سوپرآلیاژ ( بررسی ساختار مکانیکی و تمام ویژگی ها )

درباره سوپر آلیاژها بیشتر بدانید

سوپرآلیاژ تصویر ذهنی متفاوتی را برای افراد تداعی می کند، تصویر سوپرمن که در هوای بارانی روی سنگ ایستاده است و باید شهر را به تنهایی نجات دهد، سوپرآلیاژ نیز چنین نقشی را ایفا می کند، سوپرآلیاژ ها نقش نجات دهنده از خوردگی و دمای بالا را دارند. البته چنین تعریفی جایگاه علمی ندارد و تعریف کلی از سوپرآلیاژ نیست; اما این ممکن است نشان دهنده ویژگی و تنوع این ماده کاربردی باشد. سوپر آلیاژ، آلیاژ پیچیده ای است که از نظر شیمیایی از ترکیب چند فلز خاص به دست می آید.

تاریخچه تولید سوپرآلیاژ به جنگ جهانی دوم برمی گردد. از آنجایی که کارشناسان به دنبال راهی برای افزایش قدرت پروانه های جت بودند، با پیشرفت شهرنشینی و کوچ مردم به شهرها، نیاز به برق بیش از پیش احساس شد. بنابراین، ساخت توربین های بزرگتر برای تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریسیته ضروری بود.

برای ساخت چنین توربین به فلز قوی تری نسبت به فولادهای معمولی نیاز بود، بنابراین دانشمندان و طراحان توانستند با ترکیب عناصر مختلف، فلز گرانبهایی به نام سوپرآلیاژ بسازند. ابر آلیاژها در برابر نیروهای وارد بر اجسام مقاومت بیشتری داشتند و قادر بودند ترکیب خود را حفظ کنند.

امروزه سوپر آلیاژها نقش بسیار مهمی در صنعت دارند، گستره و تنوع این گروه از فلزات بسیار زیاد است و کارشناسان هر روز سوپرآلیاژهای جدیدی را کشف می کنند. از ساخت مخازن شاتل فضایی گرفته تا ساخت پروتزهای پزشکی، امروزه آلیاژها نقش اصلی را ایفا می کنند.

سوپرآلیاژ هایی که از ترکیب چند فلز تشکیل می شوند از نظر شیمیایی بر اساس فلز اصلی به سه گروه تقسیم می شوند که شامل آهن، نیکل و کبالت می شود.ت مام سوپرآلیاژها دارای ساختار شیمیایی کریستالی CCF هستند که استحکام سوپرآلیاژها را افزایش می دهد.

سوپر آلیاژ چیست؟

سوپرآلیاژها یا آلیاژهای با دمای بالا آلیاژ هایی هستند که می توانند در کسری بالاتر از نقطه ذوب خود که یک سوم نقطه ذوب است عمل کنند. این بدان معنی است که اگر دمای ذوب یک فلز ۵۰۰ درجه سانتیگراد باشد، سوپرآلیاژ همان فلز می تواند خواص فیزیکی خود را تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد حفظ کند.

گروه هشتم جدول تناوبی شامل عنصری مانند آهن است که به عنوان عنصر میانی شناخته و به راحتی با فلزات دیگر ترکیب می شود. این عناصر معمولا برای کار در دمای بالا و محیط های اکسید کننده استفاده می شوند.

آهن یکی از فلزات این گروه است که عنصر اصلی در تولید فولاد است، آهن و کربن با یکدیگر ترکیب شده و فولاد به دست می آید. فولاد آلیاژی از آهن است که استحکام کمتری نسبت به فولادهای سوپرآلیاژی دارد. استفاده از تیرآهن، فولاد و چدن در صنایع بعدی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد و به همین دلیل نرخ فروش این فلزات با قیمت تیرآهن در کشور برابر است. اما سوپرآلیاژها بازار جهانی دارند که قیمت آن صرفا بر اساس قیمت های جهانی تعیین می شود.

