تبیان، دستیار زندگی

فهرست

    معرفی وكاربردها

سوپرآلیاژها در واقع آلیاژهایی مقاوم در برابر حرارت، خوردگی و اكسیداسیون میباشند كه به لحاظ تركیب شیمیایی شامل سه گروه پایه نیكل، نیكل-آهن و پایه كبالت میباشند. اولین استفاده از سوپرآلیاژها در ساخت توربینهای گازی، طرحهای تبدیل ذغال‌سنگ، صنایع شیمیایی و صنایعی كه نیاز به مقاومت حرارتی و خوردگی داشتهاند بوده است .

امروزه تناژ وسیعی از قطعات مصرفی در توربینهای گازی از جنس سوپرآلیاژها می باشند. در ذیل به بعضی از مصارف این قطعات اشاره شده است :

- توربینهای گازی هواپیما

- توربینهای بخار نیروگاه‌های تولید برق

- ساخت قالب‌های ریختهگری و ابزارهای گرمكار

- مصارف پزشكی و دندانپزشكی

- فضاپیماها

- تجهیزات عملیات حرارتی

- سیستمهای نوترونی و هستهای

- سیستمهای شیمیایی و پتروشیمی

- تجهیزات كنترل آلودگی

- تجهیزات و كورههای نورد فلزات

- مبدلهای حرارتی تبدیل ذغال سنگ

به منظور انتخاب سوپرآلیاژها جهت مصرف در كاربردهای فوق لازم است خواص فنی نظیر شكلپذیری، استحكام، مقاومت خزشی، استحكام خستگی و پایداری سطحی در نظر گرفته شوند.

تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب روش تولیدبا توجه به نحوة تولید میتوان سوپرآلیاژها را به چهار گروه كلی تقسیم‌بندی نمود كه عبارتنداز:

1) سوپرآلیاژهای كارپذیر
سوپرآلیاژهای كارپذیر در حقیقت گروهی از سوپر آلیاژها هستند كه قابلیت كار مكانیكی دارند و از روشهای مكانیكی میتوان به آنها شكلداد. به منظور تولید مقاطع معینی از سوپرآلیاژهای كارپذیر، اولین گام آن است كه شمشهای سوپرآلیاژها به دلیل حضور عناصر فعال(عناصری كه سریع در مجاورت هوا اكسید میشوند) در شرایط خاصی تهیه شوند. فرایندهای ذوب در خلاء در مورد تهیه سوپرآلیاژهای پایه نیكل و پایه آهن جزء ضروریات می­باشد. اما در مورد سوپرآلیاژهای پایه كبالت امكان ذوب در هوا وجود دارد. این فرایند به طور خلاصه شامل ذوب القائی تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الكتریكی در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرایندهای ترمومكانیكی و متالورژی پودر میباشند.
پس از تهیه شمش آلیاژهای كارپذیر به یكی از روش‌های فوق عملیات شكلدهی صورت میگیرد. عملیات شكل­دهی سوپرآلیاژها نیز میتواند توسط عملیات متداول كلیه آلیاژهای فلزی انجام پذیرد. سوپرآلیاژهای پایه آهن، كبالت و نیكل را میتوان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سیم و اشكال دیگر توسط فرایندهای نورد، اكستروژن و آهنگری تولید نمود. معمولاً عملیات شكلدهی در دمای بالا صورت میگیرد و تعداد كمی از سوپرآلیاژها را میتوان به صورت سرد شكل‌دهی نمود. ساختارهای یكنواخت و ریزدانهای كه از شكل‌دهی سرد حاصل میشود نسبت به ساختارهای شكلدادن گرم ارجحیت دارند.
عملیات ترمودینامیكی بر روی سوپرآلیاژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتیگراد انجام میشود كه به این ترتیب در حین شكل دادن عملیات حرارتی نیز صورت میگیرد.

