تحقیق مقاله خواص سوپرآلیاژ ها و مقاومت آن ها در برابر خوردگی

فصل اول

سوپر آلیاژها در دمای بالا

1-1- نحوه و زمان استفاده از این فصل

به دشواری می‌توان اطلاعات مختصر ولی دقیقی را در یک موضوع متمرکز کرد. مجریان و مدیران به ویژه در صنایعی که در آنها از تعدادی سوپر آلیاژ استفاده می‌شود، اغلب فقط به اطلاعات پایه با حداقل حواشی و مطالب اضافی نیاز دارند. موسسه‌های خرید یا کارشناسی برای انجام بهتر کار خود به دانسته‌های نسبتاً کمی نیاز دارند. مهندسان نیاز به اطلاعاتی با جزئیات بیشتر ولی سریع درباره انواع آلیاژها و طراحی اولیه دارند. اساس این کتاب بر پایه در اختیار گذاشتن اطلاعات تجربی کافی برای حل مسائل، پاسخ به پرسش‌های مربوط به سوپر آلیاژها و داشتن معلومات کافی درباره سوپر آلیاژها گذاشته شده است. مقدمه این فصل، با مرور مختصری بر موضوعات اصلی کتاب بعضی از نیازهای فوق را تامین می‌کند. فصل حاضر با خلاصه‌ای از تاریخچه سوپر آلیاژها شروع شده و سپس طبیعت سوپر آلیاژها را شرح می‌دهد. این مقدمه موضوعات گوناگون گسترده‌ای را که در به کارگیری سوپر آلیاژها باید در نظر گرفته شوند به طور مستقیم و ساده به خواننده معرفی می‌نماید. استفاده کننده از این کتاب ممکن است، با متالورژی پایه سوپر آلیاژها آشنا و یا کاملاً مبتدی باشد. در هر صورت این کتاب خواننده را به موضوع سوپر آلیاژها نزدیک خواهد ساخت. در این کتاب کمتر به تئوری پرداخته شده و تاکید روی دانسته‌های تجربی شده است. اگر موضوع برایتان کاملاً جدید است ممکن است مقدمه این فصل در بر گیرنده کلیه نیازهای شما باشد. اگر تا اندازه‌ای و یا کاملاً در این زمینه مطلع هستید فهرست مطالب را کنترل کنید، تا آنچه را که شما می‌توانید در هر فصل بیایید، مشاهده نمایید.

1-2- تاریخچه

طراحان نیاز فراوانی به مواد مستحکم‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی دارند. فولادهای زنگ نزن توسعه داده شده و به کار رفته در دهه‌های دوم و سوم قرن بیستم میلادی، نقطه شروعی برای برآورده شدن خواسته‌های مهندسی در دماهای بالا بودند. بعداً معلوم شد که این مواد تحت این شرایط دارای استحکام محدودی هستند. جامعه متالوژی با توجه به نیازهای روز افزون بوجود آمده، با ساخت جایگزین فولاد زنگ نزن که سوپر آلیاژ نامیده شد به این تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلیاژها مواد اصلاح شده پایه آهن به وجود آمدند، که بعدها نام سوپر آلیاژ به خود گرفتند.

با شروع و ادامه جنگ جهانی دوم توربین‌های گازی تبدیل به یک محرک قوی برای اختراع و کاربرد آلیاژها شدند. در سال 1920 افزودن آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژهای از نوع نیکروم به عنوان اختراع به ثبت رسید، ولی صنعت سوپر آلیاژها با پذیرش آلیاژ کبالت (ویتالیوم) برای برآورده کردن نیاز به استحکام در دمای بالا در موتورهای هواپیما پدیدار شدند. بعضی آلیاژهای نیکل- کروم (اینکونل و نیمونیک) مانند سیم نسوز کم و بیش وجود داشتند و کار دستیابی به فلز قوی‌تر در دمای بالاتر برای رفع عطش سیری ناپذیر طراحان ادامه یافت و هنوز هم ادامه دارد.

1-3- معرفی و به کار گیری سوپر آلیاژها

سوپر آلیاژها؛ آلیاژهای پایه نیکل، پایه آهن- نیکل و پایه کبالت هستند که عموماً در دماهای بالاتر از oC540 استفاده می‌شوند. سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل مانند آلیاژ IN-718 از فن‌آوری فولادهای زنگ نزن توسعه یافته و معمولاً به صورت کار شده می‌باشند. سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت بسته به نوع کاربرد و ترکیب شیمیایی می‌توانند به صورت ریخته یا کار شده باشند.

از آغاز پیدایش سوپر آلیاژها، تعداد زیادی آلیاژ شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته و تعدادی نیز به عنوان اختراع ثبت گردیده‌اند. تعدادی از آنها در طول سالیان گذشته غربال شده و تعدادی به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به خاطر اینکه همه آلیاژها را نمی‌توان بر شمرد مثالهائی از آلیاژهای قدیم و جدید برای نشان دادن متالورژی فیزیکی سیستم‌های سوپر آلیاژها آورده شده است (به فصل‌های 3 و 12 مراجعه کنید) در شکل 1-1 رفتار تنش- گسیختگی سه گروه آلیاژی با یکدیگر مقایسه شده‌اند (سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل، پایه نیکل و پایه کبالت). در جدولهای 1-1 و 1-2 فهرستی از سوپر آلیاژها و ترکیب شیمیایی آنها آورده شده است.

سوپر آلیاژهای دارای ترکیب شیمیایی مناسب را می‌توان با آهنگری و نورد به اشکال گوناگون در آورد. ترکیب‌های شیمیایی پر آلیاژتر معمولاً به صورت ریخته‌گری می‌باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می‌توان با جوشکاری یا لحیم‌کاری بدست آورد، اما ترکیب‌های شیمیایی که دارای مقادیر زیادی از فازهای سخت کننده هستند، به سختی جوشکاری می‌شوند. خواص سوپر آلیاژها را با تنظیم ترکیب شیمیایی و فرآیند (شامل عملیات حرارتی) می‌توان کنترل کرد و استحکام مکانیکی بسیار عالی درمحصول تمام شده بدست آورد.

