مقايسه سوپر آلياژهاي ريخته و كار شده

1-    سوپر آلياژهاي كار شده

يك آلياژ كار شده معمولاً از شمش­هاي ريخته به دست مي­آيد اما چندين بار تغيير شكل و عمليات پيش گرم روي آن انجام مي­شود، تا به حالت نهايي خود برسد. آلياژهاي كار شده به مراتب همگن­تر از آلياژهاي ريخته كه معمولاً داراي جدايش ناشي از فرآيند انجماد هستند مي­باشند. جدايش نتيجه طبيعي انجماد آلياژ است، اما در بعضي از موارد به صورت شديدتري روي مي­دهد.

آلياژهاي كار شده، معمولاً انعطاف پذيرتر از آلياژهاي ريخته هستند. محصولات نورد مانند ميله­ها از نوع كار شده هستند. انعطاف­پذيري آلياژ باعث مي­شود كه بتوان آنها را به قطعات و اشكال بهتري در آورد. قطعات آهنگري نيز محصولات كار شده هستند كه مزيت انعطاف پذيري بالاتر ماده كار شده براي توليد اشكال بزرگتر مانند، ديسك­هاي توربين­هاي گازي را دارند.

هر آلياژي را نمي­توان به شكل كار شده در آورد. بعضي از قطعات فقط به صورت ريخته توليد مي­شوند. آلياژهايي كه كارپذيري خيلي كمي دارند، ابتدا با متالورژي پودر توليد شده و سپس آهنگري مي­شوند. براي ساخت ديسك­هاي سنگين كه در ناحيه دماهاي متوسط توربين گازي كار مي­كنند، از آلياژهاي متالورژي پودر و يا آلياژهاي كار شده استفاده مي­شود. با فرآيند متالورژي پودر مي­توان قطعاتي توليد كرد كه مستقيماً ماشين كاري شوند.

2-   سوپر آلياژي ريخته

سوپر آلياژهاي ريخته در ناحيه دما بالاي توربين­هاي گاز، به ويژه در قطعاتي نظير پره­هاي هوا يافت مي­شوند. اكثر آلياژهاي ريخته از نوع چند بلوري (PC) با دانه­هاي هم محور و بعضي ديگر از نوع انجماد جهت­دار يافته (DS) هستند. ريخته­هاي چند بلوري داراي دانه­هايي هستند كه اندازه آنها از يك قطعه به قطعه ديگر تغيير مي­كند. دانه­هاي يك ريخته انجماد جهت­دار يافته، با يكديگر موازي هستند (عمدتاً به موازات محور طولي پره) و تحت عنوان قطعات انجماد جهت­دار يافته دانه ستوني (CGDS) شناخته مي­شوند. ممكن است يك ريخته انجماد جهت­دار يافته فقط داراي يك بلور با محور موازي با محور طولي پره­هاي توربين باشد، در اين صورت به آن تك بلور انجماد جهت­دار يافته (SCDS) گفته مي­شود. آلياژ­هاي ريخته نسبت به آلياژهاي كار شده استحكام بيشتري در دماي بالا دارند.

ريخته­هاي چند بلوري دانه درشت، نسبت به قطعات آهنگري شده دانه ريز استحكام بهتري در دماهاي بالا دارند. تركيب شيميايي آلياژ ريخته به نحو مؤثري تعيين كننده استحكام دما بالاي آن است. در فرآيند آهنگري تركيب شيميايي آلياژ نقش چنداني در تعيين قابليت آهنگري ندارد. سوپر آلياژهاي پايه نيكل ريخته داراي بالاترين استحكام گسيختگي خزش در دماهاي بالا هستند، به همين خاطر از آنها براي كار در پره­هاي هوا توربين گاز تحت شرايط دماي بالا و تنش زياد استفاده مي­شود. در طرف مقابل قطعات آهنگري دانه ريز، استحكام تسليم بالاتر و استحكام خستگي كم دامنه (LCF) بهتري در دماهاي متوسط دارند، و به همين دليل از آنها در ساخت ديسك­هاي آهنگري شده استفاده مي­شود.

بعضي از ويژگيها و خواص سوپر آلياژها

1-  فولادهاي معمولي و آلياژهاي تيتانيوم در دماهاي بالاتر  داراي استحكام كافي نيستند و امكان خسارت ديدن آلياژ در اثر خوردگي وجود دارد.

2-  چنانچه استحكام در دماهاي بالاتر (زير دماي ذوب كه باري اكثر آلياژها تقريباً 1371- 1204 درجه سانتيگراد است) مورد نياز باشد، سوپر آلياژهاي پايه نيكل انتخاب مي­شوند.

