سوپرآلیاژها آلیاژهای پیچیده و با کارایی بالا هستند که تحمل بالایی در محیط های اکسید کننده و دماهای بالا دارند. آنها معمولاً بر اساس عنصر ماتریس غالب خود طبقه بندی می شوند. نیکل، کبالت یا آهن، و حاوی عناصر آلیاژی متعددی از جمله فلزات نسوز (Nb، Mo، W، Ta)، کروم و تیتانیوم. بالا نشان می دهند قدرت مکانیکی، مقاومت در برابر خزش و مقاومت در برابر خوردگی، به ویژه در دماهای بالا [1]. این ویژگی‌ها تولید آنها را چالش‌برانگیزتر و پرهزینه‌تر از سایر آلیاژها می‌کند، اما برای آنها نیز حیاتی است اجزای سازنده در صنایعی مانند هوافضا.

در اینجا، با این موارد آشنا خواهید شد:

• خواص سوپرآلیاژها
• نمونه هایی از سوپرآلیاژهای رایج
• ترکیب سوپرآلیاژها
• پردازش سوپرآلیاژها
• روندهای آینده سوپرآلیاژها

خواص سوپرآلیاژها

سوپرآلیاژها برای کاربرد در دمای بالا در نظر گرفته شده اند، به این معنی که باید شکل خود را در دماهای بالا نزدیک به نقطه ذوب خود (بالای 650 درجه سانتیگراد یا 1200 درجه فارنهایت) حفظ کنند. هنگامی که با عناصر خاصی آلیاژ می شوند، در دماهای شدید، سوپرآلیاژها می توانند استحکام، پایداری و مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون را حفظ کنند. [2].

سوپرآلیاژها به سه دسته اصلی طبقه بندی می شوند [1, 4, 5]:

سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل

سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت

• نقطه ذوب بالاتر در مقایسه با آلیاژهای مبتنی بر نیکل یا آهن
• مقاومت بالا در برابر خوردگی گرم در مقایسه با آلیاژهای مبتنی بر نیکل یا آهن
• مقاومت در برابر خستگی حرارتی و جوش پذیری بالاتر در مقایسه با آلیاژهای مبتنی بر نیکل

سوپرآلیاژهای مبتنی بر آهن

• استحکام بالا در دمای اتاق
• مقاومت بالا در برابر خزش، اکسیداسیون، خوردگی و سایش

از میان این سه دسته، آلیاژهای مبتنی بر نیکل، وسیع ترین کاربرد را دارند، به ویژه در صنعت هوافضا. املاح ضروری در آلیاژهای مبتنی بر نیکل هستند آلومینیوم (ال) و تیتانیوم، با غلظت کمتر از 10 وزنی. ٪. این اجازه می دهد تا یک ریزساختار تعادل دو فازی ایجاد شود که شامل فازهایی است که به عنوان گاما (γ) و گاما-اصل (γ’) شناخته می شوند. ماتریس سوپرآلیاژها از فاز γ تشکیل شده است، در حالی که سخت شدن اولیه آنها نتیجه فاز γ’ است. استحکام در دمای بالا و همچنین سایر خواص مکانیکی سوپرآلیاژها نیز نتیجه حضور فاز γ’ است. [6].

نمونه هایی از سوپرآلیاژها

خواص دمای بالا سوپرآلیاژها با آلیاژ کردن عنصر ماتریس (Ni، Co یا Fe) با عناصر مختلف دیگر مانند کروم (Cr)، تیتانیوم (Ti)، آلومینیوم (Al)، بور (B) و آهن ( Fe). در برخی موارد، فلزات نسوز مانند مولیبدن (Mo)، کبالت (Co)، نیوبیم (Nb)، زیرکونیوم (Zr) و غیره اضافه می‌شوند. ترکیب برخی از رایج ترین سوپرآلیاژها در جدول زیر ارائه شده است [7].