1-3- مروری کوتاه بر فلزات با استحکام در دمای بالا

استحکام اکثر فلزات در دماهای معمولی به صورت خواص مکانیکی کوتاه مدت مانند استحکام تسلیم یا نهایی اندازه‌گیری و گزارش می‌شود. با افزایش دما به ویژه در دماهای بالاتر از 50 درصد دمای نقطه ذوب (بر حسب دمای مطلق) استحکام باید بر حسب زمان انجام اندازه‌گیری بیان شود. اگر در دماهای بالا باری به فلز اعمال شود که به طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از بار منجر به تسلیم در دمای اتاق باشد، دیده خواهد شد که فلز به تدریج با گذشت زمان ازدیاد طول پیدا می‌کند. این ازدیاد طول وابسته به زمان خزش نامیده می‌شود و اگر به اندازه کافی ادامه یابد به شکست (گسیختگی) قطعه منجر خواهد شد. استحکام خزش یا استحکام گسیختگی (در اصطلاح فنی استحکام گسیختگی خزش یا استحکام گسیختگی تنشی نامیده می‌شود) همانند استحکام‌های تسلیم و نهایی در دمای اتاق یکی از مولفه‌های مورد نیاز برای فهم رفتار مکانیکی ماده است. در دماهای بالا استحکام خستگی فلز نیز کاهش پیدا می‌کند. بنابراین برای ارزیابی توانایی فلز با در نظر گرفتن دمای کار و بار اعمال شده لازم است، استحکام‌های تسلیم و نهایی، استحکام خزش، استحکام گسیختگی و استحکام خستگی معلوم باشند. ممکن است به خواص مکانیکی مرتبط دیگری مانند مدول دینامیکی، نرخ رشد ترک و چقرمگی شکست نیز نیاز باشد. خواص فیزیکی ماده مانند ضریب انبساط حرارتی، جرم حجمی و غیره فهرست خواص را تکمیل می‌کنند.

1-4-اصول متالورژی سوپر آلیاژها

سوپر آلیاژهای پایه آهن، نیکل و کبالت معمولاً دارای ساختار بلوری با شکل مکعبی با سطوح مرکزدار (FCC) هستند. آهن و کبالت در دمای محیط دارای ساختار FCC نیستند. هر دو فلز در دماهای بالا یا در حضور عناصر آلیاژی دیگر دگرگونی یافته و شبکه واحد آنها به FCC تبدیل می‌شود. در مقابل، ساختمان بلوری نیکل در همه دماها به شکل FCC است. حد بالایی این عناصر در سوپر آلیاژها توسط دگرگونی فازها و پیدایش فازهای آلوتروپیک تعیین نمی‌شود بلکه توسط دمای ذوب موضعی آلیاژها و انحلال فازهای استحکام یافته تعیین می‌گردد. در ذوب موضعی بخشی از آلیاژ که پس از انجماد ترکیب شیمیایی تعادلی نداشته است در دمایی کمتر از مناطق مجاور خود ذوب می‌شود. همه آلیاژها دارای یک محدوده دمایی ذوب شدن هستند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه‌ای صورت نمی‌گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد. استحکام سوپر آلیاژها نه تنها بوسیله شبکه FCC و ترکیب شیمیایی آن، بلکه با حضور فازهای استحکام دهنده ویژه‌ای مانند رسوب‌ها افزایش می‌یابد. کار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ (مانند تغییر شکل سرد) نیز استحکام را افزایش می‌دهد، اما این استحکام به هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می‌شود.

تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتری در دمای پایین وجود دارد که گاهی در سوپر آلیاژهای کبالت اتفاق می‌افتد. شبکه FCC سوپر آلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحکام دهنده (در سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل و پایه نیکل) انعطاف‌پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص gr/cm3 87/7 و چگالی نیکل و کبالت تقریباً gr/cm3  9/8 می‌باشد. چگالی سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل تقریباً gr/cm3 3/8-9/7 پایه کبالت gr/cm3 4/9-3/8 و پایه نیکل gr/cm3 9/8-8/7 است.

چگالی سوپر آلیاژها به مقدار عناصر آلیاژی افزوده شده بستگی دارد. عناصر آلیاژی Cr, Ti و Al چگالی را کاهش و Re, W و Ta آنرا افزایش می‌دهند. مقاومت به خوردگی سوپر آلیاژها نیز به عناصر آلیاژی افزوده شده به ویژه Cr, Al و محیط بستگی دارد.

دمای ذوب عناصر خالص نیکل، کبالت و آهن به ترتیب 1453 و 1495 و 1537 درجه سانتی‌گراد است. دمای ذوب حداقل (دمای ذوب موضعی) و دامنه ذوب سوپر آلیاژها، تابعی از ترکیب شیمیایی و فرآیند اولیه است. به طور کلی دمای ذوب موضعی سوپر آلیاژهای پایه کبالت نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل بیشتر است. سوپر آلیاژهای پایه نیکل ممکن است در دمای oC1204 از خود ذوب موضعی نشان دهند. انواع پیشرفته سوپر آلیاژهای پایه نیکل تک بلور دارای مقادیر محدودی از عناصر کاهش دهنده دمای ذوب هستند و به همین لحاظ، دارای دمای ذوب موضعی برابر یا کمی بیشتر از سوپر آلیاژهای پایه کبالت هستند.

1-5- بعضی از ویژگیها و خواص سوپر آلیاژها

1- فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیوم در دماهای بالاتر oC540 دارای استحکام کافی نیستند و امکان خسارت دیدن آلیاژ در اثر خوردگی وجود دارد.

2- چنانچه استحکام در دماهای بالاتر (زیر دمای ذوب که برای اکثر آلیاژها تقریباً 1371-1204 درجه سانتیگراد است) مورد نیاز باشد، سوپر آلیاژهای پایه نیکل انتخاب می‌شوند.