2) سوپرآلیاژهای متالورژی پودر
بسیاری از انواع آلیاژهای كارپذیر از طریق فرایندهای متالورژی پودر تولید میگردند. امروزه قطعات متالورژی پودر از جنس سوپرآلیاژ با دانسیته كامل از طریق روش‌های اكستروژن یا پرسكاری ایزواستاتیك گرم (HIP) تولید میگردند. مهمترین این قطعات قیچیها و سوزنهای جراحی میباشند.
فرایندهای متالورژی پودر به‌دلیل داشتن مزایای زیر بر فرایندهای ریختهگری ترجیح داده میشوند هر چند كه معایبی را نیز به همراه خواهند داشت:

- یكنواختی در تركیب شیمیایی و ساختار كریستالی

- ریز بودن اندازه دانههای كریستالی

- كاهش جدایشها

- راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد

اما مشكلاتی نظیر حضور گاز باقیمانده، آلودگی كربنی و آخال‌های سرامیكی باعث میگردد كه در برخی موارد نیز فرایندهای شمش‌ریزی و ترمومكانیكی متداول صورت پذیرند.

3)  سوپرآلیاژهای پلی‌كریستال ریختگی
وجود محدودیت‌های تكنولوژیكی سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلیاژ می‌گردد و بنابراین با پیدایش فرایندهای جدید تولید، این صنعت نیز روز به روز توسعه مییابد.
تعداد زیادی از فرایندها را میتوان در تولید قطعات سوپرآلیاژ با اندازه نزدیك به قطعة نهایی مورد استفاده قرار داد اما اساساً این قطعات توسط فرایند ریختهگری دقیق تولید میگردند.
محدوده تركیب شیمیایی سوپرآلیاژهای ریختگی بسیار گستردهتر از سوپرآلیاژهای كارپذیر بوده و بنابراین خواص متنوعتری نیز از این طریق قابل حصول خواهند بود هر چند كه انعطاف‌پذیری و مقاومت به خستگی در فرآیندهای كار مكانیكی بهتر از ریختهگری خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآیندهای جدید ریختهگری و انجام عملیات حرارتی متعاقب، خواص سوپرآلیاژهای ریختگی نیز افزایش یافته است.

4) سوپرآلیاژهای تك كریستالی انجماد جهت دار
به‌منظور توسعه توربینهای گازی مصرفی در هواپیماها و افزایش دماهای كاری و كارآیی موتورها، به‌طور مداوم روشهای تولید سوپرآلیاژها در حال بهبود است.
قسمت‌های بحرانی توربینها معمولاً شامل پرههای تحت فشار بالا، هواكشها و دیسكها میباشند. در طول 15 سال گذشته تحقیقات بسیاری در زمینه افزایش راندمان توربینها صورت گرفته است و عمده این تحقیقات بر امكان افزایش دمای ورودی، فشاركاری و كاهش هزینههای تولید استوار بوده است. توسعه فرایند انجماد جهتدار به‌منظور تولید تك‌كریستالی‌های ریختگی سبب شده تا بتوان از این طریق پرههای توربین را با دانههای جهتدار در راستای اعمال تنش تولید نمود و به این ترتیب علاوه بر خواص پایدار حرارتی، استحكام خستگی، استحكام خزشی و انعطاف‌پذیری نیز افزایش یابند.
با توسعه این تكنولوژی، امروزه در توربینهای مصرفی در نیروگاه‌های برق نیز از قطعات تك‌كریستال از جنس سوپرآلیاژها استفاده به‌عمل میآید.
در سالهای اخیر شركت هواپیمایی PWA یكی از پیشگامان تولید سوپرآلیاژها می‌باشد و تولید آلیاژهای PWA 1480 به صورت تك‌كریستال توسط این شركت، سبب افزایش عمركاری هواپیمای جنگی F-100 گردیده است.
تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب تركیب شیمیایی
به طور كلی این آلیاژها شامل سه گروه پایه نیكل، پایه آهن و پایه كبالت میباشند كه بسته به درجه حرارت كاربردی مورد استفاده قرار میگیرند.