آلیاژ	Fe	نی	شرکت	Cr	V	Nb	تا	مو	دبلیو	Re	Zr	ال	Ti	ب	سی	هف
آلیاژهای مبتنی بر نیکل
IN-718	19	53	—	19	—	5.2	—	3	—	—	—	6.6	0.8	0.006	0.05	—
Mar-M 247	—	62	10	8.2	—	—	3	0.6	10	—	0.09	5.5	1.4	0.001	0.006	—
Udimet-700	—	53	19	15	—	—	—	5.2	—	—	—	4.3	3.5	0.03	0.08	—
CM SX-2	—	66	4.6	8	—	—	5.8	0.6	7.9	—	—	5.6	0.9	—	0.005	—
در سال 713	—	74	—	12	—	2	—	4.2	—	—	0.1	6.1	0.8	0.012	0.12	—
PWA 1480	—	63	5	10	—	—	12	—	4	—	—	5	1.5	—	—	—
واسپالوی	—	58	13	19	—	—	—	4.3	—	—	0.06	1.3	3	0.006	0.08	—
N-4	—	63	7.5	9.2	—	0.5	4	1	6	—	—	3.77	4.25	—	0.005	—
رنه 150	—	58	12	5	3	—	6	1	5	2.2	0.03	5.5	—	0.0015	0.06	1.5
آلیاژهای مبتنی بر کبالت
HS-188	3	22	39	22	—	—	—	—	14	—	—	—	—	—	0.1	—
X-40	—	10	54	25	—	—	—	—	7.5	—	—	—	—	—	0.5	—
آلیاژهای مبتنی بر آهن
A-286	53	26	—	15	0.2	—	—	1.25	—	—	—	0.2	2.15	—	0.05	—
N-155	30	20	20	21	—	1	—	3	2.5	—	—	—	—	—	—	—
CG-27	38	38	—	13	—	0.6	—	5.5	—	—	—	1.5	2.5	0.01	0.05	—

فرآوری سوپرآلیاژها

سوپرآلیاژها معمولاً از طریق دو روش جداگانه پردازش می شوند. ریخته گری و متالورژی پودر [8].

ریخته گری سرمایه گذاری

همچنین به عنوان شناخته شده است ریخته گری موم گم شدهاین فرآیند از مدل‌های مومی یا کپی برای ایجاد پوششی برای فلزات مذاب استفاده می‌کند و عمدتاً برای اشکال پیچیده استفاده می‌شود. این اولین روشی بود که تکنیک‌های نورد سرد پیشین را بهبود بخشید.

ذوب القایی خلاء (VIM)

این یک روش استاندارد ذوب است که در آن مواد فلزی خام با استفاده از جریان الکتریکی در خلاء ذوب می شوند. این یک پیشرفت در ریخته گری سرمایه گذاری است زیرا کنترل بیشتری بر ترکیب شیمیایی ارائه می دهد.

ذوب ثانویه

در برخی از کاربردها، VIM می‌تواند اجزای سرامیکی را در مواد ایجاد کند که بر خواص خستگی تأثیر می‌گذارد. ذوب ثانویه یک فرآیند ذوب اضافی است که همگنی شیمیایی را افزایش می دهد و بعد از فرآیند VIM اعمال می شود. این امر همگنی شیمیایی را افزایش می دهد و مشکلات مربوط به فرآیند اولیه را کاهش می دهد.

تبدیل

همچنین به عنوان تبدیل شمش شناخته می شود، این فرآیند شامل چندین مرحله تغییر شکل حرارتی-مکانیکی است تا شمش های سوپرآلیاژ تولید شده توسط ذوب ثانویه برای کاربردهای مکانیکی مناسب باشد.

انجماد جهت دار

در این روش، به آلیاژ اجازه داده می شود تا از طریق وجود گرادیان حرارتی، روی سطحی با دمای پایین هسته شود. این مقاومت در برابر خزش بیشتر در جهت دانه ایجاد می کند.

رشد تک کریستالی

این یک فرآیند آهسته است که در آن یک جزء سوپرآلیاژی تک کریستالی از یک کریستال دانه رشد می کند.

متالورژی پودر (P/M)

این گروهی از فرآیندها برای تولید آلیاژهای مورد استفاده در کاربردهای خستگی بحرانی است و شامل تشکیل سوپرآلیاژها از مخلوطی از پودرهای فلزی. برای تبدیل این پودرهای فلزی به قطعات با اعمال فشار شیمیایی برای اتصال آنها، می توان از تف جوشی استفاده کرد [9]. اکنون همچنین می توان از تولید افزودنی، که به عنوان چاپ سه بعدی نیز شناخته می شود، برای چاپ قطعات از پودرهای سوپر آلیاژی از مدل سه بعدی [10].