3-  از سوپر آلياژهاي پايه نيكل مي­توان در نسبت دمايي بالاتري (نسبت دماي كار به دماي ذوب) در مقايسه با مواد تجاري موجود استفاده كرد. فلزات دير گداز (نسوز) نسبت به سوپر آلياژهاي دماي ذوب بالاتري دارند ولي ساير خواص مطلوب آنها را ندارند و به همين خاطر به طور وسيعي مورد استفاده قرار نمي­گيرند.

4-  سوپر آلياژهاي پاليه كبالت را مي­توان به جاي سوپر آلياژهاي پايه نيكل استفاده كرد كه اين جايگزيني به استحكام مورد نياز و نوع خوردگي بستگي دارد.

5-  در دماهاي پايين­تر وابسته به استحكام مورد نياز، سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل نسبت به سوپر آلياژهاي پايه نيكل و پايه كبالت كاربرد بيشتري پيدا كرده­اند.

6-  استحكام سوپر آلياژ نه تنها مستقيماً به تركيب شيميايي بلكه به فرآيند ذوب، آهنگري و روش شكل­دهي، روش ريخته­گري و بيشتر از همه به عمليات حرارتي پس از شكل­دهي، آهنگري يا ريخته­گري بستگي دارد.

7-    سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل نسبت به سوپر آلياژهاي پايه نيكل و پايه كبالت ارزان­تر هستند.

8-  اكثر سوپر آلياژهاي كار شده براي بهبود مقاومت خوردگي داراي مقداري كروم هستند. مقدار كروم در آلياژهاي ريخته در ابتدا زياد بود، اما به تدريج مقدار آن كاهش يافت تا عناصر آلياژي ديگري براي افزايش خواص مكانيكي سوپر آلياژهاي دما بالا، به آنها افزوده شوند. در سوپر آلياژهاي پايه نيكل با كاهش كروم مقدار آلومينيوم افزايش يافت، در نتيجه مقاومت اكسيداسيون آنها در همان سطح اوليه باقي مي­ماند و يا افزايش مي­يابد، اما مقاومت در برابر انواع ديگر خوردگي كاهش مي­يابد.

9-  سوپر آلياژها مقاومت در برابر اكسيداسيون بالايي دارند اما در بعضي موارد مقاومت خوردگي كافي ندارند. در كاربردهايي مانند توربين هواپيما كه دما بالاتر از است سوپر آلياژها در كاربردهاي طولاني مدت در دماهاي بالاتر از مانند توربين­هاي گازي زميني مي­توانند پوشش داشته باشند.

10-   فن­آوري پوشش­دهي سوپر آلياژها بخش مهمي از كاربرد و توسعه آنها مي­باشد. نداشتن پوشش به معني كارآيي كم سوپر آلياژ در دراز مدت و دماهاي بالا است.

11-   در سوپر آلياژها به ويژه در سوپر آلياژهاي پايه نيكل بعضي از عناصر در مقادير جزئي تا زياد اضافه شده­اند. در بعضي از آلياژها تعداد عناصر كنترل شده موجود تا 14 عنصر و بيشتر مي­تواند باشد.

نيكل، كبالت، كروم، تنگستن، موليبدن، رنيم، هافنيم و ديگر عناصر استفاده شده در سوپر آلياژها اغلب گران بوده و مقدارشان در طي زمان متغير است.

تاريخچه

طراحان نياز فراواني به مورد مستحكم­تر و مقاوم_­­­تر در برابر خوردگي دارند. فولادهاي زنگ نزن توسعه داده شده و به كار رفته در دهه­هاي دوم و سوم قرن بيستم ميلادي، نقطة شروعي براي برآورده شدن خواسته­هاي مهندسي در دماهاي بالا بودند. بعداً معلوم شد كه اين مواد تحت اين شرايط داراي استحكام محدودي هستند. جامعة متالورژي با توجه به نيازهاي روز افزون بوجود آمده، با ساخت جايگزين فولاد زنگ نزن كه سوپر آلياژ ناميده شد به اين تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلياژها مواد اصلاح شده پايه آهن به وجود آمدند، كه بعدها نام سوپر آلياژ به خود گرفتند.

با شروع و ادامه جنگ جهاني دوم توربين­هاي گازي تبديل به يك محرك قوي براي اختراع و كاربرد آلياژها شدند. در سال 1920 افزودن آلومينيوم و تيتانيوم به آلياژهاي از نوع نيكروم به عنوان اختراع به ثبت رسيد، ولي صنعت سوپر آلياژها با پذيرش آلياژ كبالت (ويتاليوم) براي برآورده كردن نياز به استحكام در دماي بالا در موتورهاي هواپيما پديدار شدند. بعضي آلياژهاي نيكل- كروم (اينكونل و نيمونيك) مانند سيم­نسوز كم و بيش وجود داشتند و كار دستيابي به فلز قوي­تر در دماي بالاتر براي رفع عطش سيري­ناپذير طراحان ادامه يافت و هنوز هم ادامه دارد.

