معرفي تكنولوژي سوپرآلياژ و ميزان كاربرد آن در جهان و ايران - √دنیـــــــای متـــــــــــالورژی فقـــــــط از ایـــــــنجا
به "با سابقه ترين و محبوب ترين وبلاگ متالورژي در ايران" خوش آمديد

معرفي تكنولوژي سوپرآلياژ و ميزان كاربرد آن در جهان و ايران

معرفي وكاربردها

سوپرآلياژها در واقع آلياژهايي مقاوم در برابر حرارت، خوردگي و اكسيداسيون مي­باشند كه به لحاظ تركيب شيميايي شامل سه گروه پايه نيكل، نيكل-آهن و پايه كبالت مي­باشند. اولين استفاده از سوپرآلياژها در ساخت توربين­هاي گازي، طرح­هاي تبديل ذغال‌سنگ، صنايع شيميايي و صنايعي كه نياز به مقاومت حرارتي و خوردگي داشته­اند بوده است.

امروزه تناژ وسيعي از قطعات مصرفي در توربين­هاي گازي از جنس سوپرآلياژها مي­باشند. در ذيل به بعضي از مصارف اين قطعات اشاره شده است:

- توربين­هاي گازي هواپيما

- توربين­هاي بخار نيروگاه‌هاي توليد برق

- ساخت قالب‌هاي ريخته­گري و ابزارهاي گرمكار

- مصارف پزشكي و دندانپزشكي

- فضاپيماها

- تجهيزات عمليات حرارتي

- سيستم­هاي نوتروني و هسته­اي

- سيستم­هاي شيميايي و پتروشيمي

- تجهيزات كنترل آلودگي

- تجهيزات و كوره­هاي نورد فلزات

- مبدل­هاي حرارتي تبديل ذغال سنگ

به منظور انتخاب سوپرآلياژها جهت مصرف در كاربردهاي فوق لازم است خواص فني نظير شكل­پذيري، استحكام، مقاومت خزشي، استحكام خستگي و پايداري سطحي در نظر گرفته شوند.
تقسيم‌بندي سوپرآلياژها برحسب روش توليد

با توجه به نحوة توليد مي­توان سوپرآلياژها را به چهار گروه كلي تقسيم‌بندي نمود كه عبارتنداز:

1) سوپرآلياژهاي كارپذير

سوپرآلياژهاي كارپذير در حقيقت گروهي از سوپر آلياژها هستند كه قابليت كار مكانيكي دارند و از روش­هاي مكانيكي مي­توان به آنها شكل­داد. به منظور توليد مقاطع معيني ازسوپرآلياژهاي كارپذير، اولين گام آن است كه شمش­هاي سوپرآلياژها به دليل حضور عناصر فعال(عناصري كه سريع در مجاورت هوا اكسيد مي­شوند) در شرايط خاصي تهيه شوند. فرايندهاي ذوب در خلاءدر مورد تهيه سوپرآلياژهاي پايه نيكل و پايه آهن جزء ضروريات مي­باشد. اما در مورد سوپرآلياژهاي پايه كبالت امكان ذوب در هوا وجود دارد.

 پس از تهيه شمش­ آلياژهاي كارپذير به يكي از روش‌هاي فوق عمليات شكل­دهي صورت مي­گيرد. عمليات شكل­دهي سوپرآلياژها نيز مي­تواند توسط عمليات متداول كليه آلياژهاي فلزي انجام پذيرد. سوپرآلياژهاي پايه آهن، كبالت و نيكل را مي­توان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سيم و اشكال ديگر توسط فرايندهاي نورد، اكستروژن و آهنگري توليد نمود. معمولاً عمليات شكل­دهي در دماي بالا صورت مي­گيرد و تعداد كمي از سوپرآلياژها را مي­توان به صورت سرد شكل‌دهي نمود. ساختارهاي يكنواخت و ريزدانه­اي كه از شكل‌دهي سرد حاصل مي­شود نسبت به ساختارهاي شكل­دادن گرم ارجحيت دارند.

عمليات ترموديناميكي بر روي سوپرآلياژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتي­گراد انجام مي­شود كه به اين ترتيب در حين شكل دادن عمليات حرارتي نيز صورت مي­گيرد.

2) سوپرآلياژهاي متالورژي پودر

بسياري از انواع آلياژهاي كارپذير از طريق فرايندهاي متالورژي پودر توليد مي­گردند. امروزه قطعات متالورژي پودر از جنس سوپرآلياژ با دانسيته كامل از طريق روش‌هاي اكستروژن يا پرسكاري ايزواستاتيك گرم (HIP) توليد مي­گردند. مهمترين اين قطعات قيچي­ها و سوزنهاي جراحي مي­باشند.