کاربردهای سوپرآلیاژها

سوپرآلیاژها کاربردهای زیادی دارند. اینها عمدتاً شامل اجزای هواپیما، تجهیزات کارخانه شیمیایی و تجهیزات پتروشیمی است. جدول زیر برخی از کاربردهای سوپرآلیاژها را نشان می دهد [1].

اجزای توربین گاز هواپیما	اجزای انرژی هسته ای	محصولات شیمیایی
دیسک ها، پیچ ها، شفت ها، کیس ها، تیغه ها و پره ها احتراق پس سوز	مکانیزم های محرک میله کنترل ساقه سوپاپ فنر کانال کشی	پیچ و مهره، سوپاپ مخازن واکنش فنر کانال کشی
اجزای نیروگاه برای توربین های بخار	محصولات فرآوری فلز	اجزای پزشکی
پیچ و مهره و تیغه	ابزار شکل دهی داغ و قالب ها	اجزای دندانپزشکی پروستات
قطعات خودرو	اجزای هوافضا	تجهیزات عملیات حرارتی
شارژرهای توربین محور دریچه های اگزوز	پوسته هایی که از نظر آیرودینامیکی گرم می شوند قطعات موتور موشک	سینی و وسایل کوره های تسمه نقاله

روندهای آینده سوپرآلیاژها

تقاضا برای سوپرآلیاژها به طور مداوم در حال افزایش است که عمدتاً توسط صنعت هوافضا هدایت می شود. یکی از چالش ها هزینه بالای تولید قطعات منحصر به فرد و پیچیده است. این تا حدودی با چاپ قطعات پیچیده با استفاده از ساخت افزودنی تامین می شود.

تمرکز جالب دیگر تحقیقات سوپرآلیاژ، سنتز نانوذرات است. این کار از طریق فرآیند رادیولیز انجام شده است، یک روش تابشی که در آن ساختار مولکولی مواد برای تشکیل نانوذرات شکسته می‌شود. این روش یک روش منعطف و همه کاره برای تولید مقادیر زیادی از نانوذرات سوپرآلیاژی است که به راحتی با روش‌های دیگر ایجاد نمی‌شوند. [11, 12].

[1] Donachie, MJ and Donachie, SJ, 2002, ASM International, Super Alloys: A Technical Guide, 2nd نسخه، متریال پارک، اوهایو، ایالات متحده آمریکا

[2] El-Bagoury, N. 2016, “Super Alloy Based Ni: Casting Technology, Metalurgy, Development, Properties And Applications” International Journal of Engineering Sciences and Research Technology, Vol. 5، شماره 108.

[3] دایره المعارف بریتانیکا، “Superalloy” https://www.britannica.com/technology/superalloy.

[4] موسسه نیکل، آلیاژهای مبتنی بر نیکل، https://www.nickelinstitute.org/about-nickel/nickel-alloys.

[5] موسسه کبالت، سوپرآلیاژها، [Online] https://www.cobaltinstitute.org/superalloys.html.

[6] کراک، A.، 2010، “سوپرآلیاژها، موفق ترین سیستم آلیاژی زمان مدرن – گذشته، حال و آینده”، 7هفتم سمپوزیوم بین المللی سوپرآلیاژ 718 و مشتقات، TMS.

[7] رید، آرسی، 2008، سوپرآلیاژها، اصول و کاربردها، انتشارات دانشگاه کمبریج

[8] فناوری مواد TMS، “فرآوری سوپرآلیاژها” [Online] https://www.tms.org/Communities/FTAttachments/Superalloys%20Processing%20Summary.pdf.

[9] شرکت جنرال الکتریک، روش پخت متالورژی پودر، [Online] https://www.ge.com/additive/additive-manufacturing/information/materials/powder-metallurgy-sintering.

[10] انجمن متالورژی پودر اروپا، EPMA، تولید مواد افزودنی، [Online] https://www.epma.com/additive-manufacturing

[11] Weber، JH، Banerjee، MK، 2016، سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل: آلیاژسازی، ماژول مرجع در علم مواد و مهندسی مواد، الزویر.

[12] ساینس دیلی، [Online] https://www.sciencedaily.com/releases/2007/06/070613140415.htm.