سوپرآلیاژ

سوپرآلیاژ

انواع و ویژگی های آن

ابرآلیاژها که با نام سوپرآلیاژ (Superalloy) نیز در میان اهل صنعت مشهور هستند، براساس ویژگی های ساخت و عناصر شیمیایی ترکیبی، خواص و مزیت های بیشتری نسبت به سایر آلیاژهای فلزی دارند؛ گفتنی است که ابرآلیاژها براساس ویژگی های منحصر به فردشان، در بخش های تخصصی تر صنعتی به کار می روند. در این مقاله، می کوشیم تا ابتدا ابرآلیاژها را تعریف کنیم، سپس به ویژگی های شیمیایی و مکانیکی آنها بپردازیم و نکات تکمیلی این مبحث را بررسی کنیم .

ابرآلیاژ چیست ؟

به آلیاژهایی گفته می شود که به سبب وجود برخی از عناصر فلزی متفاوت، ویژگی های خاصی پیدا کرد ه اند؛ به بیان دقیق تر، سوپرآلیاژها امکان کار در دماهای بسیار بالاتر از نقطه ذوب خود را دارند. دمای کار با این آلیاژها معمولا بیشتر از 540 درجه سانتی گراد است.  شایان توجه است که خواص و مزیت های سوپرآلیاژها با افزایش یا کاهش درصد عناصر فلزی موجود در آنها، تغییر می کند. بسیار جالب است که از زمان کشف چنین آلیاژهایی، بسیاری از متخصصان عرصه فلز در تلاش هستند که با ترکیب های دقیق تر و نوآورانه تر عناصر فلزی، آلیاژهای جدیدتری تولید کنند .

سوپرآلیاژ چه انواعی دارد؟

همانطور که در قسمت قبلی نیز اشاره کردیم، به سبب اینکه سوپرآلیاژها کاربردهای بسیاری زیادی در صنعت دارند و گره بسیاری از مشکلات صنعتی را گشوده اند، جمع گسترده ای از متخصصان در تلاش اند تا آلیاژهای جدیدتری را اختراع و وارد چرخه صنعت کنند. در حال حاضر، سه ابرآلیاژ مشهور در عرصه فلزات وجود دارد که هر کدام خواص و ویژگی های خود را دارند. در ادامه، هر کدام از این سه آلیاژ را بررسی می کنیم :

1. ابرآلیاژ بر پایه نیکل : نیکل عنصر فلزی 28ام در جدول تناوبی شیمیایی است و با علامت اختصاری Ni شناخته می شود. فلز نیکل خواص بسیار زیادی دارد؛ مقاومت کششی و برشی، قابلیت چکش خواری مطلوب و سطح براق با ساختاری بلوری شکل از جمله ویژگی های این فلز است.
سوپرآلیاژهای بر پایه نیکل در انواع گوناگونی تولید می شوند تا نیازهای طیف وسیعی از مصرف کنندگان صنعتی را پاسخگو باشند. ابرآلیاژ بر پایه نیکل بر مبنای ویژگی های شیمیایی، به هشت گروه متفاوت تقسیم می شود. همچنین این آلیاژها بر مبنای ذوب، به چهار دسته زیر تقسیم میشوند:

• آلیاژهای ذوب شونده در خلا با مقاومت بالا
• آلیاژهای اولیه ذوب در خلا
• آلیاژهای نوین ذوب شونده در هوا
• آلیاژهای اولیه ذوب شونده در هوا

از عناصر فلزی مولیبدن (MO) نیکل (Ni)، کبالت (Co) و کروم (Cr) در ساخت ابرآلیاژهای بر پایه نیکل استفاده می شود.