3- از سوپر آلیاژهای پایه نیکل می‌توان در نسبت دمایی بالاتری (نسبت دمای کار به دمای ذوب) در مقایسه با مواد تجاری موجود استفاده کرد. فلزات دیرگداز (نسوز) نسبت به سوپر آلیاژها دمای ذوب بالاتری دارند ولی سایر خواص مطلوب آنها را ندارند و به همین خاطر به طور وسیعی مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.

4- سوپر آلیاژهای پایه کبالت را می‌توان به جای سوپر آلیاژهای پایه نیکل استفاده کرد که این جایگزینی به استحکام مورد نیاز و نوع خوردگی بستگی دارد.

5- در دماهای پایین‌تر وابسته به استحکام مورد نیاز، سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت کاربرد بیشتری پیدا کرده‌اند.

6- استحکام سوپر آلیاژ نه تنها مستقیماً به ترکیب شیمیایی بلکه به فرآیند ذوب، آهنگری و روش شکل‌دهی، روش ریخته‌گری و بیشتر از همه به عملیات حرارتی پس از شکل‌دهی، آهنگری یا ریخته‌گری بستگی دارد.

7- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت ارزان‌تر هستند.

8- اکثر سوپر آلیاژهای کار شده برای بهبود مقاومت خوردگی دارای مقداری کروم هستند. مقدار کروم در آلیاژهای ریخته در ابتدا زیاد بود، اما به تدریج مقدار آن کاهش یافت تا عناصر آلیاژی دیگری برای افزایش خواص مکانیکی سوپر آلیاژهای دما بالا، به آنها افزوده شوند. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل با کاهش کروم مقدار آلومینیوم افزایش یافت، در نتیجه مقاومت اکسیداسیون آنها در همان سطح اولیه باقی می‌ماند و یا افزایش می‌یابد، اما مقاومت در برابر انواع دیگر خوردگی کاهش می‌یابد.

9- سوپر آلیاژها مقاومت در برابر اکسیداسیون بالایی دارند اما در بعضی موارد مقاومت خوردگی کافی ندارند. در کاربردهایی مانند توربین هواپیما که دما بالاتر از oC760 است سوپر آلیاژها باید دارای پوشش باشند. سوپر آلیاژها در کاربردهای طولانی مدت در دماهای بالاتر از oC659 مانند توربین‌های گازی زمینی می‌توانند پوشش داشته باشند.

10- فن‌آوری پوشش‌دهی سوپر آلیاژها بخش مهمی از کاربرد و توسعه آنها می‌باشد. نداشتن پوشش به معنی کارآیی کم سوپر آلیاژ در دراز مدت و دماهای بالا است.

11- در سوپر آلیاژها به ویژه در سوپر آلیاژهای پایه نیکل بعضی از عناصر در مقادیر جزئی تا زیاد اضافه شده‌اند. در بعضی از آلیاژها تعداد عناصر کنترل شده موجود تا 14 عنصر و بیشتر می‌تواند باشد.

12- نیکل، کبالت، کروم، تنگستن، مولیبدن، رنیم، هافنیم و دیگر عناصر استفاده شده در سوپر آلیاژها اغلب گران بوده و مقدارشان در طی زمان متغیر است.

1-6- کاربردها

کاربرد سوپر آلیاژها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزاء هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. در شکل 1-2 موتور F119 که یکی از آخرین موتورهای هواپیماهای نظامی است نشان داده شده است. دمای گاز در بخش داغ موتور (ناحیه خروجی موتور) ممکن است به دمایی بالاتر از oC 1093 برسد. با استفاده از سیستمهای خنک کننده دمای اجزاء فلزی کاهش پیدا می‌کند و سوپر آلیاژ که توانایی کار کردن در این دمای بالا را دارد، جزء اصلی بخش داغ به شمار می‌رود.

اهمیت سوپر آلیاژها در تجارت روز را می‌توان با یک مثال نشان داد. در سال 1950 فقط 10 درصد از کل وزن توربین‌های گاز هواپیما از سوپر آلیاژها ساخته می‌شد، اما در سال 1985 میلادی این مقدار به 50 درصد رسید.

در جدول 1-3 فهرستی از کاربردهای جاری سوپر آلیاژها آورده شده است.باید خاطر نشان ساخت، که همه کاربردها به استحکام در دمای بالا نیاز ندارند. ترکیب و مقاومت خوردگی سوپر آلیاژها، مواد استانداردی برای ساخت وسایل پزشکی بوجود آورده است. سوپر آلیا ژها همچنین کاربردهایی در دماهایی بسیار پایین پیدا کرده‌اند.

1-8- موضوعات ارائه شده در این کتاب

این کتاب برای کسانی که علاقمند به تکمیل معلومات خود در زمینه سوپر آلیاژها هستند مناسب است. فصل‌های «انتخاب سوپر آلیاژها»، «متالورژی سوپر آلیاژها»، «ارتباط بین ساختار و خواص» و «خوردگی و حفاظت سوپر آلیاژها» به طراح توانایی تصمیم‌گیری استفاده از سوپر آلیاژ را می‌دهند. برای کسانی که در فرآیند تولید خود با سوپر آلیاژها سرو کار دارند در فصل «ذوب و تبدیل» و بعد از آن در فصل «ماشینکاری و عملیات نهائی» نگاهی مفهومی به اصول اولیه سوپر آلیاژها شده است.

فصل‌های معرفی شده در بند قبل، برای کسانی که با مسائل تخصصی سوپر آلیاژها ارتباط دارند توصیه می‌شوند. چنانچه از کار فاتادگی قطعات مورد نظر باشد، فصل «از کار افتادگی» را بررسی کنید. فصل «سوپر آلیاژها- نگاهی به گذشته و آینده» ممکن است برای کسانی که می‌خواهند نگاهی کوتاه به مبحث کاربردهای سوپر آلیاژها و آینده آنها داشته باشند جالب به نظر برسد.