1) سوپرآلیاژهای پایه نیكل
امروزه آلیاژهای نیكل در حالت‌های "تك‌فازی"، "رسوب سختی شده" و "مستحكم‌شده توسط رسوبات اسیدی و كامپوزیتها" در مصارف صنعتی مختلف مورد استفاده قرار میگیرند.
سوپرآلیاژهای پایه نیكل پیچیدهترین تركیباتی میباشند كه در قطعات دمای بالا به كار میروند. در حال حاضر 50 درصد وزن موتورهای هواپیماهای پیشرفته از جنس این آلیاژها میباشد. خصوصیات اصلی آلیاژهای نیكل، پایداری حرارتی و قابلیت مستحكم شدن میباشد.
بسیاری از این آلیاژها حاوی 10 الی 20 درصد كرم، حداكثر 8 درصد آلومینیوم و تیتانیم، 5 تا 15 درصد كبالت و مقادیر كمی مولیبدن، نیوبیم و تنگستن میباشند.
دو گروه اصلی از آلیاژهای آهن- نیكل كه میزان نیكل آنها بیشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهIncoloy 706 و Inconel 718 میباشند.
این آلیاژها معمولاً حاوی 3 تا 5 درصد نیوبیم میباشند و در ردیف آلیاژهای پایه نیكل قرار میگیرند. آلیاژهای پایه نیكل معمولاً تا دمای 650 درجه سانتیگراد استحكام خود را حفظ میكنند. اما در دماهای بالاتر به سرعت استحكام خود را از دست میدهند.

2) سوپرآلیاژهای پایه آهن
سوپرآلیاژهای پایه آهن نشات گرفته از فولادهای زنگ نزن آستینتی میباشند كه دارای زمینهای از محلول جامد آهن و نیكل بوده و برای پایداری زمینه نیاز به حداقل 25 درصد نیكل است.
- گروه‌های متعددی از این آلیاژها تاكنون مشخص گردیدهاند كه هر یك با مكانیزمهای خاصی مستحكم میشوند. برخی از این آلیاژها نظیر 57-V و 286-A حاوی 25 تا 35 درصد وزنی نیكل میباشند و استحكامشان به دلیل حضور آلومینیوم و تیتانیم می‌باشد.
- گروه دوم آلیاژهای پایه آهن كه آلیاژهای X750 و  Incoloy901 نمونههای آن میباشند، حداقل 40 درصد وزنی نیكل داشته و همانند گروههای با نیكل بالاتر استحكام بخشی توسط سختی رسوبی صورت میگیرد.
- گروه دیگر این آلیاژها بر پایه آهن- نیكل- كبالت میباشند و استحكام این گروه در محدوده 650 درجه سانتیگراد مناسب بوده و ضریب انبساط حرارتی آنها پایین میباشد. این آلیاژها شامل Incoloy  با شمارههای 903، 907، 909، 1-1- PyrometCTX و 3-PyrometCTX و غیره میباشند.

3) سوپرآلیاژهای پایه كبالت
سوپرآلیاژهای كارپذیر پایه كبالت برخلاف سایر سوپرآلیاژها مكانیزم استحكام بخشی متقاوتی دارند و خواص حرارتی خوبی در دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد خواهند داشت.
سوپرآلیاژهای پایه كبالت حاوی كرم، مقاومت به خوردگی و اكسیداسیون خوبی داشته و هم چنین قابلیت جوشكاری و مقاومت به خستگی حرارتی آنها نسبت به آلیاژهای پایه نیكل بالاتر میباشد. از طرف دیگر امكان ذوب و ریختهگری این آلیاژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزیت دیگری نسبت به سایر سوپرآلیاژها كه نیاز به خلاء دارند می­باشد.
سه گروه اصلی آلیاژهای پایه كبالت را میتوان به صورت ذیل در نظر گرفت :

- آلیاژهایی كه در دماهای بالا در محدودة 650 تا 1150 درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار میگیرند كه شامل آلیاژهایS-816، 25HAYNES، 188 25HAYNES، 55625HAYNES، 50UMCO میباشند.

