سوپر آلیاژها ، ریخته گری فولاد و ذوب فلزات

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.

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.

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.

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.

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.

کاربردها

کاربرد سوپر آلیاژها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزاء هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. 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.

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.

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.

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.

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.

خواص سوپرآلیاژها

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.

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 رقابت 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.

[1] – Poly Crystalline

[2] – Directionally- Solidified

[3] – Columnar Grain Directionally Solidified

[4] – Single- Crystal Directionally Solidified

• مقدمه
• ۱-۱- معرفی و به کار گیری سوپر آلیاژها
• ۱-۲- مروری کوتاه بر فلزات با استحکام در دمای بالا
  ۱-۳- اصول متالورژی سوپر آلیاژها
• ۱-۴- بعضی از ویژگیها و خواص سوپر آلیاژها
• ۱-۵- کاربردها
• ۲-۱- کلیات
• ۲-۲- شکل سوپر آلیاژها
• ۲-۳- دمای کاری سوپرآلیاژها
• ۲-۴- مقایسه سوپر آلیاژهای ریخته و کار شده
• ۲-۴-۱- سوپر آلیاژهای کار شده
• ۲-۴-۲- سوپر آلیاژهای ریخته
• ۲-۵- خواص سوپرآلیاژها
• ۲-۵-۱- کلیات
• ۲-۵-۲- سوپر آلیاژهای پیشرفته
• ۲-۵-۳- خواص مکانیکی و کاربرد سوپرآلیاژها
• ۲-۶- انتخاب سوپرآلیاژها
• ۲-۶-۱- کاربردهای آلیاژهای کار شده در دمای متوسط
• ۲-۶-۲- کاربردهای آلیاژهای ریخته در دمای بالا
• ۳-۱- گروه‌ها، ساختارهای بلوری و فازها
• ۳-۱-۱- گروه‌های سوپرآلیاژها
• ۳-۱-۲- ساختار بلوری
• ۳-۱-۳- فاز در سوپرآلیاژها
• ۳-۲- مقدمه‌ای بر گروه‌های آلیاژی
• ۳-۲-۱- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل
• ۳-۲-۲- سوپرآلیاژهای پایه نیکل
• ۳-۲-۳- سوپرآلیاژهای پایه کبالت
• ۳-۳- عناصر آلیاژی و اثرات آنها بر ریزساختار سوپرآلیاژها
• ۳-۳-۲- عناصر اصلی در سوپرآلیاژها
• ۳-۳-۳- عناصر جزئی مفید در سوپرآلیاژها
• ۳-۳-۴- عناصر تشکیل دهنده فازهای ترد
• ۳-۳-۵- عناصر ناخواسته و مضر در سوپرآلیاژها
• ۳-۳-۶- عناصر ایجاد کننده مقاومت خوردگی و اکسیداسیون
• ۳-۴- استحکام دهی سوپرآلیاژها
• ۳-۴-۱- رسوب‌ها و استحکام
• ۳-۴-۲- فاز
• ۳-۴-۳- فاز
• ۳-۴-۴- کاربیدها
• ۳-۴-۵- کاربیدهای M7C3
• 3-4-6- بوریدها و عناصر جزئی مفید دیگر (به جز کربن)
• ۳-۵- تاثیر فرآیند بر بهبود ریز ساختار
• ذوب و تبدیل
• ۴-۱- فرآیند EAF/AOD
• 4-1-1- تشریح فرآیند EAF/AOD
• 4-2- عملیات کوره قوس الکتریکی/ کربن زدایی با اکسیژن و آرگن (EAF/AOD)
• 4-2-1- ترکیب شیمیایی آلیاژ و آماده کردن شارژ
• ۴-۲-۲- بارگذاری EAF
• 4-2-3- کوره قوس الکتریک
• ۴-۲-۴- تانک AOD
• 4-2-5- پاتیل ریخته‌گری
• ۴-۳- مروری بر ذوب القایی در خلاء (VIM)
• 4-3-2- تشریح فرآیند VIM
• 4-4- عملیات ذوب القایی در خلاء
• ۴-۴-۱- عملیات ذوب القایی در خلاء
• ۴-۴-۲- کوره القائی تحت خلاء
• ۴-۴-۳- سیستم‌های ریخته‌گری
• ۴-۴-۴- عملیات ذوب القایی در خلاء
• ۴-۵- مروری بر ذوب مجدد
• ۴-۵-۲- تشریح فرآیند ذوب مجدد در خلاؤء با قوس الکتریکی (VAR)
• 4-5-3- تشریح فرآیند مجدد با سرباره الکتریکی (ESR)
• 4-6- عملیات ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی
• ۴-۶-۱- کوره VAR
• 4-6-2- عملیات ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی
• ۴-۶-۳- کنترل ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی
• ۴-۷- عملیات ذوب مجدد با سربار الکتریکی (ESR)
• 4-7-1- کوره ESR
• 4-7-2- عملیات کوره ذوب مجدد با سرباره الکتریکی
• ۴-۷-۳- کنترل ذوب مجدد با سرباره الکتریکی
• ۴- انتخاب سرباره
• ۴-۸- محصولات ذوب سه مرحله‌ای
• ۴-۸-۲- ‏فرآیند ذوب سه مرحله‌ای شمش
• ۴-۹- تبدیل شمش و محصولات نورد
• ۴-۹-۲- همگن‌سازی توزیع عنصر محلول در شمش‌ها
• ۴-۹-۳- آهنگری محصول نیمه تمام
• ۴-۹-۴- آهنگری محصول نیمه تمام آلیاژ IN-718
• 4-9-5- اکستروژن
• ۴-۹-۶- نورد
• ۴-۹-۷- دسترسی به محصولات نورد