فصل دوم

انتخاب سوپر آلیاژها

2-1- مرور

1- کلیات

در جدولهای 2-1 تا 2-4 داده‌های درباره خواص کششی و تنش گسیختگی سوپر آلیاژها آورده شده است. با مراجعه به شکل 1-1 می‌توانید یک نگاه کلی بر روی تنش گسیختگی سوپر آلیاژها داشته باشید. در حالی که در شکل 2-1 اطلاعاتی درباره بعضی آلیاژهای ویژه داده شده است که در بر گیرنده طیف وسیعی از سوپر آلیاژهای موجود و غیر موجود در بازار می‌باشد. جمع‌آوری اطلاعات بیشتر به داده‌های ارائه شده، از طرف سازندگان و نیز دسترسی به اطلاعات فنی منتشر شده بستگی دارد. به استثناء محصولات نورد شده مانند ورق و میله در بقیه محصولات قطعاً نمی‌توان انتظار داشت، که ترکیب شیمیایی بدست آمده، از آزمون در آزمایشگاه‌های مختلف با یکیدگر برابر و یکسان باشند. ریز ساختار تنها عامل مهم در تعریف و تعیین خواص مکانیکی سوپر آلیاژهاست. تغییر ریز ساختار به معنی تغییر خواص و نتایج آزمون است. بدون توجه به ریز ساختار و شرایط آزمون نتایج بدست آمده، از آزمایش ترکیب شیمیایی از نوع آماری خواهند بود. دنبال کردن و نتیجه گیری از داده‌ها در هر آلیاژی کاری دشوار است.

2- شکل سوپر آلیاژها

سوپرآلیاژها به صورت ریخته (معمولاً عملیات حرارتی شده یا تحت فرآیندهای دیگر قرار گرفته) و یا کار شده (اغلب عملیات حرارتی شده یا تحت فرآیندهای دیگر قرار گرفته) هستند. محصولات ریخته ممکن است به صورت شمش برای ذوب مجدد، یا کار مجدد، مانند آهنگری و یا به شکل محصول نیمه تمام مشابه محصول نهایی باشند. محصولات کار شده اغلب، در حد واسط شکل نهایی مانند، محصولات نورد شده شامل میله، ورق، سیم، صفحه و غیره قرار دارند.

یکی از مسائل مهم متالوژی سوپرآلیاژها در قرن بیستم، تولید شکل نهایی یا نزدیک به آن محصولات کار شده بود. (اشکال ریخته نهایی به روش ریخته‌گری دقیق چندین دهه است که تولید می‌شوند). در نتیجه تلاش‌های به عمل آمده، فهم کامل فرآیندهای کار گرم و کار سرد، با استفاده از رایانه و به کار بردن فن‌آوری‌های جدید، طراحان را قادر ساخت که شکل محصولات را تا حد ممکن به شکل نهایی نزدیک گردانند.

3- دمای کاری سوپرآلیاژها

همانگونه که گفته شد، سوپر آلیاژها عموماً برای کار در دماهای بالاتر از oC 540 و کمتر از نقطه ذوب که معمولاً بالاتر از oC1204 است، مناسب هستند.

آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل عموماص دارای حد دمایی در حدود oC816 هستند. در دماهای بالاتر از این حد از آلیاژهای ریخته استفاده می‌شود. استحکام اکثر سوپر آلیاژها توسط رسوب فاز ثانویه افزایش پیدا می‌کند، و حد بالائی محدوده دمائی استفاده از آلیاژ تحت تاثیر نوع پایه آلیاژ (پایه نیکل یا پایه آهن- نیکل) مقدار و نوع رسوب و شکل آلیاژ (ریخته یا کار شده) است.

امروزه در صنعت سوپر آلیاژها کاملاً مشخص است که از چه نوع آلیاژ ویژه‌ای برای کار در یک دمای مشخص استفاده شود. به عنوان مثال اکثر سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل کار شده، فقط در دماهای oC704-649 مورد استفاده قرار می‌گیرند. محدوده دمایی بعضی از سوپر آلیاژها در دمای زیر oC540 و اکثراً کمتر از oC427 شروع می‌شود. سوپر آلیاژهای کار شده در توربین‌های گازی استفاده می‌شوند، زیرا آلیاژهای تیتانیوم برای این کار مناسب نیستند. آلیاژهای ریخته در بیشترین دما می‌توانند کار کنند و از آنها در موتورهای توربین استفاده می‌شود.

سوپر آلیاژها معمولاً دارای یک ویژگی مقدم بر دیگر ویژگی‌ها هستند. در یک ترکیب شیمیایی مشابه، اگر به صورت ریخته یا کار شده استفاده شوند ممکن است عملیات حرارتی متفاوتی بر روی آنها انجام گیرد. زمانی که یک سوپر آلیاژ به همان شکل تولید شده استفاده می‌شود برای بهینه کردن یکی از ویژگی‌های آن می‌توان از یک عملیات فرآیندی استفاده کرد. به عنوان مثال آلیاژ Waspaloy کار شده در ساخت دیسک توربین گاز استفاده می‌شود. با تنظیم شرایط فرآیند تولید این آلیاژ می‌توان با عملیات حرارتی فرآیندی استحکام تسلیم و در نتیجه استحکام گسیختگی خزش آن را بهبود بخشید.

2-2- مقایسه سوپر آلیاژهای ریخته و کار شده

1- سوپر آلیاژهای کار شده

یک آلیاژ کار شده معمولاً از شمش‌های ریخته به دست می‌آید اما چندین بار تغییر شکل و عملیات پیش گرم روی آن انجام می‌شود، تا به حالت نهایی خود برسد. آلیاژهای کار شده به مراتب همگن‌تر از آلیاژهای ریخته که معمولاً دارای جدایش ناشی از فرآیند انجماد هستند می‌باشند. جدایش نتیجه طبیعی انجماد آلیاژ است، اما در بعضی از موارد به صورت شدیدتری روی می‌دهد.

