ما بیش از 10 هزار سال است که از آلیاژهای فلزی استفاده میکنیم، از زمانی که قلع و مس با یکدیگر ترکیب شدند تا ماده جدید و بهتری را تشکیل دهند، با نام برنز. امروزه، تقریباً تمام فلزاتی که ما استفاده میکنیم نوعی آلیاژ هستند، زیرا آنها به تنهایی از عناصر تشکیل دهنده خود بسیار برتر هستند. در بسیاری از کاربردهای مهندسی، دما مانعی است که باید از آن عبور کرد. مهندسان میدانند چگونه هواپیماها یا اتومبیلهای سریعتری بسازند. مشکل این است که ما موادی نداریم که بتوانند در دمای لازم دوام بیاورند. با ظهور توربینهای گاز، مهندسان به موادی با خواص مکانیکی برتر و مقاومت در برابر دمای بالا نیاز داشتند، گروهی که در مجموع به عنوان ابر آلیاژ یا سوپر آلیاژ نامیده میشود.
سرامیکها شکننده هستند و تنگستن اکسید میشود. این مواد نقش خود را در بوتهها یا الکترودهای جوشکاری دارند، اما اگر میخواهید دستگاهی بسازید که باید در دماهای بالا دوام بیاورد، ابر آلیاژها بهترین ترکیبی از استحکام، مقاومت در برابر اکسیداسیون، مقاومت در برابر خزش و غیره (در دماهای بالا) را دارند. در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا به بررسی مشخصات و کاربردهای ابر آلیاژها و تاثیر شگرفت آنها بر زندگی بشر بپردازیم.
فهرست مطالب
سوپر آلیاژ چیست؟
ابر آلیاژها (به انگلیسی Superalloys) گروهی از فلزات هستند که مقاومت در برابر خزش، اکسیداسیون و خوردگی بهتری نسبت به آلیاژهای سنتی دارند و در عین حال خواص مکانیکی عالی را حتی در دماهای بالا حفظ میکنند. به یک معنا، آنها به عنوان آلیاژهای با عملکرد بالا عمل میکنند. سوپرآلیاژها که معمولاً در صنعت هوافضا برای اجزای موتورهای توربین گاز استفاده میشوند، از پایهای از نیکل، کبالت یا آهن استفاده 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 400 درجه سانتیگراد میکنند (در مورد آلیاژهای آلومینیوم حتی کمتر)، بسیاری از سوپرآلیاژها در واقع افزایش استحکام بین 750 تا 900 درجه را نشان میدهند.
در سطح اتمی، عناصر تشکیل دهنده فلزات ساختارهای شبکهای را تشکیل میدهند. این یعنی چه؟ اتمها برخلاف پلاستیکها در ردیفها و شبکههای عمود بر هم قرار گرفتهاند. تمایل طبیعی فلزات برای تشکیل ساختارهای شبکهای، هم مفید و هم مانعی است که به آنها استحکام میبخشد، 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 میکند و با مسدود کردن این صفحات لغزش، نیروی مورد نیاز برای لغزش صفحات اتمی را افزایش میدهد. سوپرآلیاژها، به ویژه سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل، یک قدم فراتر میروند. تشکیل یک ریزساختار تعادلی دو فازی بر نحوه چیدمان عناصر آلیاژی تأثیر میگذارد و از آنها در برابر چندین حالت مختلف خرابی محافظت میکند.
تاریخچه توسعه ابر آلیاژها
اصطلاح “ابر آلیاژ” اولین بار اندکی پس از جنگ جهانی دوم برای توصیف گروهی از آلیاژهای توسعه یافته برای استفاده در توربو سوپرشارژرها و موتورهای توربین هواپیما که به عملکرد بالا در دماهای بالا نیاز داشتند، استفاده شد.
بر اساس این مقاله، ایالات متحده در حدود سال 1905 به توسعه توربینهای گاز علاقهمند شد. فلزات این تیغههای توربین از سه فلز FCC محلول در بین آهن، نیکل و کبالت ساخته شده بودند. از سال 1910 تا 1915، فولادهای ضدزنگ آستنیتی، برای دماهای بالا در توربینهای گاز ساخته شدند. تا سال 1929، آلیاژ 80Ni-20Cr با افزودن اندک Ti و Al به یک استاندارد تبدیل شد. اگرچه متالوژیستهای اولیه هنوز در آن زمان آن را نمیدانستند، اما در حال تشکیل رسوبهای کوچک γ در سوپرآلیاژهای نیکل بودند. این آلیاژها به سرعت از سوپرآلیاژهای مبتنی بر Fe و Co پیشی گرفتند که توسط کاربیدها و تقویت محلول جامد تقویت شدند.