- آلیاژهایی كه تا حدود 650 درجه سانتیگراد به كار میروند نظیرTN3MP، 159 MP

- آلیاژ مقاوم به سایش B 6Stellite

آلیاژ 2525HAYNES بیشترین كاربرد را در میان آلیاژهای كارپذیر پایه كبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمكار نظیر توربینهای گازی، اجزاء راكتورهای هستهای، ایمپلنت‌های جراحی و غیره مورد استفاده قرار گرفتهاند. آلیاژهای گروه پایه كبالت كه شامل كرم- تنگستن- كربن میباشند معروف به آلیاژهای Satellite بوده كه به شدت مقاوم به سایش میباشند.
این گروه معمولاً در مواردی كه مقاومت سایشی در درجه حرارت‌های بالا مورد نیاز باشد به كار میروند. در واقع سختی این مواد در دمای بالا حفظ شده و در مواقعی كه نمیتوان در حین كار روغنكاری انجام داد به خوبی مورد استفاده قرار میگیرند.بازار سوپرآلیاژها

شاید بتوان گسترش بازار سوپرآلیاژها را در دنیا مربوط به صنایع هوا _ فضا در نظر گرفت كه با توجه به رشد روزافزون این صنعت و قطعات یدكی آن در سطح جهان پیش بینی میگردد كه تنها بازار قطعات یدكی هواپیماها بالغ بر 4،5 میلیارد دلار باشد، بررسیها حاكی از آنست كه تا سال 2015 تعداد 16000 فروند هواپیمای جدید با موتورهای توربین گازی وارد بازار میشوند كه نیمی از وزن این موتورها از جنس سوپر آلیاژ خواهد بود.
بر اساس آمارهای تخمینی موجود در ایران، سوپرآلیاژها سالانه به میزان 80 میلیون دلار در سه وزارتخانة نفت، نیرو و دفاع مورد استفاده قرار میگیرند.

عملیات حرارتی فولادهای ماریجینگ

مقدمه
فولادهای ماریجنینگ فولادهای پر آلیاژ-کم کربن-آهن ونیکل باساختار مارتنزیتی هستند که دارای ترکیبی عالی از استحکام وتافنسی به مراتب بالاتر از فولادهای پر کربن کوینچ شده می باشند.
این فولادها دو کاربرد بحرانی ومتمایز فولادهای کربن آبداده که استحکام بالا وتافنس وانعطاف پذیری خوب مورد نیاز است را دارا میباشد . فولادهای کربنی آبداده استحکامشان را از مکانیسمهای تغییر فاز وسخت گردانی بدست میآورند. ( مثل شکل گیری مارتنزیت و بینیت ) واین استحکام پس از رسوب گیری کاربیدها در طول مدت تمپر کردن بدست می آید. درمقایسه فولادهای ماریجینگ استحکامشان را از شکل گیری یک فولاد مارتنزیتی کم کربن انعطاف پذیرو سخت آهن ونیکل بدست می آورند که می توانند بوسیله رسوب گیری ترکیبات بین فلزی در طول مدت پیرسختی استحکام بیشتری داشته باشند. دوره ماریجینگ بر اساس پیرسختی ساختار مارتنزیتی وضع شده است.

متالورژی فیزیکی

قبلا اشاره شد که استحکام وتافنس خوب فولادهای ماریجینگ بوسیله پیر سختی یک ساختار مارتنزیتی کم کربن بسیار انعطاف پذیربا استحکام نسبتا خوب بدست میآید.در حین پیرسازی ساختار مارتنزیتی هدف اصل روش توزیع یکنواخت رسوبات بین فلزی خوب است که صرف تقویت کردن بافت مارتنزیتی می شود. یکی دیگر از هدفهای اصلی در مدت پیر سازی فولادهای ماریجینگ کم کردن یا حذف کردن برگشت فاز نیمه پایدارمارتنزیت به آستنیت و فریت می باشد .