آلیاژهای کار شده، معمولاً انعطاف‌پذیرتر از آلیاژهای ریخته هستند. محصولات نورد مانند میله‌ها از نوع کار شده هستند. انعطاف پذیری آلیاژ باعث می‌شود که بتوان آنها را به قطعات و اشکال بهتری درآورد. قطعات ‎آهنگری نیز محصولات کار شده هستند که مزیت انعطاف پذیری بالاتر ماده کار شده برای تولید اشکال بزرگتر مانند، دیسک‌های توربین‌های گازی را دارند.

هر آلیاژ را نمی‌توان به شکل کار شده در آورد. بعضی از قطعات فقط به صورت ریخته تولید می‌شوند. آلیاژهایی که کارپذیری خیلی کمی دارند، ابتدا با متالورژی پودر تولید شده و سپس آهنگری می‌شوند. برای ساخت دیسک‌های سنگین که در ناحیه دماهای متوسط توربین گازی کار می‌کنند، از آلیاژهای متالورژی پودر و یا آلیاژهای کار شده استفاده می‌شود. با فرآیند متالورژی پودر می‌توان قطعاتی تولید کرد که مستقیماً ماشین‌کاری شوند.

2- سوپر آلیاژهای ریخته

سوپرآلیاژهای ریخته در ناحیه دما بالای توربین‌های گاز، به ویژه در قطعاتی نظیر پره‌های هوا یافت می‌شوند. اکثر آلیاژهای ریخته از نوع چند بلوری (PC)[1] با دانه‌های هم محور و بعضی دیگر از نوع انجماد جهت‌دار یافته (DS)[2] هستند. ریخته‌های چند بلوری دارای دانه‌هایی هستند که اندازه آنها از یک قطعه به قطعه دیگر تغییر می‌کند. دانه‌های یک ریخته انجماد جهت‌دار یافته، با یکدیگر موازی هستند (عمدتاً به موازات محور طولی پره) و تحت عنوان قطعات انجماد جهت‌دار یافته دانه ستونی (CGDS)[3] شناخته می‌شوند. ممکن است یک ریخته انجماد جهت‌دار یافته فقط دارای یک بلور با محور موازی با محور طولی پره‌های توربین باشد، در این صورت به آن تک بلور انجماد جهت‌دار یافته (SCDS)[4] گفته می‌شود. آلیاژهای ریخته نسبت به آلیاژهای کار شده استحکام بیشتری در دمای بالا دارند.

ریخته‌های چند بلوری دانه درشت، نسبت به قطعات آهنگری شده دانه‌ریز استحکام بهتری در دماهای بالا دارند. ترکیب شیمیایی آلیاژ ریخته به نحو موثری تعیین کننده استحکام دما بالای آن است. در فرآیند آهنگری ترکیب شیمیایی آلیاژ نقش چندانی در تعیین قابلیت ‎آهنگری ندارد. سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریخته دارای بالاترین استحکام گسیختگی خزش در دماهای بالا هستند، به همین خاطر از آنها برای کار در پره‌های هوا توربین گاز تحت شرایط دمای بالا و تنش زیاد استفاده می‌شود. در طرف مقابل قطعات آهنگری دانه‌ریز، استحکام تسلیم بالاتر و استحکام خستگی کم دامنه (LCF)[5] بهتری در دماهای متوسط دارند، و به همین دلیل از آنها در ساخت دیسک‌های آهنگری شده استفاده می‌شود.

2-3- خواص سوپرآلیاژها

1- کلیات

استحکام‌دهی سوپرآلیاژها توسط سخت‌کاری محلولی (تداخل اتم‌های جانشینی همراه با تغییر شکل)، کار سختی (انرژی نهان ناشی از تغییر شکل) و رسوب سختی (تداخل رسوب‌ها همراه با تغییر شکل) افزایش می‌یابد. هم چنین ایجاد کاربیدها (توزیع مناسب از تداخل فازهای ثانویه به همراه تغییر شکل) به ویژه در سوپر آلیاژهای پایه کبالت افزایش استحکام را در پی دارد. استحکام یک عبارت نسبی است و توسط نوع آن تعریف می‌شود. بعضی از کاربردها به استحکام تسلیم و بعضی به استحکام نهایی نیاز دارند (خواص کوتاه مدت). در بعضی دیگر از کاربردها استحکام گسیختگی خزش اهمیت دارد (خوص بلند مدت). استحکام گسیختگی خزش سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل در دماهای بالاتر از oC650 به طور قابل ملاحظه‌ای نسبت به سوپرآلیاژهای پایه کبالت پائین‌تر است.

2- سوپر آلیاژهای پیشرفته

سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل قدیمی مانند آلیاژ 6-25-16 دارای 16% کروم، 25% نیکل و 6% مولیبدن بودند. اولین سوپر آلیاژهای نیکل شامل Nimonic و Inconel از نوع استحکام یافته با محلول جامد بودند. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل بعدی مقادیر کمی Al (3-2 درصد) و Ti افزوده شده تا در اثر رسوب فاز  استحکام در دمای بالا افزایش یابد. بعداً مقدار Al در این سوپر آلیاژها تا 6 درصد افزایش یافت و به دلیل بیشتر شدن نسبت حجمی فاز  در زمینه  سختی دمای بالای آلیاژ افزایش یافت. سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریخته بیشترین مقایر عناصر سخت کننده را دارند، و تعدادی از قطعات به روش‌های CGDS و SCDS از آنها ساخته شده‌اند.

تعدادی از سوپرآلیاژهای دارای عناصر سخت کننده بیشتر ( بیش از 40 درصد) به روش متالورژی پودر و کار شده تولید می‌شوند. سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل با  تقریباً 20%، به حداکثر استحکام خود می‌رسند، و از این نظر نمی‌توانند با سوپرآلیاژهای پایه نیکل کار شده در محدوده دمایی متوسط رقات کنند. حتی آلیاژهایی با تقریباً  40% (مانند آلیاژ Astroloy) کارایی دراز مدتی در حد بالایی محدوده دمایی متوسط ندارند. امروزه از آلیاژهای متالورژی پودر (P/M) با  بالا (تقریباً 50%) برای کار در حد بالایی محدوده دمایی متوسط استفاده می‌شود، و آلیاژهای کار شده از طراحی‌ها حذف شده‌اند.