2. ابرآلیاژ بر پایه کبالت : عنصر فلزی کبالت با رنگی سفید و عنوان اختصاری Co در میان اهل فن مشهور است. کبالت از جمله فلزهای گران قیمت محسوب می شود و مطمئنا آلیاژهای ساخته شده با این عنصر نیز هزینه و قیمت بیشتری دارند. آلیاژهای تولید شده بر پایه کبالت خواص حرارتی شگفت انگیزی در دمای بالای هزار درجه سانتی گراد دارند. همچنین این آلیاژ با اضافه کردن عناصر فلزی دیگر، خواص و ویژگی های متفاوتی پیدا می کند؛ به عنوان نمونه، با اضافه کردن عنصر فلزی کروم به این آلیاژ، استحکام آن در برابر انواع اکسیداسیون و خوردگی افزایش چشمگیری خواهد داشت.
ابرآلیاژ پایه کبالت به سبب اینکه در هوا با اتمسفر آراگون قابل ریختگری و ذوب است، از سایر ابرآلیاژها که برای ذوب نیاز به محیطی خلا دارند، بهتر است. ابرآلیاژ بر پایه کبالت، به سه گروه اساسی زیر تقسیم می شود:

• ابرآلیاژهای مورد استفاده در دماهای 650 تا 1150 درجه سانتی گراد
• ابرآلیاژهای مورد استفاده در دمای حدود 650 درجه سانت یگراد.
• ابرآلیاژهای مقاوم در برابر سایش

گفتنی است که ابرآلیاژهای بر پایه کبالت با توجه به عناصر فلزی دخیل، به سه دسته زیر تقسیم می شوند:

• ابرآلیاژ کبالت / کروم
• ابرآلیاژ کبالت / مولیبدن
• ابرآلیاژ کبالت / کربن
• ابرآلیاژ بر پایه آهن

3. ابرآلیاژهای بر پایه آهن: پرکاربردترین و رایج ترین سوپرآلیاژهای موجود در صنعت هستند؛ مطمئنا خواص و ویژگیه ای مکانیکی و فنی این آلیاژها باعث شده است که کاربردشان تا این اندازه افزایش پیدا کند. یکی از مهم ترین علت های استفاده از سوپرآلیاژی بر پایه آهن به جای سوپرآلیاژهای بر پایه کبالت و نیکل، هزینه ساخت کمتر سوپرآلیاژ آهن است؛ جالب است بدانید این ابرآلیاژ بر پایه آهن واکنش های مشابهی در مقایسه با دو ابرآلیاژ نیکل و کبالت، در برابر اکسیداسیون و خزش از خود نشان داده اند . ابرآلیاژهای بر پایه آهن در انواع گوناگونی تولید می شوند و هر کدام از این مدل ها، ماشین کاری، شکل دهی، جوشکاری، عملیات حرارتی و پیرسختی متفاوتی نسبت به سایر مدل ها دارند .

سوپر آلیاژ چه مزیت هایی دارد ؟

حالا که اطلاعات نسبتا مختصری درباره ابرآلیاژ و انواع معروف آن به دست آوردیم، وقت آن رسیده است که چند کلمه ای درباره مزیت ها و ویژگی های منحصر به فرد سوپرآلیاژها صحبت کنیم. برجسته ترین ویژگی سوپرآلیاژها، مقاومت مثال زدنی در برابر دماهای بالای حرارتی است؛ برخی از این آلیاژها دماهای بیشتر از 1600 درجه سلسیوس را هم تحمل می کنند. علاوه بر این مورد، سایر ویژگی های ابرآلیاژها شامل موارد زیر میشود :

• مقاومت بسیار زیاد در برابر اکسیداسیون و خوردگی
• استحکام باورنکردنی در برابر انواع خزش فلزی
• قدرت مکانیکی مطلوب

ابرآلیاژ چه کابردهایی دارد؟

همانطور که در بخش های قبلی نیز بیان کردیم، ابرآلیاژها با توجه به ویژگی های ساخت و مشخصه های فنی و مکانیکی منحصر به فرد، کاربردها و مزیت های گوناگونی دارند. یک نکته جالب توجه در استفاده از سوپرآلیاژها این مسئله است که در حوالی سال 1950 میلادی، تقاضا برای انواع سوپر آلیاژ حدود ده درصد از کل تقاضای بازار فولاد را تشکیل میداد اما با گذر حدود سی سال این تقاضا به 50 درصد از کل نیاز بازار تبدیل شد. البته نباید فراموش کنیم که پیشرفت در ساخت و عرضه ابرآلیاژها نیز تاثیر زیادی در افزایش تقاضا برای این محصول داشته است. ابرآلیاژها در سال های ابتدایی، فقط و فقط مختص استفاده در دماهای بسیار زیاد حرارتی بودند اما با گذر زمان و پیشرفته تر شدن صنعت ساخت، این آلیاژها کاربردهای دیگری هم پیدا کردند؛ در مجموع، موارد زیر مهم ترین کاربردهای ابرآلیاژها است:

• در صنایع مربوط به ساخت انواع قطعات هواپیماهای مسافربری و جنگنده ها
• در صنایع مربوط به ساخت انواع توربین های گازی صنعتی
• در ساخت انواع موتورهای الکتریکی نظامی
• در ساخت فضاپیماهای نسل جدید و پوشش دهی ایستگاه های فضایی
• در ساخت انواع زیردریایی های نظامی
• در ساخت انواع راکتورهای اتمی و قسمت های دیگر نیروگاه های هسته ای.

پوشش دهی در ابرآلیاژها چه فایده هایی دارد ؟ ورق های تولید شده به وسیله ابرآلیاژها باید در برابر آسیب های ناشی از حمل و نقل یا ضربات و فشارهای غیرقابل پیش بینی ایمن شوند؛ این آلیاژها معمولا بوسیله روش های گوناگون تخصصی پوشش دهی می شوند. در پوشش دهی سوپرآلیاژها معمولا از روش GVD استفاده می شود. البته با گذر زمان و تخصصی تر شدن تکنولوژی های این عرصه، از نانوذرات هم در پوشش دهی سوپرآلیاژها استفاده می شود.

سوپرآلیاژهای جدید شامل چه مواردی می شوند ؟

در بخش های قبلی این مقاله نیز خاطر نشان کردیم که متخصصان به سبب مزایای بسیار گسترده ابرآلیاژها، در تلاش اند تا ابرآلیاژهای جدیدی اختراع کنند. سوپرآلیاژهای معروف معمولا از عناصر فلزی آهن، کبالت و نیکل ساخته می شوند . توسعه سوپرآلیاژها رابطه مستقیمی با دو عامل زیر دارد

• مولفه های شیمیایی دخیل در پروژه
• آزمایش های گسترده و هزینه بر

به سبب اینکه ابرآلیاژها در صنایع هوافضا و تاسیسات نظامی استفاده های زیادی دارند بودجه و هزینه کافی برای گسترش تحقیقات در زمینه توسعه ابرآلیاژها همواره موجود و دردسترس دانشمندان بوده است . جدیدترین سوپرآلیاژهای موجود در صنعت، موارد زیر هستند :

• آلیاژهای کریستال (CMSX)
• آلیاژهای تی.ام.اس (TMS)
• آلیاژ ام.پی (MP98)
• آلیاژهای هانیس (Hagnas alloys)
• آلیاژهای رنه الوی (Rene alloys)
• آلیاژ هاست (Hastelloy )
• آلیاژ اینکونل Inconel

سخن پایانی

ابرآلیاژها به گروه توسعه یافته آلیاژها اطلاق می شود که خواص مکانیکی، شیمیایی و کاربردهای صنعتی بی نظیری دارند. ابرآلیاژهای رایج شامل ابرآلیاژ بر پایه آهن، کبالت و نیکل می شود؛ البته ابرآلیاژهای دیگری نیز در صنایع هوافضا، پتروشیمی، تاسیسات نظامی و نیروگاه های هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد. ابرآلیاژها به سبب ویژگی های منحصر به فرد خود، مقاومت مطلوبی در برابر اکسیداسیون، فرسایش و خوردگی دارند؛ همچنین این تولیدات نوین فلزی، توان تحمل دمای حرارتی بالا تا حدود هزار و صد درجه سانتی گراد را دارند. گفتنی است که از ابرآلیاژها در ساخت انواع هواپیما و جنگنده ها، تولید زیردریایی جنگی، ساخت راکتورهای هسته ای و تولید انواع موتورهای الکتریکی نظامی استفاده می شود.