معرفي و به ­كارگيري سوپر آلياژها

سوپر آلياژها؛ آلياژهاي پايه نيكل، پايه آهن- نيكل و پايه كبالت هستند كه عموماً در دماهاي بالاتر از  استفاده مي­شوند. سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل مانند آلياژ IN- 718 از فن­آوري فولادهاي زنگ نزن توسعه يافته و معمولاً بصورت كار شده مي­باشند. سوپر آلياژهاي پايه تنيكل و پايه كبالت بسته به نوع كاربرد و تركيب شيميايي مي­توانند بصورت ريخته يا كار شده باشند.

از آغاز پيدايش سوپر آلياژها، تعداد زيادي آلياژ شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته و تعدادي نيز به عنوان اختراع ثبت گرديده­اند. تعدادي از آنها در طول ساليان گذشته غربال شده و تعدادي به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته­اند.

سوپر آلياژهاي داراي تركيب شيميايي مناسب را مي­توان با آهنگري و نورد به اشكال گوناگون در آورد. تركيب­هاي شيميايي پر آلياژتر معمولاً بصورت ريخته­گري مي­باشند. ساختارهاي سرهم بندي شده را مي­توان با جوشكاري يا لحيم كاري بدست آورد، اما تركيب­هاي شيميايي كه داراي مقادير زيادي از فازهاي سخت كننده هستند، به سختي جوشكاري مي­شوند. خواص سوپر آلياژها را با تنظيم تركيب شيميايي و فرآيند (شامل عمليات حرارتي) مي­توان كنترل كرد و استحكام مكانيكي بسيار عالي در محصول تمام شده بدست آورد.

اصول متالورژي سوپر آلياژها

سوپر آلياژي­هاي پايه آهن، نيكل و كبالت معمولاً داراي ساختار بلوري با شبكه مكعبي با سطوح مركزدار (FCC) هستند. آهن و كبالت در دماي محيط داراي ساختار FCC نيستند. هر دو فلز در دماهاي بالا يا در حضور عناصر آلياژي ديگر دگرگوني يافته و شبكه واحد آنها به FCC تبديل مي­شود. در مقابل، ساختمان بلوري نيكل در همه دماها به شكل FCC است. حد بالايي اين عناصر در سوپر آلياژها توسط دگرگوني فازها و پيدايش فازهاي آلوتروپيك تعيين نمي­شود بلكه توسط دماي ذوب موضعي آلياژها و انحلال فازهاي استحكام يافته تعيين مي­گردد. در ذوب موضعي بخشي از آلياژ كه پس از انجماد تركيب شيميايي تعادلي نداشته است در دمايي كمتر از مناطق مجاور خود ذوب مي­شود. همة آلياژها داراي يك محدوده دمايي ذوب شدن هستند و عمل ذوب شدن در دماي ويژه­اي صورت نمي­گيرد، حتي اگر جدايش غير تعادلي عناصر آلياژي وجود نداشته باشد. استحكام سوپر آلياژها نه تنها بوسيله شبكه FCC و تركيب شيميايي آن، بلكه با حضور فازهاي استحكام دهنده ويژه­اي مانند رسوب­ها افزايش مي­يابد. كار انجام شده بر روي سوپر آلياژ (مانند تغيير شكل سرد) نيز استحكام را افزايش مي­دهد، اما اين استحكام به هنگام قرارگيري فلز در دماهاي بالا حذف مي­شود.

تمايل به دگرگوني از فاز FCC به فاز پايدارتري در دماي پايين وجود دارد كه گاهي در سوپر آلياژهاي كبالت اتفاق مي­افتد. شبكه FCC سوپر آلياژ قابليت انحلال وسيعي براي بعضي عناصر آلياژي دارد و رسوب فازهاي استحكام دهنده (در سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل و پايه نيكل)‌

انعطاف پذيري بسيار عالي آلياژ را به همراه دارد.

