سوپرآلیاژ یا ابر آلیاژ چیست: انواع، ساخت و کاربردها

ما بیش از ۱۰۰۰۰ سال است که از آلیاژهای فلزی استفاده می کنیم، از زمانی که قلع و مس با یکدیگر ترکیب شدند تا ماده جدید و بهتری به نام برنز را تشکیل دهند.
امروزه، تقریباً تمام فلزاتی که ما استفاده می کنیم نوعی آلیاژ هستند، زیرا آنها به تنهایی از عناصر تشکیل دهنده خود بسیار برتر هستند.
با ظهور توربین های گاز، مهندسان به موادی با خواص مکانیکی برتر و مقاومت در برابر دمای بالا نیاز داشتند، گروهی که در مجموع به عنوان سوپرآلیاژ نامیده می شود.
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستولوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.

سوپرآلیاژها چیست؟

سوپرآلیاژها گروهی از فلزات هستند که مقاومت در برابر فرم پذیری، اکسیداسیون و خوردگی بهتری نسبت به آلیاژهای سنتی دارند و در عین حال خواص مکانیکی عالی را حتی در دماهای بالا حفظ می کنند. به یک معنا، آنها به عنوان آلیاژهای با عملکرد بالا عمل می کنند.
سوپرآلیاژها که معمولاً در صنعت هوافضا برای قطعات موتورهای توربین گاز استفاده می‌شوند، از پایه‌ای از نیکل، کبالت یا آهن اسفاده می‌کنند تا خواص بسیار بهتری نسبت به آلیاژهای سنتی فولاد یا آلومینیوم ارائه دهند.
در حالی که اکثر آلیاژهای سنتی مبتنی بر آهن شروع به کاهش قابل توجهی در استحکام مواد در دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد می کنند (با آلیاژهای آلومینیوم حتی کمتر)، بسیاری از سوپرآلیاژها در واقع افزایش استحکام بین ۷۵۰ تا ۹۰۰ درجه را نشان می دهند.

 

چرا آنها مهم هستند؟

به ازای هر پوند، سوپرآلیاژها گرانتر از فولاد، آلومینیوم یا فولادهای ضد زنگ هستند. آنها همچنین برای کار کردن و قالب گیری به شکل دلخواه پیچیده تر هستند. بنابراین چرا آنها به طور گسترده در برنامه های کاربردی خاص استفاده می شوند؟

مقاومت در برابر شکل پذیری

خزش یک حالت شکست مواد است که به موجب آن یک جزء در سطح تنش بسیار کمتر از مقاومت کششی نهایی خود تغییر شکل می‌دهد.
هنگامی که برای اولین بار کشف شد، اطلاعات زیادی در مورد استحکام کششی نهایی، تنش/خمش و خستگی وجود داشت، اما به نظر می رسید این پدیده جدید متالورژی سنتی را به چالش می کشد.
پس از آزمایش و تجزیه و تحلیل قابل توجه، مشخص شد که یک تنش طولانی مدت (اگرچه نسبتاً خفیف) روی یک قطعه می‌تواند باعث ایجاد چیزی شود که به آن «جریان سرد» نیز می‌گویند – قطعه در کمتر از نصف UTS خود تغییر شکل پلاستیکی می‌دهد.
همچنین کشف شد که گرما از هر منبعی فرم پذیری را تسریع می کند. برای اجزای موتورهای جت، این یک مسئله بالقوه فاجعه بار است.
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستولوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.
سوپرآلیاژها قطعاتی مانند پره‌های توربین را قادر می‌سازند تا در نهایت نیروی مرکزگرا و گرما کار کنند و در عین حال استحکام و مهم‌تر از همه، شکل خود را حفظ می‌کنند.
قبل از استفاده از سوپرآلیاژها، آزمایش‌های طولانی‌مدت مواد غیرمقاوم در برابر شکل پذیری نتایج جالبی را به همراه داشت که پره‌های توربین در حین چرخش طولانی‌تر می‌شدند و باعث تداخل با بدنه موتور می‌شدند.