اگرچه کروم برای محافظت از آلیاژها در برابر اکسیداسیون و خوردگی تا دمای 700 درجه سانتیگراد عالی بود، متالوژیستها شروع به کاهش کروم به نفع Al کردند که در دماهای بسیار بالاتر مقاومت اکسیداسیون (اما نه مقاومت در برابر خوردگی!) داشت. فقدان کروم باعث ایجاد مشکلاتی در خوردگی در دمای بالا شد، بنابراین پوششها نیاز به توسعه یافتن داشتند.
در حدود سال 1950، ذوب خلاء تجاری شد، که به متالورژیستها اجازه داد آلیاژهایی با خلوص بالاتر با ترکیب دقیقتر ایجاد کنند. ذوب مجدد قوس خلاء فرآیندی برای ایجاد ترکیبات آلیاژی دقیق است و انجام آن در مقیاس کوچک امکانپذیر است.
این تکنیک در اصل جوشکاری در خلاء است. دانشمندان عناصر خالص را میگیرند و آنها را در یک بوته فلزی که با آب خنک میشود ترکیب میکنند. بوته در یک محفظه خلاء با یک الکترود در بالا مهر و موم شده است. الکترود – درست مانند جوشکاری – جرقه قوسی را به فلزات خام میزند.
این قوس به اندازهای داغ است که بتواند هر مادهای را ذوب کند، اما از آنجایی که بوته با آب خنک میشود، فقط فلزات خام ذوب میشوند. با چرخاندن نمونه و چندین بار ذوب آن (به همین دلیل به آن “ذوب مجدد” میگویند)، میتوانید یک آلیاژ همگن حتی در مقیاس کوچک ایجاد کنید. خلاء و دمای بالا، خلوص نمونه را حفظ میکند، از اکسیدها جلوگیری میکند و از اختلاط کامل عناصر اطمینان میدهد.
در دهههای 60 و 70، متالوژیستها تمرکز خود را از شیمی آلیاژ به پردازش آلیاژ تغییر دادند. انجماد جهتدار برای اجازه دادن به پرههای ستونی یا حتی تک کریستالی توسعه داده شد. تقویت پراکندگی اکسید میتواند دانههای بسیار ریز و فوق پلاستیک را به دست آورد.
در دوران مدرن، شش نسل از ابر آلیاژهای مبتنی بر نیکل وجود دارد که با فازهای فراتر از γ’ تقویت شدهاند. یکی از تمرکزهای اصلی در آلیاژهای تجاری اخیر، رنیم (rhenium) بوده است، که به دلایلی که دانشمندان هنوز درباره آن بحث میکنند، به طور چشمگیری مقاومت خزشی را افزایش میدهد (ما تقریباً مطمئن هستیم که با انتشار آهسته رنیوم در نیکل ارتباط دارد).
با این حال، سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل تقریباً به اوج توسعه خود رسیدهاند. اگرچه ریزساختار γ/γ تا کنون فقط در نیکل استفاده شده است، γ’ اخیراً در کبالت نیز کشف شده است. کبالت نقطه ذوب بالاتری نسبت به نیکل دارد (و همچنین سایر مزایای بالقوه) بنابراین شاید سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت در آینده جای نیکل را بگیرند. باید منتظر بود و دید که فناوریها در آینده به کدام سمت حرکت خواهند نمود.
چرا ابر آلیاژ مهم است؟
خوب، اگر ابر آلیاژها برای فناوری بسیار مهم هستند، باید ویژگیهای منحصر به فردی داشته باشند! آن ویژگیها چیست؟
همانطور که احتمالاً میدانید، با افزایش دما، قدرت باید کاهش یابد. انرژی حرارتی به این معناست که اتمها سریعتر به ارتعاش در میآیند، بنابراین احتمال لغزش آنها از کنار یکدیگر بیشتر است. تقریباً در تمام مواد، افزایش دما باعث کاهش استحکام میشود. اما ابر آلیاژهای مبتنی بر نیکل استثنا هستند.