سوپر آلياژها

سوپر آلياژها داراي خواص متنوعي بوده و به منظور برآورده كردن نيازمنديهاي گسترده و متنوع مصرف كنندگان، بوجود آمده اند يك سوپر آلياژ ، آلياژي است كه براي كار در دماي بالا توسعه يافته، معمولاً زمينة آن روي عناصر گروه VII ست در جائي كه تنشهاي مكانيكي شديد حادث مي‌شوند و صافي و يكنواختي سطحي مورد نياز است. اين آلياژها معمولاً از فرمولهاي مختلفي كه از عناصر زير در آنها بهره برده‌اند تشكيل شده است. آهن، نيكل، كبالت و كروم همينطور مقدار بسيار كمي تنگستن موليبدن، تانتاليم، نيوبيوم، تيتانيم و مقاومت در برابر خوردگي كرم و سائيدگي مي‌باشد. انواع بسياري از آلياژها در دستة وسيعي از سوپر آلياژها قرار مي‌گيرند. اينها عبارتند از: آلياژهاي پاية اهن، تشكيل شده از كروم و نيكل، و تركيبي از مخلوط Fe – Ni – Cr – Co ، آلياژهاي با زمينة كبالت كه به وسيلة كاربيد تقويت شده‌اند .
كاربردها
كاربردهاي سوپر آلياژها در دماي بالا بسيار زياد است و شامل اجزاء فضاپيماها، تجهيزات كارخانه‌هاي شيميايي و تجهيزات پتروشيمي مي باشد.
سوپر آلياژهاي كارشده به وسيلة انواع متداول ماشينهاي موجود در صنايع فلزي ساخته مي‌شوند. سوپر آلياژهاي پايه آهن، پاية كبالت و پاية نيكل به صورت استاندارد به شكل شمش،تختال، اكستروژن، ورق، نوار، لوله و قطعات فورج شده به وسيلة ماشيهاي ساده توليد مي‌شوند. سوپر آلياژها همچنين به شكل ميله، شمش ، تيوپ، لوله‌ها، قالبها، واير، قطعات آهنگري شده و موارد ويژه كار شده به وسيلة مبّدل‌هاي ثانويه در دسترس هستند.
شكل دادن سوپر پلاستيكهاوپرسكاري ضد استاتيكي گرم در تركيباتي از اين قبيل. ريختگي سوپر آلياژها در عملياتهاي فضايي براي فويلهاي هوايي توربين و قسمتهاي بزرگ ساختمان آن كاربرد زيادي دارند .
سوپر آلياژهاي ريختگي
دو نوع طبقه بندي سوپر آلياژ ريختگي به شكل مشخص وجود دارند . اول غلظتهاي آهن ـ كروم ـ نيكل كه به عنوان مقاوم در برابر حرارت شناخته مي شوند . دوم پايه هاي نيكلي و پايه هاي كبالتي مي باشند . در طبقه بندي مقاوم در برابر حرارت بعضي از غلظتها به درستي فولادهاي ضد زنگ مي باشند . اين آلياژها به شكل وسيعي در اين فصل توصيف نمي شوند . آلياژهاي مقاوم در برابر حرارت كه مقادير عمده اي از كروم و نيكل بيشتر از آنچه كه معمولا در فولادهاي زنگ نزن ديده مي شوند دارند در طبقه سوپر آلياژها قرار مي گيرند و در اينجا مورد بحث قرار مي گيرند.
فولادهاي حاوي سيليكون و بور
سيليكون هم مثل منگنز در همه فولادها به عنوان يك اكسيژن زداي ارزان حضور دارد .وقتي يك فولاد شامل بيش از ۰.۶% باشد آنرا سيليكوني مي گوييم .
تاثير سيليسيم بر فولاد
۱- مثل نيكل ميل به تشكيل كاربيد ندارد .
۲- در فريت به راحتي حل مي شود .
۳- استحكام و سختي را بالا مي برد .
كاربردها
۱- فولادي با ۱ تا ۲% سيليكون فولاد navy گفته مي شود كه براي مصالح كه نياز به نقطه تسليم بالايي دارند مورد استفاده قرار مي گيرد .
۲- فولادهاي سيليكوني هادفيلد با كمتر از ۰.۰۱% كربن و حدود ۳% سيليكون خواص مغناطيسي عالي دارند و براي هسته هاي ماشين هاي الكتريكي استفاده مي شوند .
۳- تركيب مساوي از Mn و Si فولادي با استحكام بالا و انعطاف پذير و سخني خوب توليد مي كند.اين فولاد كاربرد زيادي در سيم پيجها ، فنرها و پانچها دارد .
فولادهاي بور دار