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 UTS مواد نیز افزایش می‌یابد و تنش‌های عملیاتی بالاتر یا جرم کمتری را ممکن می‌سازد. هر دو امتیاز 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.
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستولوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.
توربین‌های جت می‌توانند چنین سطوح بالایی از رانش را به دلیل فشرده‌سازی هوای ورودی و سوخت ایجاد کنند. هرچه تراکم بیشتر باشد، موتور می تواند قدرت بیشتری تولید کند. با افزایش فشار و سرعت احتراق، گرمای تولید شده نیز افزایش می یابد.
خوشبختانه، مقاومت سوپرآلیاژها در برابر گرما و نرمش فشارهای احتراق بالاتری را امکان پذیر کرده است و راندمان را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. چقدر؟ با بیش از ۷۶۰ میلیارد مایل هوایی مسافری در سال ۲۰۱۹، تنها در ایالات متحده، راندمان کوچک می تواند با صرفه جویی بزرگ در مصرف سوخت برابری کند.

 

چه چیزی آنها را منحصر به فرد می کند

سوپرآلیاژها به عنوان عجیب و غریب از اکثر فلزات دیگر جدا هستند و فقط برای کاربردهای بسیار خاص استفاده می شوند. اما واقعا چه چیزی آنها را خاص می کند؟
ساختار شبکه و سخت شدن ریزش
در سطح اتمی، عناصر تشکیل دهنده فلزات ساختارهای شبکه ای را تشکیل می دهند. این یعنی چی؟ اتم ها برخلاف پلاستیک ها در ردیف ها و شبکه های عمود بر هم قرار گرفته اند. تمایل طبیعی فلزات برای تشکیل ساختارهای شبکه ای هم مفید و هم مانعی است که به آنها استحکام می بخشد، اما فقط در سطوح خاصی.
آلیاژ کردن یک فلز (همراه با مزایای دیگر مانند مقاومت در برابر اکسیداسیون) به جامد شدن این ساختار شبکه کمک می کند و با مسدود کردن این صفحات لغزش ، نیروی مورد نیاز برای لغزش صفحات اتمی را افزایش می دهد.
سوپرآلیاژها، به ویژه سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل، یک قدم فراتر می روند. تشکیل یک ریزساختار تعادلی دو فازی بر نحوه چیدمان عناصر آلیاژی تأثیر می گذارد و از آنها در برابر چندین حالت مختلف خرابی محافظت می کند.
این روش برای سخت شدن مواد به سختی رسوبی معروف است و در بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم، فولاد ضد زنگ و نیکل استفاده می شود.
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستولوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.

نمونه هایی از سوپرآلیاژها

نیکل، آهن و کبالت دسته های اصلی سوپرآلیاژها هستند که در داخل هر کدام زیربخش های زیادی وجود دارد. بیایید نگاهی گذرا به چند مورد بیاندازیم :

سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل

هاستلوی Hastelloy

این آلیاژ ترکیبی از مولیبدن و کروم است که مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی ایجاد می کند و همچنین جوش پذیری و مقاومت خوبی در برابر اسید حفظ می کند.
انواع مختلفی از Hastelloy در دسترس است، از جمله C276، Hastelloy B، B-2هر گرید دارای ویژگی ها و سطوح عناصر آلیاژی کمی متفاوت است تا طیف وسیعی از کاربردها را در خود جای دهد.
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستولوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.

 

اینکونل Inconel

اینکونل گاهی اوقات به عنوان جایگزینی با دمای بالا برای فولاد ضد زنگ استفاده می شود. این فولاد ضد زنگ را با توانایی خود در مقاومت در برابر اسید و خوردگی تا دمای بسیار بالا بهبود می بخشد.
کروم فراوان ترین عنصر آلیاژی در اینکونل است.
اما مانند اکثر سوپرآلیاژها،
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستولوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.

