سوپرآلیاژها، آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت با پایه‌های نیکل، آهن و یا کبالت هستند که غالبا در دماهای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کنند. سوپرآلیاژها تلفیقی از خواصی چون استحکام، مقاومت خزشی و خستگی و مقاومت به خوردگی و همچنین توانایی کار در دماهای بالا را برای زمان‌های طولانی دارند. اگر به کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با این آلیاژها علاقه مندید، ما در این مقاله به بررسی سوپر آلیاژهای پایه نیکل می‌پردازیم.
کاربرد سوپر آلیاژهای پایه نیکل
از سوپرآلیاژهای پایه نیکل در قسمت‌های داغ موتورهای توربین جت همچون پره‌ها و محفظه‌های احتراق، موتور موشک‌ها، توربین‌های نیروگاه‌های تولید برق و تجهیزات عملیات حرارتی استفاده میشود. علت این موضوع آن است که این دسته از مواد، ازخواص حفظ استحکام و مقاومت به اکسایش و خوردگی در دماهای بالا برخوردار هستند.
خواص سوپرآلیاژهای پایه نیکل
از جمله خواص سوپر آلیاژهای پایه نیکل می‌توان به خاصیت ایجاد مقاومت خزشی در دماهای بالا اشاره نمود. مقاومت خزشی عبارت است از قدرت فلز برای تحمل فشاری که در دوره زمانی و یا شرایط خاص موجب گسیختگی ساختار فلز میشود.
عواملی که باعث ایجاد مقاومت خزشی سوپرآلیاژهای پایه نیکل در دمای بالا می‌شوند عبارت‌اند از:
- بالاتر بودن نقطه ذوب فلز: هرچه نقطه ذوب فلز و عناصر آلیاژی موجود در آن بیشتر باشد، دیرگدازی آلیاژ بیشتر خواهد بود.
- کم بودن انرژی نقص چیدمان: هرچه انرژی نقص چیدمان پایین‌تر باشد، لغزش متقاطع نابجایی‌های جزئی سخت شده که منجر به افزایش مقاومت خزشی خواهد شد.
- ایجاد محلول جامد با افزودن عناصر آلیاژی باعث افزایش استحکام خزشی می‌گردد.
- توزیع ذرات رسوبی ریز با افزودن عناصر Al و Ti
همانطور که در بخش کاربردها به آن اشاره شد از جمله دیگر خواص بارز و کلیدی این دسته از مواد می‌توان به مقاومت به اکسایش و خوردگی و همچنین حفظ استحکام در دمای بالا اشاره نمود.
یکی از انواع آلیاژها که از ویزه‌ای برخوردارند آلیاژهای حافظه دار هستند.
تاثیر عناصر آلیاژی برروی سوپرآلیاژهای پایه نیکل
هر کدام از عناصر آلیاژی به نوبه خود می‌توانند تاثیر متفاوتی بر روی سوپر آلیاژهای نیکل داشته باشد. در ادامه به تاثیر بعضی از این عناصر بر روی این آلیاژها اشاره شده است.
در مقاله تاثیر عناصر آلیاژی بر روی فولاد، تاثیر هر کدام از این عناصر بر روی فولاد بررسی شده است.
آلومینیوم: یکی از عناصر اصلی تشکیل دهنده ترکیب بین فلزی گاماپریم است که سبب افزایش مقاومت به اکسایش آلیاژ نیز میشود. آلومینیوم در صورت باقی ماندن در زمینه، می‌تواند زمینه را توسط مکانیزم استحکام بخشی محلول جامد مقاوم نماید.
کرم: این عنصر باعث افزایش مقاومت به خوردگی داغ و همچنین اکسایش می‌گردد. همچنین این عنصر کاربیدزای قوی می‌باشد که استحکام ماده را در دمای بالا افزایش می‌دهد. قابل ذکر است عنصر کرم با تشکیل محلول جامد می‌تواند، استحکام زمینه را نیز افزایش دهد.
کربن: عنصر اصلی تشکیل کاربیدهاست. کربن نقش بسزایی در استحکام بخشی کششی و خزشی دارد و افزایش این عنصر سبب کاهش مقاومت به خوردگی و اکسایش خواهد شد.