شکل گیری مارتنزیت
مارتنزیت فولادهای ماریجینگ معمولا مکعب مرکز دار (bcc ) کم کربن است که این مارتنزیت شامل چگالی بالای نابجایی می باشد اما نه به صورت دوقلویی. در حین سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی آستنینت fcc بوسیله بازگشت برشی کم نفوذ تجزیه به ساختارهای متعادل به ساختار bcc تبدیل میشود.این تبدیل آستنیت به مارتنزیت ناپایدار اتفاق نمی افتد تا دمای شروع مارتنزیت (Ms) بدست آید ودمای شروع مارتنزیت باید به اندازه کافی بالا باشد بنابراین یک تبدیل کامل به مارتنزیت قبل از خنک شدن فولاد تا دمای اتاق اتفاق می افتد.
بیشتر انواع فولادهای ماریجینگ دمای شروع مارتنزیت حدود 200 تا300 درجه سانتیگراد را دارند ودر دمای اتاق به طور کامل مارتنزیت هستند . نتیجه ساختار مارتنزیت یک فولاد نسبتا قوی و فوق العاده انعطاف پذیر میباشد .
عناصر آلیاژی دمای شروع مارتنزیت را بطور قابل ملاحظه ای تغییر می دهد اما تغییر مشخصه این استحاله به مقدار زیادی بستگی به سرعت سرد شدن دارد.
اغلب عناصرآلیاژی اضافه شده در فولادهای ماریجینگ (به استثناء کبالت ) درجه حرارت شروع مارتنزیت را کاهش می دهند.
یکی از دونوع ممکن مارتنزیت که در سیستم آلیاژی آهن- نیکل ممکن است شکل بگیرد بستگی به مقدار نیکل در ماده مورد سوال میباشد.در سرعتهای سرد کردن بالا در فولادهای شامل 5 تا 10 درصد نیکل ،و بیش از 10 درصد پایین آوردن سرعت سرد کردن، لازمه شکل گیری مارتنزیت در فولادها می انجامد وشکل گیری کامل ساختار مارتنزیتی را تعیین می کند.در فولادهای شامل 25 درصد نیکل ، مارتنزیت لایه ای وبالای 25 درصد مارتنزیت دو قلویی داریم .مطالعه برروی آلیاژهای مارجنیگ آهن – 7 درصد کبالت 5 درصد مولیبدن و4/. درصد تیتانیم در ( ماریجینگ 18 درصد نیکل 250 ) شامل مقادیر متفاوت نیکل نشان می دهد که یک ساختار مارتنزیتی لایه ای با مقادیر نیکل بیش از 23 درصد بدست می آید .
اگر چه مقادیر نیکل بیش از 23 درصد شکل گیری مارتنزیت دو قلویی را نتیجه داده است . معمولا یک ساختار مارتنزیتی لایه ای در فولادهای ماریجینگ ترجیح داده می شود زیرا در مدت پیر سازی این ساختار سخت تر از یک ساختار مارتنزیتی دو قلویی میباشد.

عملیات حرارتی فولادهای ماریجینگ
تابکاری انحلالی : تابکاری انحلالی مستلزم حرارت دادن آلیاژی به اندازه کافی،بالای درجه حرارت پایان آستنیت و نگهداری در زمان کافی تا جا گیری عناصر در محلول جامد و سرد کردن آن تا دمای اتاق .متداول ترین سیکل عملیات حرارتی برای فولادهای ماریجینگ 18 درصد نیکل 200 ،250 300 درگیر کردن آلیاژهای در دمای 815 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت و سپس سرد کردن آن بوسیله هوا.تولید برای کاربردهای فورجینگ معمولا در حالت آنیل نشده خریداری می شود زیرا حرارت دادن سیکل تابکاری حرارتی قبلی را خنثی میکند .استفاده از خلا ، کنترل گردش هوای اتمسفر ، تمام نمک خنثی یا کوره های سیال تخت برای حداقل کردن صدمات سطحی ممکن است مورد نیاز باشد .
اثرزمان و درجه حرارت تابکاری بر خواص پیرسازی: اطلاعات نشان میدهد که بیشترین استحکام در دمای تابکاری انحلالی 800 تا815 درجه بوجود می آید. استحکام وانعطاف پذیری پایین تر با درجه حرارت تابکاری از 760 تا 800 درجه ناشی از انحلال ناقل عناصر سخت کننده میباشد و کاهش استحکام مربوط به درجه حرارت تابکاری انحلالی بالای 815 درجه ناشی از درشتی ساختار دانه ها میباشد. سرعت سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی از اهمیت کمتری برخورداراست چون اثر کمتری بر خواص زیر ساختاری ومکانیکی دارد.
اصلاح دانه ها بوسیله سیکل حرارتی : سیکل حرارتی فولادهای ماریجینگ بین درجه حرارت پایان مارتنزیت و دمای بسیار بالاتر از دمای تابکاری انحلال می تواند برای اصلاح ساختار دانه هایی که درشت هستند استفاده شود.این عمل استحاله برشی کم نفوذ ، مارتنزیت به آستنیت واز آستنیت به مارتنزیت نیروی محرکه برای تبلور مجدد در حین سیکلهای حرارتی تامین میکند.