ابر آلیاژهای مبتنی بر نیکل دارای ریزساختار شگفت انگیزی هستند که خواص بسیار عالی در دمای بالا را به مواد میبخشد، اما سیستمهای آلیاژی دیگری نیز وجود دارند که صرفاً به این دلیل که دارای خواص خوب در دمای بالا هستند (بدون ریزساختار خاص) “ابر آلیاژ” نامیده میشوند. دلیل اینکه ریزساختار این کار را انجام میدهد بسیار پیچیده است و درک آن بدون پیشینه در علم مواد، دشوار است.
ابر آلیاژ مبتنی بر نیکل، در بخش بالایی از نقطه ذوب خودش، استحکام بسیار بالاتری نسبت به اکثر فلزات دارد. به همین دلیل در دماهای بالا بسیار خوب عمل میکند.
به ازای هر کیلوگرم، ابر آلیاژها گرانتر از فولاد، آلومینیوم یا حتی فولاد ضد زنگ هستند. آنها همچنین برای کار کردن و قالب گیری به شکل دلخواه، فرآیند پیچیدهتری دارند. بنابراین چرا آنها به طور گسترده در برنامههای کاربردی خاص، استفاده میشوند؟
مقاومت در برابر خزش
خزش (Creep) یک حالت شکست مواد است که به موجب آن، یک جزء، در سطح تنش بسیار کمتر از مقاومت کششی نهایی خود، تغییر شکل میدهد. به عبارت بهتر، وادادگی نوعی تغییر شکل فلز است که در تنشهای کمتر از قدرت تسلیم فلز، معمولاً در دماهای بالا رخ میدهد. یکی از مهمترین ویژگیهای هر فلز، قدرت تسلیم آن است زیرا تنشی را که در آن فلز شروع به تغییر شکل میکند، مشخص میکند.
هنگامی که برای اولین بار کشف شد، اطلاعات زیادی در مورد استحکام کششی نهایی، تنش/کرنش و خستگی فلز وجود داشت، اما به نظر میرسید این پدیده جدید متالورژی سنتی را به چالش میکشد. 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 عنوان «جریان سرد» نیز شناخته میشود – قطعه در کمتر از نصف UTS خود تغییر شکل پلاستیکی میدهد.
همچنین کشف شد که گرما از هر منبعی خزش را تسریع میکند. برای اجزای موتورهای جت، این یک مسئله بالقوه فاجعه بار است. 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.
مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
در کاربردهایی مانند موتورهای هوافضا و توربینهای گازی، مقاومت در برابر دماهای بالا امری ضروری است. ابر آلیاژها نه تنها در دماهای بالا، عملکرد خوبی دارند، بلکه در برخی موارد UTS ماده میتواند افزایش یابد و تنشهای عملیاتی بالاتر یا جرم کمتری را ایجاد کند. هر دو امتیاز برای هوانوردی امتیاز محسوب میشوند.
از آنجایی که سوپرآلیاژها نسبت به آلیاژهای سنتی در برابر حرارت بهتر مقاومت میکنند، پیشرفتهای زیادی در طراحی موتورهای توربین جت انجام شده است. توربینهای جت میتوانند چنین سطوح بالایی از رانش را به دلیل فشردهسازی هوای ورودی و سوخت ایجاد کنند. هرچه تراکم بیشتر باشد، موتور میتواند قدرت بیشتری تولید کند. با افزایش فشار و سرعت احتراق، گرمای تولید شده نیز افزایش مییابد. خوشبختانه، مقاومت ابر آلیاژها در برابر گرما و خزش، فشارهای احتراق بالاتری را ممکن کرده است و راندمان را به طور قابل توجهی افزایش میدهد.
کاربرد ابر آلیاژها
ابر آلیاژها اوج متالورژی مدرن هستند. آنها بیش از دوازده عنصر را که بسیاری از آنها کمیاب هستند، در مقادیر دقیق ترکیب میکنند. آلیاژها اغلب به صورت تک کریستال پردازش شده و تحت عملیات حرارتی دقیق قرار میگیرند تا فازهای بهینه را رسوب دهند. این یعنی، سوپرآلیاژها گران قیمت هستند. رقیب اصلی ابر آلیاژها، فولاد است که میتواند هزاران بار ارزانتر از ابر آلیاژهای کاملاً مهندسی شده باشد. ابر آلیاژها نیز چگالیتر از فولاد هستند (و به ویژه فلزات سبک وزن مانند تیتانیوم و آلومینیوم). در بیشتر موارد، هزینه سوپرآلیاژها ارزش خواص برتر آنها را ندارد، به خصوص که این خواص فقط در دماهای بالا خود را نشان میدهند.