انواع سوپر آلیاژ

سوپرآلیاژ ها در طبیعت وجود خارجی ندارند و بیشتر آنها اختراع شده اند. این سوپرآلیاژها که از به هم پیوستن چند فلز به یکدیگر تشکیل می شوند بر اساس عنصر شیمیایی غالب به وجود می آیند. از نظر شیمیایی، سه گروه از سوپرآلیاژها را می توان طبقه بندی کرد:

سوپرآلیاژ نیکل
سوپرآلیاژ کبالت
سوپرآلیاژ آهن

ساختار اتمی این سوپر آلیاژها دارای ساختار کریستالی به نام شبکه مکعبی است که به آن ساختار مکعب گریز از مرکز و به اختصار FCC می گویند. در این ساختار بلوری، هر اتم یک مکعب با یک اتم در مرکز و سطوح در نظر گرفته می شود. چنین ساختار بلوری باعث می ‌شود تا فلزات دیرتر از هم گسیخته شده و مقاومت بالاتری در تنش ‌های محیطی از خود نشان دهند.

انواع سوپرآلیاژ

سوپر آلیاژها ، مانند هر فلز دیگر، به گروه های مختلف تقسیم می‌شود.

گروه بندی شیمی

در این گروه بندی، نوع ترکیب متقابل عناصر در نظر گرفته شده است، و بر اساس آن، سوپر آلیاژ به سه گروه مختلف تقسیم شده است.

سوپرآلیاژ پایه نیکل: نیکل عنصر اساسی است و بسیاری از ترکیب‌ های آلیاژی از این فلز ساخته شده است.
سوپرآلیاژ پایه کبالت: بر اساس کبالت آلیاژ شکل می ‌گیرد ، پایین ترین نوع سوپر آلیاژ متعلق به گروه کبالت است.
سوپرآلیاژ پایه آهن: آهن عنصر اصلی است و با ترکیب نیکل و کروم، و گاهی اوقات کبالت با سوپرآلیاژهای فولاد به دست می‌آید.

گروه بندی از نظر روش های تولید

هر یک از سوپرآلیاژ ها به شکل متفاوت تولید می شود، که به چهار گروه بسته به روش تولید تقسیم می شوند:
کارپذیر
متالورژی پودر
پلی کریستال ریختگی
تک کریستالی انجماد جهت‌ دار

خواص و ویژگی سوپر آلیاژها

از جمله فلزاتی که در دنیا بسیار مورد استفاده قرار می گیرد، آهن است. امروزه ، استفاده از آهن بر کسی پوشیده نیست، می توان گفت در بسیاری از موارد آهن نقش آفرینی می کند، بنابراین می ‌توان موارد زیادی را نام برد که آهن در ساخت آن نقش دارد، از این رو دستیابی به استحکام قوی ‌تر آهن همیشه مدنظر بوده است.

فولاد و چدن آلیاژهای رایج صنایع فلزی هستند که در صنایعی مانند ساختمان سازی و راه سازی مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به سرعت توسعه علم جهان، زمانی که ایده های جدید شکل می گیرد، باید از فلز قوی برای تحقق ایده ها استفاده کرد.

سوپرآلیاژ آهن یکی از این عناصر است که از ترکیب فلزاتی مانند کروم، نیکل و کبالت به دست می آید. سوپر آلیاژهای آهن شاخه ای از فولادهای زنگ نزن آستنیتی با ساختار کریستالی FCC هستند.
فولاد زنگ نزن آستنیتی اساساً از ترکیب سه گانه Fe-Cr-Ni تشکیل شده است که از ۱۶-۲۰٪ نیکل و ۷-۲۰٪ کروم تشکیل شده است. آهن موجود در این ترکیب را آهن فاز گاما یا آستنیت می نامند. در فشار اتمسفر، آهن دارای سه آلوتروپ است:

آهن آلفا: این آهن در دمای کمتر از ۹۱۲ درجه سانتی گراد به دست می آید و به آن آهن فریتی می گویند.
آهن گاما: آهن آستنیتی زمانی تشکیل می شود که آهن تا ۱۳۹۴ درجه سانتیگراد خنک شود.
آهن دلتا: سرد شدن آهن مذاب در دمای اتاق باعث تولید آهن دلتا می شود.