فرايندهاي متالورژي پودر به‌دليل داشتن مزاياي زير بر فرايندهاي ريخته­گري ترجيح داده مي­شوند هر چند كه معايبي را نيز به همراه خواهند داشت:

- يكنواختي در تركيب شيميايي و ساختار كريستالي

- ريز بودن اندازه دانه­هاي كريستالي

- كاهش جدايش­ها

- راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد

اما مشكلاتي نظير حضور گاز باقيمانده، آلودگي كربني و آخال‌هاي سراميكي باعث مي­گردد كه در برخي موارد نيز فرايندهاي شمش‌ريزي و ترمومكانيكي متداول صورت پذيرند.

3) سوپرآلياژهاي پلي‌كريستال ريختگي

 وجود محدوديت‌هاي تكنولوژيكي سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلياژ مي‌گردد و بنابراين با پيدايش فرايندهاي جديد توليد، اين صنعت نيز روز به روز توسعه مي­يابد.

تعداد زيادي از فرايندها را مي­توان در توليد قطعات سوپرآلياژ با اندازه نزديك به قطعة نهايي مورد استفاده قرار داد اما اساساً اين قطعات توسط فرايند ريخته­گري دقيق توليد مي­گردند.

محدوده تركيب شيميايي سوپرآلياژهاي ريختگي بسيار گسترده­تر از سوپرآلياژهاي كارپذير بوده و بنابراين خواص متنوع­تري نيز از اين طريق قابل حصول خواهند بود هر چند كه انعطاف‌پذيري و مقاومت به خستگي در فرآيندهاي كار مكانيكي بهتر از ريخته­گري خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآيندهاي جديد ريخته­گري و انجام عمليات حرارتي متعاقب، خواص سوپرآلياژهاي ريختگي نيز افزايش يافته است.

4) سوپرآلياژهاي تك­كريستالي انجماد جهت­دار

به‌منظور توسعه توربين­هاي گازي مصرفي در هواپيماها و افزايش دماهاي كاري و كارآيي موتورها، به‌طور مداوم روش­هاي توليد سوپرآلياژها در حال بهبود است.

قسمت‌هاي بحراني توربين­ها معمولاً شامل پره­هاي تحت فشار بالا، هواكش­ها و ديسك­ها مي­باشند. در طول 15 سال گذشته تحقيقات بسياري در زمينه افزايش راندمان توربين­ها صورت گرفته است و عمده اين تحقيقات بر امكان افزايش دماي ورودي، فشاركاري و كاهش هزينه­هاي توليد استوار بوده است. توسعه فرايند انجماد جهت­دار به‌منظور توليد تك‌كريستالي‌هاي ريختگي سبب شده تا بتوان از اين طريق پره­هاي توربين را با دانه­هاي جهت­دار در راستاي اعمال تنش توليد نمود و به اين ترتيب علاوه بر خواص پايدار حرارتي، استحكام خستگي، استحكام خزشي و انعطاف‌پذيري نيز افزايش يابند.
با توسعه اين تكنولوژي، امروزه در توربين­هاي مصرفي در نيروگاه‌هاي برق نيز از قطعات تك‌كريستال از جنس سوپرآلياژها استفاده به‌عمل مي­آيد.

در سال­هاي اخير شركت هواپيمايي PWA يكي از پيشگامان توليد سوپرآلياژها مي‌باشد و توليد آلياژهاي PWA 1480 به صورت تك‌كريستال توسط اين شركت، سبب افزايش عمركاري هواپيماي جنگي F-100 گرديده است.

تقسيم‌بندي سوپرآلياژها برحسب تركيب شيميايي

به طور كلي اين آلياژها شامل سه گروه پايه نيكل، پايه آهن و پايه كبالت مي­باشند كه بسته به درجه حرارت كاربردي مورد استفاده قرار مي­گيرند

1) سوپرآلياژهاي پايه نيكل

امروزه آلياژهاي نيكل در حالت‌هاي "تك‌فازي"، "رسوب سختي شده" و "مستحكم‌شده توسط رسوبات اسيدي و كامپوزيت­ها" در مصارف صنعتي مختلف مورد استفاده قرار مي­گيرند.
سوپرآلياژ­هاي پايه نيكل پيچيده­ترين تركيباتي مي­باشند كه در قطعات دماي بالا به كار مي­روند. در حال حاضر 50 درصد وزن موتورهاي هواپيماهاي پيشرفته از جنس اين آلياژها مي­باشد. خصوصيات اصلي آلياژهاي نيكل، پايداري حرارتي و قابليت مستحكم شدن مي­باشد.

بسياري از اين آلياژها حاوي 10 الي 20 درصد كرم، حداكثر 8 درصد آلومينيوم و تيتانيم، 5 تا 15 درصد كبالت و مقادير كمي موليبدن، نيوبيم و تنگستن مي­باشند.

دو گروه اصلي از آلياژهاي آهن- نيكل كه ميزان نيكل آنها بيشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهIncoloy 706 و Inconel 718 مي­باشند.

اين آلياژها معمولاً حاوي 3 تا 5 درصد نيوبيم مي­باشند و در رديف آلياژهاي پايه نيكل قرار مي­گيرند. آلياژهاي پايه نيكل معمولاً تا دماي 650 درجه سانتي­گراد استحكام خود را حفظ مي­كنند. اما در دماهاي بالاتر به سرعت استحكام خود را از دست مي­دهند.