احتمالاً شناخته شدهترین و مستندترین استفاده از ابر آلیاژهای مبتنی بر نیکل در موتورهای توربین است. استحکام دمایی بالا و مقاومت در برابر خزش این ماده، صنعت هوافضا را متحول کرده است و دستاوردهای راندمان باورنکردنی را در پروازهای تجاری و مسافربری به ارمغان آورده است. کاربردهای متعدد دیگری با ماهیت مشابه برای پرههای توربین وجود دارد که در آنها مقاومت در برابر خزش و اکسیداسیون ضروری است. اینها شامل توربینهای توربوشارژر خودرو، توربینهای بخار نیروگاهی و غیره است.
سوپرآلیاژها در اجزای استاتیک نیز استفاده میشوند و بسیاری از سیستمهای پردازش از استحکام و مقاومت بالای خود در برابر خوردگی برای شیرها، مخازن، پیچها و کانالها استفاده میکنند. این محیطها اغلب مکانهایی هستند که به طور سنتی از فولاد ضد زنگ استفاده میشود.
استفاده از سوپرآلیاژها بسیار گسترده است. در حالی که خود مواد اغلب در مقادیر نسبتاً کمی استفاده میشوند، میتوانند پیشرفتهای زیادی در کارایی و استحکام یک جزء داشته باشند. ابر آلیاژها معمولاً در صنایع زیر کاربرد دارند:
- هوافضا
- تولید برق هستهای
- پردازش شیمیایی
- عملیات حرارتی
- خودرو
- پزشکی
نمونههایی از ابر آلیاژها
نیکل، آهن و کبالت دستههای اصلی ابر آلیاژها هستند که در داخل هر کدام زیربخشهای زیادی وجود دارد. بیایید نگاهی گذرا به چند مورد بیاندازیم:
سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل
آلیاژ هستلوی (Hastelloy)
ابر آلیاژ هستلوی، ترکیبی از مولیبدن و کروم است که مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی ایجاد میکند و همچنین جوش پذیری و مقاومت خوبی در برابر اسید حفظ میکند. انواع مختلفی از Hastelloy در دسترس است. هر گرید دارای ویژگیها و سطوح عناصر آلیاژی کمی متفاوت است تا طیف وسیعی از کاربردها را در خود جای دهد.
آلیاژ اینکونل (Inconel)
اینکونل گاهی اوقات به عنوان جایگزینی با دمای بالا برای فولاد ضد زنگ استفاده میشود. این فولاد ضد زنگ را با توانایی خود در مقاومت در برابر اسید و خوردگی تا دمای بسیار بالا بهبود میبخشد. کروم فراوانترین عنصر آلیاژی در Inconel است، اما مانند اکثر ابر آلیاژها، تنوعهای مختلفی در دسترس است.
ابر آلیاژ نیتینول
نیتینول (به انگلیسی Nitinol) یک ابر آلیاژ متشکل از نیکل و تیتانیوم است که دارای چند ویژگی بسیار جالب و مفید است که آن را از سایر آلیاژها متمایز میکند، از جمله اثر حافظه شکل (Shape Memory Effect) و خاصیت ارتجاعی فوق العاده. اگر این دو مورد برای شما ناآشنا هستند نگران نباشید، ما در ادامه به تفصیل آنها را توضیح خواهیم داد.
تاکنون دهها نوع آلیاژ حافظه دار شکلی در دنیا ساخته شده است. نیتینول (آلیاژ نیکل-تیتانیوم) یکی از اولین مواد آلیاژی توسعه یافته و کاربردی است. نیتینول یک آلیاژ دوتایی است که از نیکل و تیتانیوم تشکیل شده است. علاوه بر عملکرد منحصر به فرد حافظه شکل، یک سری خواص عالی نیز دارد و یک ماده کاربردی بسیار خوب است.
اثر حافظه شکل نایتینول به دلیل وجود یک تبدیل فاز مارتنزیتی در این آلیاژ است. در دمای پایین، نایتینول در ساختار مارتنزیتی قرار دارد که دارای شکلی متفاوت از ساختار آستنیتی آن در دمای بالا است. اگر نایتینول در دمای پایین تحت تغییر شکل قرار گیرد، پس از گرم شدن به دمای بالا، به شکل اولیه خود باز میگردد.