پیر سختی
نوعی پیر سختی بعد از تابکاری انحلالی معمولا شامل حرارت دادن آلیاژ تا رنج دمایی 455 تا 510 درجه سانتیگراد و نگاه داشتن در این دما به مدت 3 الی 12 ساعت وخنک کردن آن در معرض هوا تا دمای اتاق می باشد. استفاده از فولادهای ماریجینگ در کاربردهای مانند ابزارآلات دایکست لازم است استفاده از یک حرارت پیر سازی تقریبا 530 درجه سانتیگراد که ساختار متعادلی را فراهم می کند و از نظر حرارتی تثبیت شده است. هنگامی که زمان پیر سازی افزایش پیدا میکند تا جائیکه به نقطه ای می رسیم که سختی واستحکام شروع به کاهش میکند به علت شکل گیری بازگشت آستنیت که معمولا از ذرات ریز باندهای آستنیت دور دانه ای قبلی شروع میشود.

کار سرد وپیر سازی
استحکام تسلیم واستحکام نهایی کششی فولادهای ماریجینگ می توانند بوسیله کار سرد قبل از پیر سازی تا 15 درصد افزایش پیدا کنند . بوسیله کار سرد قبل از تابکاری انحلالی ماده بالای 50 درصد کاهش قبل از پیر سازی ،نتیجه رسیده است .این سازگاری کمی با انعطاف پذیری وچغرمگی است .از کاهش سرما بیش از 50 درصد باید خوداری شود زیرا ممکن است که پوسته پوسته شدن تولیدات بوجود آید.

نیتریده کردن
سختی سطح را می تواند بوسیله نیتریده کردن فولادهای ماریجینگ در آمونیاک بدست آید . سطح سختی معادل 65 تا70 راکول سی به عمق 15/0 میلیمتر بعد از نیتریده کردن به مدت 24 الی 48 ساعت در دمای 455 درجه سانتیگراد میتواند بدست آید. نیترده کردن در این دما می تواند همزمان با پیرسختی اتفاق بیافتد . حمام نمک نیتریده کردن برای 90 دقیقه در دمای 540 درجه سانتیگراد بخوبی می تواند این عمل را شکل بدهد اگر چه برای پرهیز از فوق پیر سازی شدن بیش از حد این عمل باید بخوبی کنترل شود. استحکام خستگی ومقاومت به سایش فولادهای ماریجینگ بوسیله نیتریده کردن بهبود پیدا می کنند.

پخت
عملیاتی است برای حذف هیدروژن که در دمای پایین بین150 تا 200 درجه سانتیگراد قرارمیگیرد. تردی هیدروژن ممکن است در فولادهای ماریجینگ اتفاق بیافتد وقتی که در معرض کارهای الکترومکانیکی مثل آبکاری قرار میگیرد. حذف هیدروژن کار مشکلی است باید در یک سیکل عملیات حرارتی (پخت) بین 3تا 10 ساعت قرار بگیرد.
سند بلاست موثرترین روش برای حذف اکسید ناشی عملیات حرارتی است . فولادهای ماریجینگ را میتوان بوسیله مواد شیمیائی تمیز کننده مثل اسید شوئی در محلول اسید سولفوریک یا محلول اسید كلریدریك و اسیدنیتریك واسید هیدروفلوریک . اگر چه باید مراقب بود که بیش از حد اسید شوئی نشود.

پایان

منابع :     

وبلاگ:             2arman2008

سایت:                 iran-eng          

 تهیه و تنظیم : آرمان اکبرپور