انبساط حرارتي آنها پايين ميباشد. اين آلياژها شامل Incoloy با شمارههاي 903، 907، 909، 1-1- PyrometCTX و 3-PyrometCTX و غيره ميباشند.

3) سوپرآلياژهاي پايه كبالت

سوپرآلياژهاي کارپذير پايه کبالت برخلاف ساير سوپرآلياژها مکانيزم استحکام بخشي متقاوتي دارند و خواص حرارتي خوبي در دماي حدود 1000 درجه سانتيگراد خواهند داشت.

سوپرآلياژهاي پايه کبالت حاوي کرم، مقاومت به خوردگي و اکسيداسيون خوبي داشته و هم چنين قابليت جوشکاري و مقاومت به خستگي حرارتي آنها نسبت به آلياژهاي پايه نيکل بالاتر ميباشد. از طرف ديگر امکان ذوب و ريختهگري اين آلياژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزيت ديگري نسبت به ساير سوپرآلياژها که نياز به خلاء دارند ميباشد.

سه گروه اصلي آلياژهاي پايه کبالت را ميتوان به صورت ذيل در نظر گرفت:

- آلياژهايي که در دماهاي بالا در محدودة 650 تا 1150 درجه سانتيگراد مورد استفاده قرار ميگيرند که شامل آلياژهايS-816، 25HAYNES، 188 25HAYNES، 55625HAYNES، 50UMCO ميباشند.

- آلياژهايي که تا حدود 650 درجه سانتيگراد به کار ميروند نظيرTN3MP، 159 MP

- آلياژ مقاوم به سايش B 6 Stellite

آلياژ 2525HAYNES بيشترين کاربرد را در ميان آلياژهاي کارپذير پايه کبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمکار نظير توربينهاي گازي، اجزاء راکتورهاي هستهاي، ايمپلنت‌هاي جراحي و غيره مورد استفاده قرار گرفتهاند. آلياژهاي گروه پايه کبالت که شامل کرم- تنگستن- کربن ميباشند معروف به آلياژهاي Satellite بوده که به شدت مقاوم به سايش ميباشند.

اين گروه معمولاً در مواردي که مقاومت سايشي در درجه حرارت‌هاي بالا مورد نياز باشد به کار ميروند. در واقع سختي اين مواد در دماي بالا حفظ شده و در مواقعي که نميتوان در حين کار روغنکاري انجام داد به خوبي مورد استفاده قرار ميگيرند.

بازار سوپرآلياژها

شايد بتوان گسترش بازار سوپرآلياژها را در دنيا مربوط به صنايع هوا _ فضا در نظر گرفت که با توجه به رشد روزافزون اين صنعت و قطعات يدکي آن در سطح جهان پيش بيني ميگردد که تنها بازار قطعات يدکي هواپيماها بالغ بر 4،5 ميليارد دلار باشد، بررسيها حاکي از آنست که تا سال 2015 تعداد 16000 فروند هواپيماي جديد با موتورهاي توربين  گازي وارد بازار ميشوند که نيمي از وزن اين  موتورها از جنس سوپر آلياژ خواهد بود.

بر اساس آمارهاي تخميني موجود در ايران، سوپرآلياژها سالانه به ميزان 80 ميليون دلار در سه وزارتخانة نفت، نيرو و دفاع مورد استفاده قرار ميگيرند.

+ نوشته شده در  شنبه چهاردهم شهریور 1388ساعت 16:29  توسط مهدی   |