سوپرآلیاژهای پایه کبالت ریخته چند بلوری، دمای ذوب بالاتری نسبت به سوپرآلیاژهای پایه نیکل دارند، و به همین خاطر استحکام آنها در دماهای بالاتر از oC1093 بیشتر است. اما واقعیت این است که سوپرآلیاژهای پایه نیکل (SCDS) توانایی کار در دماهای بالاتر از oC1093 را دارند، و در بعضی موارد جایگزین آلیاژهای پایه کبالت شده‌اند. آلیاژهای پایه کبالت ریخته با شبکه بلوری مکعبی با سطح مرکزدار (آستنیتی FCC)، زمینه محلول جامد و دارای کاربیدهای پیچیده، دارای سابقه موفقی در استفاده در پره‌های هواشکن توربین گاز (اکثراً به صورت پره‌های هواشکن و گاهی به صورت تیغه‌های توربین) هستند. آلیاژهای پایه کبالت کار شده کاربردهایی در محفظه‌های احتراق توربین گاز پیدا کرده‌اند.

3- خواص مکانیکی و کاربرد سوپرآلیاژها

استحکام تابعی از زمان است و مدت زمان قرارگیری قطعه در سرویس و دمای آن از عوامل موثر بر انتخاب یک سوپرآلیاژ ویژه هستند. نرخ افت بعضی از آلیاژها در مقایسه با آلیاژهای دیگر کمتر است. به عنوان مثال اگر چه خواص مکانیکی و کاربرد سوپرآلیاژهای پایه نیکل استحکام یافته با فاز اکسید توزیع شده (ODS) [6] دارای استحکامی پایین‌تر از سوپر آلیاژهای پایه نیکل رسوب سخت شده هستند، ولی نرخ کاهش استحکام گسیختگی خزش کمتری نسبت به انواع مشابه رسوب سخت شده دارند. در نتیجه وقتی نرخ کاهش استحکام بهتر در اولویت اول، قرار داشته و استحکام اولیه نیز قابل قبول باشد، یک آلیاژ ODS به مدت طولانی‌تری می‌تواند کار کند.

با رسم اطلاعات داده شده در جدولهای 2-2 و 2-3 می‌توان تصویری از رفتار کششی آلیاژهای مختلف و رفتار گسیختگی تعدادی از آلیاژها مانند شکل‌های 2-2 و 2-3 بدست آورد. این شکل‌ها تغییرات استحکام خزش نسبت به دما را در بعضی از آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت نشان می‌دهند. در شکل 2-1 این تغییرات برای هر سه گروه از سوپرآلیاژها به صورت جداگانه نشان داده شده است. در شکل 2-4 رفتار استحکام گسیختگی خزش یک آلیاژ ODS با سه گروه مختلف سوپر آلیاژها مقایسه شده است.

یادآوری می‌شود که اطلاعات مربوط به استحکام کششی و گسیختگی طیف وسیعی از سوپرآلیاژها موجود می‌باشد، اما اطلاعات گسترده‌ای در مورد استحکام گسیختگی خزش سوپرآلیاژها موجود نیست. تعدادی از طراحی‌ها بر مبنای رفتار خزش ماده، بعضی بر اساس سرعت خزش، و تعدادی دیگر بر پایه درصد خزش ثابت صورت می‌گیرد. آلیاژی که عمر گسیختگی طولانی‌تری دارد، برای تولید قطعاتی که دمای کاری آنها در داخل محدوده خزش قرار دارد، ترجیح داده می‌شود. یک آلیاژ انجماد جهت‌دار یافته دانه ستونی، در شرایط خزش با کرنش پایین دارای استحکام کمتری نسبت به آلیاژ چندبلوری است.

سوپرآلیاژها انعطاف‌پذیر هستند، ولی عموماص انعطاف‌پذیری سوپرآلیاژهای پایه کبالت نسبت به سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل و پایه نیکل کمتر است. سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل در شرایط اکسترود شده، آهنگری شده و یا نورد شده وجود دارند اما آلیاژهای پر استحکام‌تر فقط در شرایط ریخته یافت می‌شوند.

تغییر شکل گرم در فرآیند شکل دادن ارجح می‌باشد و شکل دادن سرد به تولید مقاطع نازک (ورق) محدود است. از نورد سرد می‌توان برای افزایش خواص استحکام کوتاه مدت در دماهایی پایین‌تر از oC540 می‌توان استفاده کرد.

سوپرآلیاژها دارای ضریب کشسانی در حدود GPa 207 هستند. ولی ضریب کشسانی آلیاژهای ویژه بسته به نوع آلیاژ در دمای اتاق از GPa 172 تا GPa241 تغییر می‌کند. تغییر ساختار آلیاژ از چند بلوری به دانه‌های ستونی بسته به جهت دانه‌ها و جهت آزمایش ضریب کشسانی را در محدوده GPa 124 تا GPa310 قرار می‌دهد. حداقل ضریب کشسانی در آلیاژهای انجماد جهت‌دار یافته دیده می‌شود.

4- خواص فیزیکی و چگالی

سوپرآلیاژها نسبت به سیستم‌های فلزی دیگر دارای خواص فیزیکی، هدایت الکتریکی، گرمای ویژه، هدایت حرارتی و انبساط حرارتی پایین‌تری هستند. این خواص به فلز پایه و درصد فلزات دیرگداز اضافه شده بستگی دارد. چگالی سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل در محدوده gr/cm3 3/8-9/7، سوپرآلیاژهای پایه کبالت در محدوده gr/cm3 4/9-3/8 و سوپرآلیاژها پایه نیکل در محدوده gr/cm39/8-8/7 قرار دارند. در توربین‌های گاز با توجه به اینکه افزایش چگالی باعث افزایش تنش روی اجزا و قطعات می شود، در نظر رفتن چگالی اهمیت دارد. با افزایش چگالی قابلیت‌های آلیاژ کاهش می‌یابد. در سوپرآلیاژهای نیکل ریخته سعی می‌شود چگالی در حد بالایی محدوده چگالی قرار گیرد.