سوپر آلیاژهای آهنی ترکیبی از آهن گاما با فلزات دیگر هستند. آلیاژهای آهن مقاوم در برابر دماهای بالا، خمش، اکسیداسیون و خوردگی از جمله پرکاربرد ترین سوپرآلیاژها در صنعت هستند.
سوپرآلیاژ های پایه آهن را می توان به گروه اینکولوی اشاره کرد؛ لازم به ذکر است که این گونه سوپرآلیاژها اغلب با گروه اینکولوی اشتباه گرفته می شوند. اینکولوی یک سوپرآلیاژ آهن است که از آلیاژ نیکل- آهن- کروم تشکیل شده است که مقاومت بیشتری در برابر تنش حرارتی دارد. سوپرآلیاژهای اینکولوی دارای مقاومت عالی در برابر آب دریا هستند و می توانند در محیط های با کلرید بالا فعالیت کنند. میادین نفت و گاز یکی از محیط های کلریدی هستند.

خواص سوپرآلیاژ آهنی

این نوع سوپر آلیاژ در برابر دماهای بالا چندان مقاوم نیست.
مقاومت به خوردگی این فلزات بسیار بالاست و برای تولید فولاد ضد زنگ از سوپرآلیاژهای نیکل و آهن استفاده می شود.
روش تولید سوپرآلیاژ های آهنی نسبت به سایر سوپرآلیاژها هزینه کمتری دارد.

خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی سوپرآلیاژ ها

چرا باید خواص شیمیایی سوپرآلیاژها را بدانیم؟ دانشمندان امروزه به فکر ساخت موشک های فضاپیمایی هستند که می توانند انسان ها را به گردشگری فضایی ببرند. ساخت چنین وسیله ای مستلزم انتخاب اجزایی است که در هنگام ساخت فضاپیما در برابر فشار و دما بسیار مقاوم هستند، بنابراین مهندسان لازم است با خواص فیزیکی مکانیکی و شیمیایی سوپرآلیاژها آشنا باشند. با خواص فیزیکی، مکانیکی و خواص شیمیایی که امکان طبقه بندی مناسب سوپرآلیاژ ها را فراهم می کند، اما سوپرآلیاژها خواص یکسانی ندارند، به این معنی که هر آلیاژ خواص شیمیایی و مکانیکی منحصر به فرد خود را دارد، مانند سوپرآلیاژ A286 که یک سوپرآلیاژ آهن است با خواص زیر:

خواص فیزیکی سوپر آلیاژ A286

چگالی ۹۱٫۷ گرم بر سانتی متر مکعب است
نقطه ذوب ۱۳۹۱ درجه سانتیگراد
همین ویژگی ها در حال حاضر در آلیاژ نیکل هسته C276، یک آلیاژ مبتنی بر نیکل، بررسی می شود.
خواص فیزیکی سوپرآلیاژ C276 عبارتند از:
چگالی ۹۱/۸ گرم بر سانتی متر مکعب
نقطه ذوب ۱۳۲۵ درجه سانتیگراد

همانطور که قبلا ذکر شد، ریز ساختار سوپرآلیاژ ها کاملاً متفاوت است، نمی توان خواص یکسانی به آنها نسبت داد و داده های فوق در هر کشور متفاوت است، داده های فوق بر اساس استاندارد آمریکا بیان می شوند؛ اما این امکان نیز وجود دارد که در سایر خصوصیات فیزیکی و مکانیکی استاندارد خواص متفاوت است، بنابراین اگر می خواهید در مورد خواص سوپرآلیاژها بدانید، می توانید به ویژگی های پارامتری مشترک اشاره کنید.

تمام سوپرآلیاژها دارای ساختار شیمیایی کریستالی CCF هستند که استحکام سوپرآلیاژ را افزایش می دهد. یکی از عوامل مهم استحکام سوپرآلیاژ، مقاومت خزشی است. هنگامی که یک سوپر آلیاژ در معرض دماهای بالا قرار می گیرد، اگر این ازدیاد طول بیش از حد باشد، فلز کشیده می شود و گسیختگی بوجود می ‌آید بنابراین، اگر ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژ به درستی تشکیل شود، استحکام خزشی افزایش می یابد. ترکیب شیمیایی صحیح سوپرآلیاژها در مرحله تولید برای تولید سوپرآلیاژهایی با قدرت خزشی بالا ظاهر می شود.

