معرفی سوپر آلیاژ و انواع ابر آلیاژ ها

برای معرفی سوپر آلیاژها باید کمی به عقب برگردیم. بیش از 10000 سال است که انسان ها از آلیاژهای فلزی استفاده می کند. از زمانی که قلع و مس با یکدیگر ترکیب شدند تا آلیاژ جدید و بهتری به نام برنز را تشکیل دهند. امروزه، تقریبا تمام فلزاتی که ما استفاده می کنیم نوعی آلیاژ هستند، زیرا آلیاژها خواص بسیار بهتری از عناصر تشکیل دهنده خود دارند. با ظهور توربین های گازی، مهندسان به موادی با خواص مکانیکی برتر و مقاومت در برابر دمای بالا نیاز داشتند، به این گروه جدید از آلیاژها عنوان سوپرآلیاژ را دادند.

سوپر آلیاژ چیست؟

سوپر آلیاژ یا ابر آلیاژ گروهی از فلزات هستند که مقاومت در برابر خزش، اکسیداسیون و خوردگی بهتری نسبت به آلیاژهای سنتی دارند و در عین حال خواص مکانیکی عالی خود را حتی در دماهای بالا حفظ می کنند. به یک معنا، آنها به عنوان آلیاژهای با عملکرد بالا عمل می کنند.

سوپرآلیاژها معمولا در صنعت هوافضا برای قطعات موتورهای توربین گازی استفاده می شوند. سوپرآلیاژها اغلب از پایه نیکل، کبالت یا آهن هستند و خواص بسیار بهتری نسبت به آلیاژهای سنتی فولاد یا آلومینیوم ارائه می دهند. در حالی که اکثر آلیاژهای سنتی پایه آهن با افزایش دما از 400 درجه سانتیگراد، دچار کاهش استحکام می شوند، بسیاری از سوپرآلیاژها در واقع بین 750 تا 900 درجه سانتی گراد، افزایش استحکام را نشان می دهند.

مزایای سوپرآلیاژها

سوپر آلیاژ ها گرانتر از فولاد، آلومینیوم یا فولادهای زنگ نزن هستند. آنها همچنین برای کار کردن و قالب گیری به شکل دلخواه پیچیده تر هستند. خواندن مقاله معروف ترین آلیاژهای فلزات را نیز توصیه می کنیم. با این وجود چرا ابر آلیاژ ها به طور گسترده در صنایع خاصی استفاده می شوند؟

مقاومت در برابر خزش

خزش فرایندی نامطلوب در قطعات مهندسی است که به موجب آن یک جزء در سطح تنش بسیار کمتر از مقاومت کششی نهایی خود تغییر شکل می دهد. یک تنش طولانی مدت (حتی در مقدار کم) روی یک قطعه می تواند باعث ایجاد خزش در ماده شود. بدین صورت که قطعه در تنشی کمتر از نصف UTS خود تغییر شکل پلاستیکی می دهد. از سویی دیگر اعمال گرما از هر منبعی خزش را تسریع می کند. این مساله برای اجزای موتورهای جت، پیامدهای فاجعه بار دارد.

استفاده از سوپرآلیاژها در قطعاتی مانند پره های توربین، آنها را قادر می سازند تا در نهایت تنش نیروی مرکزگرا و گرما کار کنند و در عین حال استحکام و شکل خود را حفظ کنند. قبل از استفاده از سوپرآلیاژها، آزمایش های طولانی مدت مواد غیرمقاوم در برابر خزش نتایج جالبی را به همراه داشت. طی این آزمایش ها پره های توربین در حین چرخش طولانی تر می شدند و باعث تداخل با بدنه موتور می شدند. حتما مقاله تنش تسلیم را بخوانید.

مقاومت در برابر درجه حرارت بالا

در کاربردهایی مانند موتورهای هوافضا و توربین های گازی، مقاومت در برابر دماهای بالا امری ضروری است. سوپرآلیاژها نه تنها در دماهای بالا عملکرد خوبی دارند، بلکه در برخی موارد استحکام کششی (UTS) مواد نیز افزایش می یابد و تنش های عملیاتی بالاتر را ممکن می سازد. هر دو این موارد برای هوانوردی امتیاز محسوب می شوند.