 

خواص سوپرآلیاژها

کنترل دقیق بر عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی می‌تواند به متالورژیست‌ها در تعیین خواص یک ماده دقت کند. همین امر در مورد سوپرآلیاژها نیز صادق است، با هر زیرگروه اغلب تغییرات شگفت انگیزی در خواص مکانیکی یا شیمیایی دارند. ما فقط برخی از موارد کلی را پوشش می دهیم.
سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل
خواص مکانیکی/شیمیایی:
مقاومت حرارتی بالا
مقاومت در برابر خوردگی قوی
استحکام بالا
امر عملی :
ماشینکاری خوب
قابلیت جوشکاری در برخی موارد
حافظه شکل
انبساط حرارتی کم
سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت
خواص مکانیکی/شیمیایی
مقاومت حرارتی برتر نسبت به آلیاژهای مبتنی بر نیکل
مقاومت در برابر خوردگی گرم بالاتر در مقایسه با آلیاژهای نیکل و آهن
مقاومت در برابر خستگی حرارتی بیشتر در دماهای بالا
امر عملی
جوش پذیری بهتر
ماشینکاری ضعیف در برخی از آلیاژها
سوپرآلیاژهای مبتنی بر آهن
خواص مکانیکی/شیمیایی
استحکام پایین در دماهای بالا در مقایسه با آلیاژهای مبتنی بر نیکل
مقاومت در برابر سایش عالی در مقایسه با نیکل
مقاومت در برابر فرم پذیری خوب
امر عملی
به طور کلی جوش پذیری بهتر
ماشینکاری خوب
ترکیب سوپرآلیاژها

سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل

Hastelloy یک سوپرآلیاژ نیکل که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد، بسته به کاربرد لازم، دارای تغییرات زیادی در ترکیب شیمیایی است.
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستولوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.
دارای ترکیبات زیر است :Hastelloy C22
۵۶ درصد نیکل
۲۲ درصد کروم
۱۳ درصد مولیبدن
سایر موارد: مقادیر کمتر آهن، تنگستن و کبالت
حاوی نیکل بیشتر و مولیبدن کمتر دارای ترکیبات زیر است :Inconel 625 با یک Inconel
۵۸-۷۱ درصد نیکل
۲۱-۲۳٪ کروم
۸-۱۰٪ مولیبدن
آهن ۵ درصد
سایر موارد: مقادیر کمتر نیوبیم، کبالت و منگنز
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستولوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.

 

سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت

سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت معمولاً از کبالت و کروم تشکیل شده‌اند. X-40یک آلیاژ بر پایه کبالت غیر آهنی عمدتاً به دلیل مقاومت عالی در برابر فرم پذیری استفاده می شود.
یک ترکیب معمولی آلیاژ عبارت اند از : X-40
۵۴ درصد کبالت
۲۴ درصد کروم
۱۰ درصد نیکل
۷.۵ درصد تنگستن
۰.۵ درصد کربن

سوپرآلیاژهای مبتنی بر آهن

A-286 یک سوپرآلیاژ مبتنی بر آهن است که اغلب مورد استفاده قرار می گیرد. می توان آن را تکامل یافته فولاد ضد زنگ دانست که مقاومت معمول در برابر خوردگی را تنها تا حداکثر ۷۰۰ درجه سانتیگراد ارائه می دهد.
تمام فولادهای زنگ نزن است که عمدتاً از آهن و کروم تشکیل شده است. اینها دیگر عناصر موجود هستند.
A286مانند
۵۳ درصد آهن
۲۶ درصد نیکل
۱۵ درصد کروم
۷.۵ درصد تنگستن
۲.۱۵ درصد آلومینیوم
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستلوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.

 

فرآوری سوپرآلیاژها

برای ایجاد این مواد چند فازی جدید، باید تغییرات زیادی در فرآیندهای معمولی ساخت فولاد و آلیاژ ایجاد شود. علاوه بر پردازش جدید، کنترل دقیق تر بر پارامترهای فرآیند ضروری بود.
سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل معمولاً به شکل قابل استفاده ریخته می شوند. تعداد محدودی از کاربردها وجود دارد که به صورت سرد از شکل های شمش تشکیل می شوند، اما این موارد معمولاً خواص مواد کمتری را در فرآیند ریخته گری ارائه می دهند.