کبالت:عنصر کبالت می‌تواند سه تاثیر بر روی این آلیاژها داشته باشد
الف) به دلیل اندازه اتمی یکسان با نیکل، به مقدار زیاد در نیکل حل میشود و یکی از عناصر مهم مقاوم کننده زمینه ϒ محسوب می شود.
ب) کبالت سبب کاهش حلالیت Ti و Al در زمینه می شود؛ در نتیجه دمای حلالیت کامل فاز گاما پریم را افزایش داده و در حفظ استحکام این آلیاژ در دمای بالا موثر است.
ج) این عنصر سبب پایین اوردن انرژی نقص انباشتگی در سوپرآلیاژها شده و سبب سخت شدن لغزش متقاطع میشود.
عناصر تانتالیم، نیوبیوم، تنگستن و مولیبدن با افزایش استحکام آلیاژ در دمای بالا و کاربیدزا بودن بکار می‌روند. این عناصر به میزان محدودی در فاز گاماپریم حل شده و سبب تغییر ثابت شبکه گاما پریم میشود.
تیتانیم: یکی از عناصر تشکیل دهنده گاماپریم و کاربیدساز قوی است و مقاومت به اکسایش سوپرآلیاژهای پایه نیکل را افزایش خواهد داد.
از جمله فولادهایی که درصد تیتانیوم بالایی دارند می‌توان به فولادهای تندبر اشاره نمود.
عناصر تانتالیم، نیوبیوم، تنگستن و مولیبدن با افزایش استحکام آلیاژ در دمای بالا و کاربیدزا بودن بکار می‌روند. این عناصر به میزان محدودی در فاز گاماپریم حل شده و سبب تغییر ثابت شبکه گاما پریم میشود. فاز زمینه نیکل آستنیت است که دارای شبکه FCC می‌باشد. فاز توسط عناصر کبالت، آهن، کرم، مولیبدن، تنگستن، وانادیم، تیتانیم و آلومینیوم استحکام پیدا می‌کند. به دلیل بزرگتر‌بودن اندازه اتمی تنگستن و مولیبدن نسبت به فاز زمینه، افزایش استحکام با شیب بیشتری صورت می‌گیرد.
عملیات حرارتی سوپر آلیاژهای پایه نیکل
نیکل و آلیاژهای نیکل، از برخی جهات، نسبت به بسیاری از آلیاژهای پایه آهن که برای دستیابی به خواص مطلوب به تغییرات ریزساختاری مرتبط با کربن وابسته هستند، عملیات حرارتی آسان‌تری دارند. نیکل ساختار آستنیتی دارد و در آلیاژهای نیکل هیچگونه تغییرات آلوتروپیک رخ نمی‌دهد و ساختار همواره در تمامی دماها آستنیتی است. در حالی که ممکن است برخی رسوبات مانند کاربیدها و فاز سخت شده گاماپریم تشکیل شود اما همچنان فاز زمینه آستنیتی خواهد بود.
چون نیکل در طبیعت به صورت کانی‌های سولفید نیکل و اکسید نیکل یافت خواهد شد. به همین دلیل به صورت طبیعی میل به ترکیب شدن با گوگرد و اکسیژن را دارد. یکی از مهم‌ترین عواملی که در عملیات حرارتی نیکل یا آلیاژهای نیکل باید در نظر گرفته شود، به حداقل رساندن قرار گرفتن در معرض گوگرد، چه به صورت جامد است. هنگامی که شکنندگی توسط گوگرد رخ می‌دهد، هیچ تکنیکی وجود ندارد که بتوان از آن برای بازیابی مواد آسیب دیده استفاده نمود.
جهت مطالعه بیشتر در رابطه با آلیاژها، می‌توانید مقاله آلیاژ چیست را مطالعه نمایید.
به دلیل اینکه نیکل قابلیت حل پذیری بسیار کمی نسبت به کربن در حالت جامد دارد به راحتی کربوره نمی‌شود به همین دلیل آلیاژهای نیکل-کروم به خصوص اینکونل ۶۰۰ به عنوان فیکسچر در کوره‌های کربوراسیون به کار می‌روند. تقریباً تمام روش‌های عملیات حرارتی مورد استفاده با نیکل و آلیاژهای نیکل یا برای نرم کردن آن‌ها، مانند آنیل کردن، یا برای افزایش استحکام آن‌ها، مانند پیرسختی استفاده می‌شوند.