فولادهای سوپرآلیاژی و انواع آن

فولاد از ترکیب آهن و کربن ساخته می شود، اما همه فولادها دارای خواص قابل قبولی برای استفاده در بخش های مختلف صنعت و ساختمان نیستند و باید قوی تر و کمتر خورنده باشند، به خصوص آنهایی که در بخش دریایی استفاده می شوند.
بنابراین متالوژیست ها برای ترمیم عیوب فولاد نرم از عناصر دیگری برای به دست آوردن فلزاتی مانند فولاد استفاده می کنند. سوپر آلیاژهای فولادی ساخته شده از ترکیب نیکل و کروم و همچنین برخی محصولات بر پایه تیتانیوم بخشی از سوپرآلیاژ های فولادی هستند. این سوپرآلیاژ ها به روش های مختلفی تولید می شوند و خواص متفاوتی دارند.

یکی از این سوپرآلیاژ ها با ذوب خلاء فولاد سوپرآلیاژی مارایجینگ ۳۵۰ با استفاده از ذوب القایی VAR و VIM بدست می‌ آید . اینکونل ۶۰۰ یکی دیگر از فولادهای سوپرآلیاژی است که از نورد سرد تولید می شود. روش ‌های مختلف و ترکیبات شیمیایی مختلف باعث ایجاد سوپرآلیاژ های متفاوت می ‌شود.

انواع سوپر آلیاژها بر اساس ترکیبات شیمیایی

فولاد سوپرآلیاژی اینکونل (Inconel): زمانی که فولاد ضد زنگ به خوبی کار نمی کند از اینکونل استفاده کنید. ترکیب شیمیایی این سوپرآلیاژ نیکل، کروم، مولیبدن و نیوبیم است. نیکل موجود در این سوپرآلیاژ از خانواده نیکل آستنیتی بوده و برای استفاده در دماهای بالا مناسب است. گروه های اینکونل در برابر اکسیداسیون و خوردگی بسیار مقاوم هستند. نیوبیم موجود در ترکیب اینکونل آن را قوی تر می کند. فلز نیوبیم در روش تولید پیرسختی در محلول آلیاژ رسوب می‌کند و سوپرآلیاژ را قوی می‌ کند.

فولاد سوپرآلیاژی ماراجینگ (Maraging): سوپرآلیاژ این فولاد ترکیبی از نیکل و آهن است که در ترکیب شیمیایی آن از فلزاتی مانند کبالت، مس، آلومینیوم و تیتانیوم استفاده شده است. این آلیاژ که از فولاد نرم ساخته شده است، به دلیل محتوای کربن پایین بسیار انعطاف پذیر است. فولاد مارایجینگ از ذوب، ریخته گری، پیرسازی و نورد گرم به دست می آید.

فولاد سوپر آلیاژی هاستلوی (Hastelloy): یکی دیگر از سوپرآلیاژ های فولادی هستلوی است. این آلیاژ نیز بر پایه نیکل است و در ترکیب شیمیایی آن از موادی مانند نیکل، کروم و آهن استفاده شده است. اساساً سوپرآلیاژ های پایه نیکل دارای خواص مختلفی مانند مقاومت در برابر دمای بالا و خوردگی به دلیل وجود نیکل هستند. این سوپرآلیاژ به روش پیرسختی تولید می شود.

فولاد سوپرآلیاژی داپلکس (Duplex) : این سوپرآلیاژ که با نام فولاد ۲۲۰۵ شناخته می شود که عنصر کروم بیشتری نسبت به نیکل دارد و عموماً بر پایه آهن است. به دلیل محتوای کروم بالا، فولادهای ضد زنگ داپلکس برای تولید قطعات برای استفاده در آب مناسب تر هستند. این فولاد در برابر خوردگی توسط اسیدهای فرمیک و استیک بسیار مقاوم است.

فولاد سوپر آلیاژی نیمونیک (Nimonic): سوپرآلیاژی است که توسط شرکت Specialty Metals تولید می شود. ترکیب شیمیایی این سوپرآلیاژ ۵۰ درصد نیکل و ۲۰ درصد کروم است و از فلزات دیگری مانند تیتانیوم در ترکیب آلیاژ استفاده شده است. از این سوپرآلیاژ در ساخت قطعات هواپیما، ابزار کار و دریچه های خروجی موتور جت استفاده می شود.

کاربرد سوپر آلیاژ

سوپرآلیاژ هستلوی X یک سوپرآلیاژ پایه نیکل با ریزساختار آستنیتی است که ذرات ریز در آن توزیع شده است. این سوپرآلیاژ در شرایط زیر استفاده می شود.