2-4- انتخاب سوپرآلیاژها

1- کاربردهای آلیاژهای کار شده در دمای متوسط

محدوده دمایی متوسط از oC540 تا oC760 می‌باشد. اگر آلیاژی برای کار سنگین مانند، دیسک‌های توربین در نظر گرفته شده است باید دارای استحکام‌های تسلیم و کششی مناسب، انعطاف‌پذیری خوب و رفتار خستگی کم دامنه عالی، با یک سرعت رشد ترک قابل قبول، و شکل‌پذیری و قابلیت جوشکاری خوب (در محصولات ورق) باشد. قطعات سنگین مانند دیسک‌ها باید قابلیت آهنگری خوبی داشته باشند. با متالورژی پودر می‌توان قطعات آهنگری شده‌ای را که نمی‌توان به روش‌های دیگر تولید کرد، به دست آورد. قابلیت بازرسی قطعه نهایی اهمیت زیادی دارد. هزینه متغیر بسیار مهمی است، اما با تولید قطعه مناسب قابل جبران است. علاوه بر این، با استفاده از متالورژی پودر می‌توان هزینه‌ها را کاهش داد.

برای انتخاب سوپرآلیاژها برای کار در محدوده دمایی متوسط آلیاژهایی مانند Waspaloy و آلیاژهای مشابه وجود دارند، که می‌توان آنها را به روش‌های معمول آهنگری تولید نموده و استفاده کرد.

2- کاربردهای آلیاژهای ریخته در دمای بالا

محدوده دماهای بالا را می‌توان از دمای oC816 تا دمای ذوب فلز در نظر گرفت. پره‌های هوای توربین در این دماها کار می‌کنند. آلیاژی که در پره‌های هوای توربین استفاده می‌شود باید دارای استحکام گسیختگی خزش و استحکام خزش بالایی باشد. برای به حداکثر رساندن استحکام گسیختگی خزش از آلیاژهای نوع SCDS در نواحی پر فشار توربین استفاده می‌شود. علاوه بر افزایش استحکام گسیختگی خزش به دلیل جهت‌گیری ویژه محور طولی دانه، به موازات محور پره هوا، ضریب کشسانی کاهش یافته و استحکام خستگی حرارتی مکانیکی (TMF)[7] بهینه‌ای به دست می‌آید. آلیاژی که برای بدترین شرایط کاری پره هوای توربین در نظر گرفته می‌شود باید در دمای کاری مربوطه (تقریباً oC760) دارای دمای ذوب بالا، مقاومت اکسیداسیون خوب، استحکام خستگی حرارتی مکانیکی و گسیختگی خزشی بالا، قابلیت پوشش‌دهی عالی و استحکام خستگی کم دامنه خوب باشد.

با فرآیند تک بلور انجماد جهت‌دار یافته، از بهینه بودن خواص مکانیکی در مقاطع نازک اطمینان حاصل می‌شود. در یک بارگذاری ثابت، با کاهش ضخامت مقطع، گسیختگی سوپر آلیاژ نسبت به آزمایش انجام شده بر روی یک نمونه با ضخامت استاندارد در زمان کمتری اتفاق می‌افتد. شدت کاهش خواص مکانیکی در اثر ضخامت به ساختار میکروسکپی قطعه بستگی دارد و می‌توان این چنین درجه بندی کرد: Pc= حداکثر، CGDS= کمتر و SCDS= حداقل.

در پره‌های هوای توربین، در جائی که بار گریز از مرکز وجود نداشته باشد می‌توان از آلیاژهای پایه کبالت، دارای ساختار چند بلوری هم محور به جای آلیاژهای پایه نیکل با ساختار انجماد جهت‌دار یافته استفاده کرد، در پره‌های هوای ناحیه اول دمای ذوب موضعی بالاتر مناسب است. در بعضی از کاربردها از آلیاژ ODS در ساخت پره‌های هوا استفاده شده است. آلیاژ MA-754 با اکسید ایتریا توزیع شده در زمینه مقاوم به خوردگی نیکل- کروم، استحکام گسیختگی خزش افزایش یافته‌ای دارد. آلیاژهای استحکام یافته، با فاز اکسید توزیع شده کاربرد عمومی ندارند. آلیاژ MA-6000 مثال دیگری است که می‌تواند دارای استحکام کافی برای به کارگیری در تیغه‌های پرفشار توربین‌های گاز هواپیما باشد. مشکل دیگر پره‌های هوای از نوع چند بلوری هم محور این است که به خاطر ضریب کشسانی بالاتر این ساختار، تنش‌های حرارتی- مکانیکی وارد شده به آن بیش از مقادیر مربوط به ساختارهای SCDS و CGDS است. ضریب کشسانی قطعات SCDS و CGDS آلیاژهای پایه نیکل ریخته. تقریباً 60 درصد ضریب کشسانی قطعات pc می‌باشد. در اکثر شرایط مشکلات خستگی حرارتی مکانیکی[8] باید با استفاده از آلیاژی با ساختار انجماد جهت‌دار یافته به حداقل رسانده شود. آلیاژهای پره هوای کم فشار توربین از آلیاژهائی مانند (Rene 41)IN-100 یا آلیاژهای IN-792 و Rene 80 چند بلوری هم محور که قبلاً برای پره‌های هوای پرفشار استفاده شده‌اند، انتخاب می‌گردند. اگر دما یا شرایط تنش به مقدار کافی مناسب باشند، آلیاژهای IN-713 یا U-700 پیشنهاد می‌شوند.

3- یک مثال از دیسک‌های توربین گاز

در شکل 2-5، تصویر کلی از یک توربین گاز داده شده است. ناحیه دما بالای توربین، در نزدیکی محل خروج گاز توربین قرار دارد. قطعات مختلفی که از سوپر آلیاژها ساخته می‌شوند، عبارتند از:

قطعات سیستم انتقال قدرت مانند:

- محورها (که بوسیله دیسک‌ها می‌چرخند.)