مقدار بسيار كمي از بور سختي فولاد را افزايش مي دهد . اگر مقدار بور ۰.۱۵ تا ۰.۴۵% باشد سختي پذيري از بقيه حالت ها بيشتر است . به طور كلي فولادهي بور دار خواص گرم كاري و سرد كاري خوبي دارند و سختي پذيري بالائي دارند.
فولاهاي حاوي تنگستن و واناديم
تنگستن
در سختي پذيري اثر زيادي دارد و نيز قابليت تشكيل كاربيد را دارد .به عبارت ديگر اثر تنگستن در فولاد مثل اثر موليبدن مي باشد . به عنوان مثال اثر ۲ تا ۳% تنگستن مثل اثر ۱% موليبدن مي باشد . اما به دليل گران بودن تنگستن در فولادهاي مهندسي كاربرد كمي دارد و بيشتر در فولادهاي ابزار كاربرد دارد .
واناديم
يك عنصر گران است خواص :
۱- اگسيژن زداي عالي است .
۲- تشكيل دهنده كاربيد مي باشد.
۳- در حالت حل شده در فولاد، در سختي پذيري و افزايش خواص مكانيكي اثر بسزائي دارد.
كاربرد
۱- فولادهاي C-V براي لوكوموتيوهاي سنگين و ماشين هاي فورج بزرگ استفاده مي شود.
۲- فولادهاي Cr-V كم كربن براي ساخت پينها و ميل لنگ ها استفاده مي شوند.
۳- فولادهاي Cr-V كربن متوسط سختي بالائي دارد و براي اكسلها و فنر ها استفاده مي شوند .
۴- فولادهاي Cr-V كربن بالا داراي سختي و مقاومت سايش بالا هستند و براي ابزارها و بلبرينگها استفاده مي شوند .
فولادهاي موليبدن دار
موليبدن يك عنصر آلياژي گران است كه ميل به تشكيل كاربيد زيادي دارد و در عوض ميل تركيبي كمي با گاما و آلفا دارد.
اثر موليبدن بر خواص فولاد
۱- اثر زيادي بر سختي پذيري مي گذارد .
۲- متل كروم سختي در دماي بالا و استحكام فولاد را بالا مي برد .
۳- مقاومت حرارت فولاد را بالا مي برد .
۴- با افزودن موليبدن فاز مارتنزيت پايدار مي شود و مقاومت به نرم شدن در اثر حرارت در آن بالا مي رود.
۵- اين عنصر معمولاً به صورت تركيبي از نيكل يا كروم يا هردوي آنها استفاده مي شود .
۶- اگر روي قطعه مربوطه كربورايزينگ انجام گيرد مقاومت سايشي سطح و سختي مغز افزايش مي يابد.
كاربردها
۱- فولادهاي موليبدن دار با كربن كم براي شفتها و چرخ دنده ها استفادهمي شوند.
۲- اگر درصد كربن افزايش يابد براي سيم پيچ ها و فنرها استفاده مي شود .
۳- فولادهاي Cr-Mo ارزان هستند و قابليت جوشكاري و انعطاف پذيري خوبي دارند. به همين جهت در مخازن تحت فشار ، قطعات هواپيما ، اكسل هاي اتومبيل و... كاربرد دارند.
۴- فولادهاي نيكل موليبدن داراي استحكام و انعطاف پذيري بالائي هستند و قابليت ماشينكاري خوبي دارند. همچنين داراي سختي خوب ،استحكام خستگي بالا و مقاومت سايش مي باشند. به همين جهت شفتها و بلبرينگها كاربرد دارند.
۵- فولادهاي Ni-Cr-Mo سختي پذيري خوب دارند .به همين جهت در صنايع هواپيما سازي براي قطعات مختلف آن كاربرد دارند.
فولادهاي منگنزدار
منگنز يكي از عناصر آلياژي است كه در اكثر فولادها به عنوان اكسيژن زدا استفاده مي شود .هم به طور مستقيم و هم به طور غير مستقيم اثر مفيدي در فولاد دارد .هنگامي كه درصد منگنز در فولاد ۰.۸% به بالا باشد فولاد منگنزي داريم .
اثر منگنز بر خواص فولاد
۱- با گوگرد ، آهن و كربن تشكيل پيوند مي دهد .
۲- تمايل به (Hot-shortness) راكاهش مش دهد .
hot-shrtness
هنگامي كه در فولاد منگنز وجود داشته باشد گوگرد با آهن واكنش مي دهد و FeS تشكيل مي دهد .در اين شرايط يك فيلم پيوسته در حين انجماد به دور كريستالها ايجاد مي شود .هنگامي كه فولاد براي شكل دهي يا نورد حرارت داده مي شود اين فيلم ذوب مي گردد و موجب مي شود تا در خلال شكل دهي در مرز دانه ها ترك ايجاد شود .اما MnS چون نقطه ذوب بالائي دارد از اين اتفاق جلوگيري مي كند.