کوره صنعتی
لاینر احتراق
تجهیزات پتروشیمی
اگزوز توربین

ابرآلیاژ اینکونل ۶۰۰ یکی دیگر از سوپر آلیاژهای مبتنی بر نیکل برای افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون است. این سوپرآلیاژ در صنایع هوافضا، قطعات موتور و بدنه هواپیما استفاده می شود.
هدف این نوشتار نشان دادن این است که شما نمی توانید برای سوپر آلیاژها یک کاربرد بنویسید و نمی توانید به حالت کلی به آن ها نگاه کنید. به عنوان مثال اینکنول ۶۰۰ فقط یک قسمت از موتور هواپیما از آلیاژ اینکنول استفاده پمی‌شود اگر همان قطعه با فلز دیگری جایگزین شود احتمالا غیر قابل تحمل خواهد بود.

وضعیت کنونی تولید سوپرآلیاژ در ایران

تولید فولاد جهان حدود ۱ میلیون تن در سال و تولید سوپرآلیاژ ها ۲۸ میلیون تن است؛ اگرچه سرمایه گذاری در صنعت فولاد جهانی به ۱ میلیارد دلار می رسد، درآمد جهانی سوپرآلیاژ به ۴ میلیارد دلار می رسد. این اعداد اهمیت درآمد سوپرآلیاژ را به ما نشان می دهد.

ایران سهم کمی از بازار جهانی سوپرآلیاژ دارد و تولید سوپر آلیاژ ایران فقط برای عرضه داخلی است. در عین حال، کشور خوشبین است که تقاضا برای سوپرآلیاژها تا سال ۲۰۳۰ از ۲٫۵ کیلوتن فراتر رود و امروز تقاضای ایران بسیار کمتر از حد معمول است، بنابراین باید به دنبال توسعه این زیرساخت حیاتی باشیم. برنامه ششم توسعه با نگاهی صرفا صادراتی نوشته شد و صادرات محصولات معدنی فرآوری شده یکی از اولویت های آن بود. با توجه به اینکه امکان تولید سوپرآلیاژ در واحدهای صنعتی کوچک نیز وجود دارد و با توجه به حضور شرکت های دانش بنیان در کشور، پیش بینی می شود کشور در سال های آینده بیش از حد معمول سوپرآلیاژ تولید کند.

برای دستیابی به تولید ایده آل، کشور نیاز به میزبانی چندین رویداد دارد

بومی سازی صنعت متالورژی خلاء برای بهبود فناوری تولید مواد خام
تکمیل چرخه تولید سوپرآلیاژهای داخلی از مواد اولیه تا محصولات

راه اندازی خط تولید سوپرآلیاژ در چین نیازمند سرمایه گذاری ۳۵ میلیون دلاری است که با توجه به درآمد هنگفت این محصول بسیار مقرون به صرفه است و طبق برآورد کارشناسان سودآوری این سرمایه گذاری بیش از ۵۰ درصد است.

امروزه دو شرکت فولاد اسفراین و یک شرکت وابسته به وزارت دفاع تولید سوپرآلیاژهای فولادی را بر عهده گرفته اند و با توجه به تنوع و استفاده از این سوپر آلیاژها می توان انتظار داشت که چشم انداز روشنی برای صنعت داشته باشیم.

سوپرآلیاژها کاربردهای صنعتی گسترده ای دارند و می توانند بسیاری از مشکلات ساخت را حل کنند. تولید تجهیزاتی که بشر به دلیل کمبود مواد اولیه نتوانسته است به آن دست یابد با سوپر آلیاژها قابل تحقق است. امروزه ده کشور صنعتی تولیدکنندگان عمده سوپرآلیاژها در جهان هستند و بازار هایی برای این محصول دارند. یکی از مشکلاتی که ایران امروز در زمینه ساخت جت های جنگنده دارد، عدم دسترسی به سوپرآلیاژ ها است. امروز کشور ما برای خرید فولادهای آلیاژی با دمای بالا مشکل دارد و به دلیل تحریم ها نمی تواند این فلزات را وارد کند، بنابراین مجبوریم این تجهیزات را وارد کنیم.

توییتر آهنات را دنبال کنید .