ریخته گری فولاد – ذوب فلزات

معرفی و به كار گیری سوپر آلیاژها

سوپر آلیاژها؛ آلیاژهای پایه نیكل، پایه آهن- نیكل و پایه كبالت هستند كه عموماً در دماهای بالاتر از ^oC540 استفاده می‌شوند. سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل مانند آلیاژ IN-718 از فن‌آوری فولادهای زنگ نزن توسعه یافته و معمولاً به صورت كار شده می‌باشند. سوپر آلیاژهای پایه نیكل و پایه كبالت بسته به نوع كاربرد و تركیب شیمیایی می‌توانند به صورت ریخته یا كار شده باشند.

در شكل 1-1 رفتار تنش- گسیختگی سه گروه آلیاژی با یكدیگر مقایسه شده‌اند (سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل، پایه نیكل و پایه كبالت). در جدولهای 1-1 و 1-2 فهرستی از سوپر آلیاژها و تركیب شیمیایی آنها آورده شده است.

سوپر آلیاژهای دارای تركیب شیمیایی مناسب را می‌توان با آهنگری و نورد به اشكال گوناگون در آورد. تركیب‌های شیمیایی پر آلیاژتر معمولاً به صورت ریخته‌گری می‌باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می‌توان با جوشكاری یا لحیم‌كاری بدست آورد، اما تركیب‌های شیمیایی كه دارای مقادیر زیادی از فازهای سخت كننده هستند، به سختی جوشكاری می‌شوند. خواص سوپر آلیاژها را با تنظیم تركیب شیمیایی و فرآیند (شامل عملیات حرارتی) می‌توان كنترل كرد و استحكام مكانیكی بسیار عالی درمحصول تمام شده بدست آورد.

1-2- مروری كوتاه بر فلزات با استحكام در دمای بالا

استحكام اكثر فلزات در دماهای معمولی به صورت خواص مكانیكی كوتاه مدت مانند استحكام تسلیم یا نهایی اندازه‌گیری و گزارش می‌شود. با افزایش دما به ویژه در دماهای بالاتر از 50 درصد دمای نقطه ذوب (بر حسب دمای مطلق) استحكام باید بر حسب زمان انجام اندازه‌گیری بیان شود. اگر در دماهای بالا باری به فلز اعمال شود كه به طور قابل ملاحظه‌ای كمتر از بار منجر به تسلیم در دمای اتاق باشد، دیده خواهد شد كه فلز به تدریج با گذشت زمان ازدیاد طول پیدا می‌كند. این ازدیاد طول وابسته به زمان خزش نامیده می‌شود و اگر به اندازه كافی ادامه یابد به شكست (گسیختگی) قطعه منجر خواهد شد. استحكام خزش یا استحكام گسیختگی (در اصطلاح فنی استحكام گسیختگی خزش یا استحكام گسیختگی تنشی نامیده می‌شود) همانند استحكام‌های تسلیم و نهایی در دمای اتاق یكی از مولفه‌های مورد نیاز برای فهم رفتار مكانیكی ماده است. در دماهای بالا استحكام خستگی فلز نیز كاهش پیدا می‌كند. بنابراین برای ارزیابی توانایی فلز با در نظر گرفتن دمای كار و بار اعمال شده لازم است، استحكام‌های تسلیم و نهایی، استحكام خزش، استحكام گسیختگی و استحكام خستگی معلوم باشند. ممكن است به خواص مكانیكی مرتبط دیگری مانند مدول دینامیكی، نرخ رشد ترك و چقرمگی شكست نیز نیاز باشد. خواص فیزیكی ماده مانند ضریب انبساط حرارتی، جرم حجمی و غیره فهرست خواص را تكمیل می‌كنند.

1-3- اصول متالورژی سوپر آلیاژها

سوپر آلیاژهای پایه آهن، نیكل و كبالت معمولاً دارای ساختار بلوری با شكل مكعبی با سطوح مركزدار (FCC) هستند. آهن و كبالت در دمای محیط دارای ساختار FCC نیستند. هر دو فلز در دماهای بالا یا در حضور عناصر آلیاژی دیگر دگرگونی یافته و شبكه واحد آنها به FCC تبدیل می‌شود. در مقابل، ساختمان بلوری نیكل در همه دماها به شكل FCC است. حد بالایی این عناصر در سوپر آلیاژها توسط دگرگونی فازها و پیدایش فازهای آلوتروپیك تعیین نمی‌شود بلكه توسط دمای ذوب موضعی آلیاژها و انحلال فازهای استحكام یافته تعیین می‌گردد. در ذوب موضعی بخشی از آلیاژ كه پس از انجماد تركیب شیمیایی تعادلی نداشته است در دمایی كمتر از مناطق مجاور خود ذوب می‌شود. همه آلیاژها دارای یك محدوده دمایی ذوب شدن هستند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه‌ای صورت نمی‌گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد. استحكام سوپر آلیاژها نه تنها بوسیله شبكه FCC و تركیب شیمیایی آن، بلكه با حضور فازهای استحكام دهنده ویژه‌ای مانند رسوب‌ها افزایش می‌یابد. كار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ (مانند تغییر شكل سرد) نیز استحكام را افزایش می‌دهد، اما این استحكام به هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می‌شود.

تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتری در دمای پایین وجود دارد كه گاهی در سوپر آلیاژهای كبالت اتفاق می‌افتد. شبكه FCC سوپر آلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحكام دهنده (در سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل و پایه نیكل) انعطاف‌پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص gr/cm³ 87/7 و چگالی نیكل و كبالت تقریباً gr/cm³  9/8 می‌باشد. چگالی سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل تقریباً gr/cm³ 3/8-9/7 پایه كبالت gr/cm³ 4/9-3/8 و

پایه نیكل gr/cm³ 9/8-8/7 است.

چگالی سوپر آلیاژها به مقدار عناصر آلیاژی افزوده شده بستگی دارد. عناصر آلیاژی Cr, Ti و Al چگالی را كاهش و Re, W و Ta آنرا افزایش می‌دهند. مقاومت به خوردگی سوپر آلیاژها نیز به عناصر آلیاژی افزوده شده به ویژه Cr, Al و محیط بستگی دارد.

دمای ذوب عناصر خالص نیكل، كبالت و آهن به ترتیب 1453 و 1495 و 1537 درجه سانتی‌گراد است. دمای ذوب حداقل (دمای ذوب موضعی) و دامنه ذوب سوپر آلیاژها، تابعی از تركیب شیمیایی و فرآیند اولیه است. به طور كلی دمای ذوب موضعی سوپر آلیاژهای پایه كبالت نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیكل بیشتر است. سوپر آلیاژهای پایه نیكل ممكن است در دمای ^oC1204 از خود ذوب موضعی نشان دهند. انواع پیشرفته سوپر آلیاژهای پایه نیكل تك بلور دارای مقادیر محدودی از عناصر كاهش دهنده دمای ذوب هستند و به همین لحاظ، دارای دمای ذوب موضعی برابر یا كمی بیشتر از سوپر آلیاژهای پایه كبالت هستند.

1-4- بعضی از ویژگیها و خواص سوپر آلیاژها

1- فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیوم در دماهای بالاتر ^oC540 دارای استحكام كافی نیستند و امكان خسارت دیدن آلیاژ در اثر خوردگی وجود دارد.

2- چنانچه استحكام در دماهای بالاتر (زیر دمای ذوب كه برای اكثر آلیاژها تقریباً 1371-1204 درجه سانتیگراد است) مورد نیاز باشد، سوپر آلیاژهای پایه نیكل انتخاب می‌شوند.

3- از سوپر آلیاژهای پایه نیكل می‌توان در نسبت دمایی بالاتری (نسبت دمای كار به دمای ذوب) در مقایسه با مواد تجاری موجود استفاده كرد. فلزات دیرگداز (نسوز) نسبت به سوپر آلیاژها دمای ذوب بالاتری دارند ولی سایر خواص مطلوب آنها را ندارند و به همین خاطر به طور وسیعی مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.

4- سوپر آلیاژهای پایه كبالت را می‌توان به جای سوپر آلیاژهای پایه نیكل استفاده كرد كه این جایگزینی به استحكام مورد نیاز و نوع خوردگی بستگی دارد.

5- در دماهای پایین‌تر وابسته به استحكام مورد نیاز، سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیكل و پایه كبالت كاربرد بیشتری پیدا كرده‌اند.

6- استحكام سوپر آلیاژ نه تنها مستقیماً به تركیب شیمیایی بلكه به فرآیند ذوب، آهنگری و روش شكل‌دهی، روش ریخته‌گری و بیشتر از همه به عملیات حرارتی پس از شكل‌دهی، آهنگری یا ریخته‌گری بستگی دارد.

7- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیكل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیكل و پایه كبالت ارزان‌تر هستند.

8- اكثر سوپر آلیاژهای كار شده برای بهبود مقاومت خوردگی دارای مقداری كروم هستند. مقدار كروم در آلیاژهای ریخته در ابتدا زیاد بود، اما به تدریج مقدار آن كاهش یافت تا عناصر آلیاژی دیگری برای افزایش خواص مكانیكی سوپر آلیاژهای دما بالا، به آنها افزوده شوند. در سوپر آلیاژهای پایه نیكل با كاهش كروم مقدار آلومینیوم افزایش یافت، در نتیجه مقاومت اكسیداسیون آنها در همان سطح اولیه باقی می‌ماند و یا افزایش می‌یابد، اما مقاومت در برابر انواع دیگر خوردگی كاهش می‌یابد.

9- سوپر آلیاژها مقاومت در برابر اكسیداسیون بالایی دارند اما در بعضی موارد مقاومت خوردگی كافی ندارند. در كاربردهایی مانند توربین هواپیما كه دما بالاتر از ^oC760 است سوپر آلیاژها باید دارای پوشش باشند. سوپر آلیاژها در كاربردهای طولانی مدت در دماهای بالاتر از ^oC649 مانند توربین‌های گازی زمینی می‌توانند پوشش داشته باشند.

10- فن‌آوری پوشش‌دهی سوپر آلیاژها بخش مهمی از كاربرد و توسعه آنها می‌باشد. نداشتن پوشش به معنی كارآیی كم سوپر آلیاژ در دراز مدت و دماهای بالا است.

11- در سوپر آلیاژها به ویژه در سوپر آلیاژهای پایه نیكل بعضی از عناصر در مقادیر جزئی تا زیاد اضافه شده‌اند. در بعضی از آلیاژها تعداد عناصر كنترل شده موجود تا 14 عنصر و بیشتر می‌تواند باشد.