ریخته گری جامد مستقیم (DS)

این نوع ریخته گری که در دهه ۱۹۶۰ توسعه یافت، به طور چشمگیری با ریخته گری سنتی آلومینیوم یا آهن متفاوت است.
در مرحله اول، ریختن در داخل یک کوره تکمیل می شود و اجازه می دهد دما را از نزدیک کنترل کنید. سپس قالب ها مطابق با مشخصات مواد و ملزومات مورد نیاز به آرامی از حرارت بالا خارج می شوند.
قالب های جامد جهت دار به گونه ای طراحی شده اند که یک وجه داخلی را به طور قابل توجهی سردتر از بقیه قرار دهند. این کار با استفاده از مبدل های حرارتی خنک شده با آب انجام می شود.
هدف از این فرآیند پیچیده کنترل این است که دانه ها از کجا و در چه جهتی تشکیل می شوند. سطح سرد شده قالب که معمولا قسمت پایینی است باعث سرد شدن کل قسمت از پایین به بالا می شود.
توانایی کنترل جهت مرزهای دانه به مهندسان و متالوژیست ها اجازه می دهد تا قطعاتی را بسازند که در جهات خاصی بسیار قوی هستند. این یک ابزار بسیار مفید در صنعت هوافضا در هنگام ساخت اجزای موتورهای توربین جت است.
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستلوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.

ریخته گری تک کریستال (SC)

در ادامه مزایای ریخته‌گری DCریخته‌گری تک کریستال فرآیند را با پیچیدگی‌های بیشتری رصد می‌کند و در نتیجه تقریباً ۹۵ درصد از قطعه از یک کریستال فلزی منفرد تشکیل می‌شود.
تمام مشکلات ناشی از مرز دانه ها از جمله شکل پذیری، کاویتاسیون و آخال ها از این طریق حذف می شوند. یکی از بزرگترین مزایایی که این امر به ارمغان می آورد، افزایش بسیار زیاد مقاومت در برابر خزش است.
ریخته گری SC با استفاده از قالب های پیچیده تر از ریخته گری DC انجام می شود. علاوه بر صفحه خنک‌شده با آب، قالب‌ها دارای یک سری خمیدگی هستند که هدف از آن کاهش میزان تشکیل ساختار کریستالی است.
اهمیت کنترل دما در اینجا قابل دست کم گرفتن نیست. حتی یک بی نظمی جزئی در دمای دیواره قالب می تواند محل های کریستالیزه شدن زیادی را ایجاد کند و بلافاصله کل ریختن را خراب کند.
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستلوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.
آنها برای چه مواردی مناسبند؟
صنایع
استفاده از سوپرآلیاژها گسترده است. در حالی که خود مواد اغلب در مقادیر نسبتاً کمی استفاده می شوند، می توانند پیشرفت های زیادی در کارایی و استحکام یک جزء داشته باشند.
هوافضا
تولید برق هسته ای
پردازش شیمیایی
عملیات حرارتی
خودرو
پزشکی
برنامه های کاربردی
احتمالاً شناخته شده ترین و مستندترین استفاده از سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل در موتورهای توربین است. استحکام دمایی بالا و مقاومت در برابر تغییر شکل این ماده، صنعت هوافضا را متحول کرده است و دستاوردهای راندمان 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. اینها شامل توربین های توربوشارژر خودرو، توربین های بخار نیروگاهی و غیره است.
سوپرآلیاژها در اجزای استاتیک نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند و بسیاری از سیستم‌های پردازش از استحکام و مقاومت بالای خود در برابر خوردگی برای شیرها، مخازن، پیچ‌ها و کانال‌ها استفاده می‌کنند. این محیط ها اغلب مکان هایی هستند که به طور سنتی از فولاد ضد زنگ استفاده می شود.
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستلوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.
سوپرآلیاژها در آینده
با تثبیت شهرت خود در صنعت هوانوردی، گام منطقی بعدی برای استفاده از سوپرآلیاژ در سفرهای فضایی است.
با بسیاری از چالش‌های مشابهی که پرواز زیر استراتوسفری با آن مواجه است، یعنی کاهش وزن/بازده، تغییرات دمایی بالا و تنش بالا، موتورهای مورد استفاده در فضا از اجرای سوپرآلیاژها سود می‌برند.
توانایی کاهش وزن از طریق مواد قوی تر بسیار مهم است. ما قبلاً با ساخت تقریباً هر وسیله پرتاب فضایی از دهه ۱۹۶۰ شاهد این بوده ایم.
جهت مشاوره و خرید انواع مقاطع مونل، نیکل، اینکونل، تیتانیوم، هستلوی و سایر سوپر آلیاژها می توانید با کارشناسان ورق فنری بهلر در تماس باشید.