از آنجایی که سوپرآلیاژها نسبت به آلیاژهای سنتی در برابر حرارت بهتر مقاومت می کنند، پیشرفت های زیادی در طراحی موتورهای توربین جت انجام شده است. مقاومت سوپر آلیاژ ها در برابر گرما و خزش، فشارهای احتراق بالاتری را ممکن کرده است و راندمان موتورهای جت را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.

ساختار شبکه ای سوپر آلیاژ ها

اما چه عواملی موجب شده که سوپر آلیاژها، سرآمد فلزات و آلیاژهای دیگر باشند. در سطح اتمی، اجزای تشکیل دهنده فلزات ساختارهای شبکه ای منظم را تشکیل می دهند. آلیاژ کردن یک فلز به فشرده شدن این ساختار شبکه ای کمک می کند و با مسدود کردن صفحات لغزش، نیروی مورد نیاز برای لغزش صفحات اتمی را افزایش می دهد.

سوپرآلیاژها، به ویژه سوپرآلیاژهای پایه بر نیکل، یک قدم فراتر می روند. تشکیل یک ریزساختار تعادلی دو فازی بر نحوه چیدمان عناصر آلیاژی تاثیر می گذارد و از آنها در برابر چندین حالت مختلف شکست محافظت می کند.

نمونه هایی از سوپر آلیاژ ها

نیکل، آهن و کبالت پایه های اصلی سوپر آلیاژ ها هستند. در ادامه با مهمترین سوپر آلیاژ های پایه نیکل آشنا می شویم.

سوپرآلیاژهای پایه نیکل

هاستلوی (Hastelloy)

این آلیاژ ترکیبی از مولیبدن و کروم است که مقاومت به خوردگی، جوش پذیری خوب و مقاومت در برابر محیط اسیدی خوبی دارد. انواع مختلفی از Hastelloy، مانند C276، Hastelloy B، B-2 و غیره در دسترس هستند. هر گرید دارای ویژگی ها و درصد عناصر آلیاژی متفاوت است و طیف وسیعی از کاربردها را پوشش می دهد.

اینکونل

اینکونل گاهی اوقات به عنوان جایگزین فولاد زنگ نزن در دمای بالا استفاده می شود. مقاومت در برابر محیط اسیدی و مقاومت در برابر خوردگی تا دمای بسیار بالا در اینکونل بسیار بهتر از فولاد زنگ نزن است. در سوپرآلیاژ اینکونل، عنصر کروم فراوان ترین عنصر آلیاژی است.

خواص سوپرآلیاژ ها

کنترل دقیق بر عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی به متالورژیست ها در تعیین ویژگی های آلیاژ کمک می کند. همین امر در مورد سوپرآلیاژها نیز صادق است.

سوپرآلیاژهای پایه نیکل

خواص مکانیکی/شیمیایی:

• مقاومت حرارتی بالا
• مقاومت در برابر خوردگی بالا
• استحکام بالا

کارپذیری

• ماشینکاری خوب
• قابلیت جوشکاری در برخی موارد
• حافظه داری (Shape memory)
• انبساط حرارتی کم

سوپرآلیاژهای پایه کبالت

خواص مکانیکی/شیمیایی:

• مقاومت حرارتی بهتر نسبت به آلیاژهای پایه نیکل
• مقاومت در برابر خوردگی گرم بهتر در مقایسه با آلیاژهای نیکل و آهن
• مقاومت در برابر خستگی حرارتی در دماهای بالا

کارپذیری:

• جوش پذیری خوب
• ماشینکاری ضعیف در برخی از آلیاژها

سوپرآلیاژهای پایه آهن

خواص مکانیکی/شیمیایی:

• استحکام پایین در دماهای بالا در مقایسه با آلیاژهای پایه نیکل
• مقاومت در برابر سایش عالی در مقایسه با نیکل
• مقاومت در برابر خزش خوب

کارپذیری:

• جوش پذیری خوب
• ماشینکاری خوب

آنالیز شیمیایی سوپرآلیاژها

سوپرآلیاژهای پایه نیکل

Hastelloy، یک سوپرآلیاژ نیکل پرکاربرد است. Hastelloy C22 دارای ترکیب شمیایی زیر است:

• 56 درصد نیکل
• 22 درصد کروم
• 13 درصد مولیبدن
• سایر موارد: مقادیر کمتر آهن، تنگستن و کبالت

Inconel 625، حاوی نیکل بیشتر و مولیبدن کمتر است. این سوپر آلیاژ دارای ترکیب زیر است:

• 58-71 درصد نیکل
• 21-23٪ کروم
• 8-10٪ مولیبدن
• آهن 5 درصد
• سایر موارد: مقادیر کمتر نیوبیم، کبالت و منگنز

سوپرآلیاژهای پایه کبالت

سوپرآلیاژهای پایه کبالت معمولا از کبالت و کروم تشکیل شده اند. X-40، یک آلیاژ پایه کبالت غیر آهنی است که به دلیل مقاومت عالی در برابر خزش استفاده می شود.

آنالیز شیمیایی آلیاژ X-40 عبارت است از:

• 54 درصد کبالت
• 24 درصد کروم
• 10 درصد نیکل
• 5 درصد تنگستن
• 5 درصد کربن

سوپرآلیاژهای پایه آهن

A-286 یک سوپرآلیاژ پایه آهن است که اغلب مورد استفاده قرار می گیرد. می توان آن را تکامل یافته فولاد زنگ نزن دانست که مقاومت در برابر خوردگی را تا حداکثر 700 درجه سانتیگراد حفظ می کند. برای مطالعه بیشتر جوش آرگون یا جوش TIG را بخوانید.

A-286 مانند تمام فولادهای زنگ نزن عمدتا از آهن و کروم تشکیل شده است. آنالیز شیمیایی این آلیاژ عبارت است از:

• 53 درصد آهن
• 26 درصد نیکل
• 15 درصد کروم
• 5 درصد تنگستن
• 15 درصد آلومینیوم

کاربرد سوپرآلیاژها

شناخته شده ترین و مستندترین کاربرد سوپرآلیاژهای پایه نیکل در موتورهای توربین است. استحکام دمایی بالا و مقاومت در برابر خزش این ماده، صنعت هوافضا را متحول کرده است و دستاوردهای باورنکردنی را در پروازهای تجاری و مسافربری ایجاد کرده است.

کاربردهای متعدد دیگری با ماهیت مشابه برای پره های توربین وجود دارد که در آنها مقاومت در برابر خزش و اکسیداسیون ضروری است، مانند توربین های توربوشارژر خودرو، توربین های بخار نیروگاهی و غیره.

سوپر آلیاژ ها در اجزای استاتیک نیز مورد استفاده قرار می گیرند، مانند بسیاری از سیستم های پردازش که نیازمند استحکام و مقاومت بالا در برابر خوردگی برای شیرها، مخازن، پیچ ها و کانال ها هستند. این محیط ها اغلب مکان هایی هستند که به طور سنتی از فولاد زنگ نزن استفاده می شود. علاوه بر این از سوپر آلیاژ ها در صنایع زیر نیز استفاده می شود:

• هوافضا
• تولید برق هسته ای
• فرایندهای شیمیایی
• عملیات حرارتی
• خودرو سازی
• پزشکی

خرید لوله و اتصالات از پردیس فولاد

مجموعه پردیس فولاد با نزدیک به چهار دهه حضور تاثیر گذار در صنایع فولاد کشور، امکان خرید انواع لوله فولادی، استنلس استیل، لوله آلیاژی، حرارتی، برودتی، آتشخوار و مانیسمان برای مشتریان فراهم کرده است. همچنین انواع ولوها، فلنج ها و اتصالات و صنعتی نیز در سبد محصولات پردیس فولاد وجود دارد. اگر قصد مشاوره یا خرید انواع لوله و اتصالات را دارید با ما تماس بگیرید. مهندسان و کارشناسان مجموعه آماده پاسخ گویی به کلیه سوالات و دادن مشاوره رایگان به شما مشتریان عزیز هستند. همچنین شما را در جریان قیمت انواع ولو، لوله و سایر اتصالات قرار می دهند.

برگرفته از: metalsupermarkets