 - دیسک‌ها یا چرخ‌ها (چسبیده به محورها)

- تیغه‌ها (چسبیده به دیسک‌ها)

- پره‌های هوا (چسبیده به بدنه موتور)

قطعات سیستم احتراق سوخت مانند:

- محفظه احتراق (چسبیده به بدنه موتور)

یک دیسک در قسمت داغ توربین (به ترتیب در ناحیه LPT[9] و HPT[10]) گاز را در نظر بگیرید. این دیسک به یک محور متصل است و باعث چرخش محور می‌شود. دیسک ناحیه پر فشار تیغه‌هایی بر روی خود دارد که فشار گاز اعمال شده روی تیغه‌ها، دیسک و در نتیجه محور را می‌چرخاند و توان ایجاد شده به یک کمپرسور فشار بالا منتقل می‌شود. الزامات گوناگونی که در انتخاب ماده دیسک پر فشار موتور توربین گاز وجود دارند، عبارتند از:

- ترک برداشتن

- خزش

- خستگی کم دامنه

- سرعت رشد ترک

معیارهای طراحی ثانویه:

- قابلیت ساخت

- قیمت

- خستگی پر دامنه

- خوردگی ناشی از تنش

- چقرمگی شکست

بخاطر شرایط بحرانی کار دیسک‌ها، آلیاژ به کار رفته در آن باید انعطاف‌پذیری عالی و خواص یکنواخت داشته باشد (شکسته شدن یک دیسک اتفاق بسیار مهمی است زیرا باعث از کار افتادن هواپیما می‌شود). همانگونه که قبلاً گفته شده، آلیاژهای کار شده نسبت به آلیاژهای ریخته انعطاف‌پذیری بهتر و خواص استحکام کششی بالاتری دارند.

برای مقابله و مقاومت در برابر نیروی گریز از مرکز بالای ناشی از حرکت دورانی سریع جرم سنگین دیسک و تیغه‌های چسبیده به آن، باید استحکام تسلیم و کششی بالایی وجود داشته باشد. سیکل‌های مکانیکی و حرارتی نیز شرایط خستگی را در دیسک‌ها بوجود می‌آورند. این خستگی از نوع کم دامنه است و در تنش‌های بالا و سیکل‌های پایین به وجود می‌آید. ماده استفاده شده در دیسک‌ها ممکن است، در محدوده دمایی oC760-540 کار کند. در شرایط گفته شده آلیاژهای آهن و تیتانیوم را نمی‌توان به کار برد. آلیاژهای پایه آهن- نیکل کار شده و آلیاژهای پایه نیکل متالورژی پودر توانایی کار در این شرایط را دارند. آلیاژهای ریخته به خاطر انعطاف‌پذیری کم، استحکام پایین، غیریکنواختی خواص و امکان وجود عیوب در آنها، انتخاب درستی برای دیسک‌ها نیستند. با کنترل استحکام‌های تسلیم و کشش تعدادی از آلیاژهای موجود، تعدادی از آنها برای به کارگیری در دیسک‌ها پیشنهاد شده و تعدادی نیز مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اما استحکام‌های مکانیکی و خستگی کم دامنه به تنهایی تعیین کننده نوع آلیاژ نیستند. خزش در دیسک با رسیدن دمای کاری آن تقریباً به oC760 شروع می‌شود. سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل در دمای نزدیک به oC649 مقاومت به خزش خوبی دارند و برای دیسک‌های دما پایین‌تر مناسب هستند. اما سوپرآلیاژهای پایه نیکل برای دیسک‌های دما بالا مناسب‌تر هستند، زیرا مقاومت خزشی بالایی در این دماها دارند. از طرف دیگر سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل در مقایسه با سوپرآلیاژهای پایه نیکل بهتر آهنگری می‌شوند. در این قسمت بخشی در مورد سوپرآلیاژهای پایه کبالت آورده نشده است، زیرا استحکام پایین‌تر آنها به نیازمندی‌های استحکام در دیسک توربین گازی نزدیک نیست. یک عامل دیگر در انتخاب آلیاژ دیسک توربین گاز قیمت و امکان دسترسی به مواد است. به عنوان مثال می‌توان به استفاده گسترده آلیاژ IN-718، به عنوان یک ماده استاندارد دیسک‌های توربین دما متوسط در موتورهای توربین گاز هواپیما اشاره کرد. تا قبل از سال 1975 آلیاژ IN-718، با وجود اینکه خواص خیلی بهتری نسبت به آلیاژهای رقیب نداشت، اما به طور گسترده‌ای استفاده می‌شد. تنها دلیل این مقبولیت، پایین‌تر بودن مقدار نیکل و نداشتن کبالت بود. همچنین تولید آن ارزانتر و دسترسی به آن نسبت به آلیاژهای رقیب دیگر آسانتر بود. هنگامی که در اواخر دهه 70 میلادی کبالت نایاب شد، طراحان به سمت استفاده از آلیاژ IN-718 رفتند. در نتیجه نیاز به IN-718 افزایش یافت و تولید کنندگان بیشتری آلیاژ فوق را تولید کردند، و به تدریج آلیاژ IN-718 به اولین سوپرآلیاژ پایه آهن- نیکل کار شده تبدیل شد. قیمت و در دسترس بودن در کنار خواص مکانیکی، عالی در دماهای نزدیک به oC650 آلیاژ IN-718 را به یک آلیاژ استاندارد دیسک‌های توربین گاز تبدیل کرد.

برای کوتاه کردن فرآیند انتخاب ماده، طراح باید آلیاژی را که بیشترین اعتماد را به همگن بودن و انعطاف‌پذیری آن دارد، انتخاب کند. آلیاژهای کار شده این شرایط را دارند. قابلیت آهنگری، استحکام تسلیم، کششی و مقاومت خستگی کم دامنه رضایت بخش، مقاومت خزشی مناسب در حداکثر دمای طراحی و دمای کاری، در دسترس بودن و نداشتن عناصر استراتژیک، آلیاژ IN-718 را به یک آلیاژ انتخاب شده برای دیسک‌های توربین گاز تبدیل کرد.