2) سوپرآلياژهاي پايه آهن

سوپرآلياژهاي پايه آهن نشات گرفته از فولادهاي زنگ نزن آستينتي مي­باشند كه داراي زمينه­اي از محلول جامد آهن و نيكل بوده و براي پايداري زمينه نياز به حداقل 25 درصد نيكل است.

- گروه‌هاي متعددي از اين آلياژها تاكنون مشخص گرديده­اند كه هر يك با مكانيزم­هاي خاصي مستحكم مي­­شوند. برخي از اين آلياژها نظير 57-V و 286-A حاوي 25 تا 35 درصد وزني نيكل مي­باشند و استحكامشان به دليل حضور آلومينيوم و تيتانيم مي‌باشد.

- گروه دوم آلياژهاي پايه آهن كه آلياژهايX750 و Incoloy901 نمونه­هاي آن مي­باشند، حداقل 40 درصد وزني نيكل داشته و همانند گروه­هاي با نيكل بالاتر استحكام بخشي توسط سختي رسوبي صورت مي­گيرد.

- گروه ديگر اين آلياژها بر پايه آهن- نيكل- كبالت مي­باشند و استحكام اين گروه در محدوده 650 درجه سانتي­گراد مناسب بوده و ضريب انبساط حرارتي آنها پايين مي­باشد. اين آلياژها شامل Incoloy با شماره­هاي 903، 907، 909، 1-1- PyrometCTX و 3-PyrometCTX و غيره مي­باشند.

 3) سوپرآلياژهاي پايه كبالت

سوپرآلياژهاي كارپذير پايه كبالت برخلاف ساير سوپرآلياژها مكانيزم استحكام بخشي متقاوتي دارند و خواص حرارتي خوبي در دماي حدود 1000 درجه سانتي­گراد خواهند داشت.

سوپرآلياژهاي پايه كبالت حاوي كرم، مقاومت به خوردگي و اكسيداسيون خوبي داشته و هم چنين قابليت جوشكاري و مقاومت به خستگي حرارتي آنها نسبت به آلياژهاي پايه نيكل بالاتر مي­باشد. از طرف ديگر امكان ذوب و ريخته­گري اين آلياژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزيت ديگري نسبت به ساير سوپرآلياژها كه نياز به خلاء دارند مي­باشد.

سه گروه اصلي آلياژهاي پايه كبالت را مي­توان به صورت ذيل در نظر گرفت:

- آلياژهايي كه در دماهاي بالا در محدودة 650 تا 1150 درجه سانتي­گراد مورد استفاده قرار مي­گيرند كه شامل آلياژهايS-816، 25HAYNES، 188 25HAYNES، 55625HAYNES، 50UMCO مي­باشند.

- آلياژهايي كه تا حدود 650 درجه سانتي­گراد به كار مي­روند نظيرTN3MP، 159 MP
- آلياژ مقاوم به سايش
B 6 Stellite

آلياژ 2525HAYNES بيشترين كاربرد را در ميان آلياژهاي كارپذير پايه كبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمكار نظير توربين­هاي گازي، اجزاء راكتورهاي هسته­اي، ايمپلنت‌هاي جراحي و غيره مورد استفاده قرار گرفته­اند. آلياژهاي گروه پايه كبالت كه شامل كرم- تنگستن- كربن مي­باشند معروف به آلياژهاي Satellite بوده كه به شدت مقاوم به سايش مي­باشند.

اين گروه معمولاً در مواردي كه مقاومت سايشي در درجه حرارت‌هاي بالا مورد نياز باشد به كار مي­روند. در واقع سختي اين مواد در دماي بالا حفظ شده و در مواقعي كه نمي­توان در حين كار روغنكاري انجام داد به خوبي مورد استفاده قرار مي­گيرند.

 بازار سوپرآلياژها

شايد بتوان گسترش بازار سوپرآلياژها را در دنيا مربوط به صنايع هوا _ فضا در نظر گرفت كه با توجه به رشد روزافزون اين صنعت و قطعات يدكي آن در سطح جهان پيش بيني مي­گردد كه تنها بازار قطعات يدكي هواپيماها بالغ بر 4،5 ميليارد دلار باشد، بررسي­ها حاكي از آنست كه تا سال 2015 تعداد 16000 فروند هواپيماي جديد با موتورهاي توربين گازي وارد بازار مي­شوند كه نيمي از وزن اين موتورها از جنس سوپر آلياژ خواهدبود .

بر اساس آمارهاي تخميني موجود در ايران، سوپرآلياژها سالانه به ميزان 80 ميليون دلار در سه وزارت­خانة نفت، نيرو و دفاع مورد استفاده قرار مي­گيرند.

گرداورنده  :  میثم نصیری



ارسال توسط محسن حیدری
آخرين مطالب
کارت اعتباری ویزا

کتاب کسب درآمد از اینترنت در ۷ روز

آدرس مجازی خارجی برای گوگل ادسنس