نام نیتینول از کجا آمده است؟ این نام از ترکیب سه عبارت Nickel، Titanium و Naval Ordnance Laboratory (NOL) گرفته شده است.
Nickel + Titanium + NOL = Nitinol
NOL مخفف Naval Ordnance Laboratory است که یک مرکز تحقیقات و توسعه نظامی ایالات متحده بود که در سال 1945 در واترتاون، مریلند تاسیس شد. در سال 1967، NOL به Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division تغییر نام داد. در سال 1959، گروهی از محققان NOL به رهبری ویلیام بلاند، در حال مطالعه ویژگیهای نیکل و تیتانیوم بودند. آنها یک نمونه از آلیاژ نیکل-تیتانیوم را تهیه کردند و آن را در دمای پایین قرار دادند. سپس، آنها نمونه را گرم کردند و مشاهده کردند که نمونه به شکل اولیه خود بازمیگردد.
خواص ابر آلیاژها
هر زیر گروه از ابر آلیاژها دارای خواص و ویژگیهای متفاوتی هستند که در ادامه خواص چند نمونه از مهمترین زیرگروهها را بیان میکنیم:
سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل
خواص مکانیکی/شیمیایی:
- مقاومت حرارتی بالا
- مقاومت در برابر خوردگی قوی
- استحکام بالا
- ماشینکاری خوب
- قابلیت جوشکاری در برخی موارد
- انبساط حرارتی کم
سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت
خواص مکانیکی/شیمیایی:
- مقاومت حرارتی برتر نسبت به آلیاژهای مبتنی بر نیکل
- مقاومت در برابر خوردگی بالاتر در مقایسه با آلیاژهای نیکل و آهن
- مقاومت در برابر خستگی حرارتی بیشتر در دماهای بالا
- 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 خوب در برابر خزش
- به طور کلی جوش پذیری بهتر
- ماشینکاری خوب
نحوه تولید ابر آلیاژها
ابر آلیاژهای صنعتی معمولاً با یکی از دو روش پردازش ساخته میشوند: ابر آلیاژهای ریخته گری (cast superalloys) و ابر آلیاژهای شکل داده شده (wrought superalloys). همچنین متالورژی پودر یا تولید افزودنی (چاپ سه بعدی) سوپرآلیاژها وجود دارد، اما این روش پردازش هنوز در مرحله توسعه است.
ابر آلیاژهای شکل داده شده
ابر آلیاژهای آهن کاری شده، شکل داده شده یا فرفورژه به شکل مستطیلهای بلندی به نام بیلت (billets) ساخته میشوند، سپس حرارت داده شده، تغییر شکل میدهند و به شکل نهایی در میآیند. آهنگری سوپر آلیاژها میتواند منجر به مخلوطی همگنتر از ریخته گری مستقیم شود، اما این روش را نمیتوان در همه آلیاژها استفاده کرد. آلیاژهای فرفورژه معمولاً انعطاف پذیرتر از آلیاژهای ریخته گری هستند.
ابر آلیاژهای ریخته گری
ابرآلیاژهای ریخته گری مستقیماً به شکل جامد در میآیند. برخی از آلیاژها فقط میتوانند ریخته گری شوند، نه آهنگری (اگر شکل پذیری به اندازه کافی بالا نباشد). سوپرآلیاژهای ریختهگری شده امروزه در پرههای توربین رایجتر هستند، و آن هم به یک دلیل ساده: با ریختهگری، امکان ایجاد پرههای تک کریستالی توربین وجود دارد.
ساخت ابر آلیاژ در ایران
ساخت ابرآلیاژهای پیشرفته نیاز حیاتی صنایعی مانند نیروگاه و پالایشگاهها به شمار میرود. محصولی وارداتی برای صنایع ایران که در سال 1399 یک شرکت داخلی به فناوری ساخت آنها دست یافته است.
جمعبندی
ابر آلیاژها به شکل عجیب و غریبی از اکثر فلزات دیگر جدا هستند و فقط برای کاربردهای بسیار خاص استفاده میشوند. اما واقعا چه چیزی آنها را خاص کرده است؟ ابر آلیاژها، آلیاژهای فلزی هستند که میتوانند در بخش بالایی از نقطه ذوب خود عمل کنند. سوپر آلیاژها باید دارای استحکام و نقطه ذوب بالا، مقاومت در برابر خوردگی یا اکسیداسیون و مقاومت در برابر خزش باشند. این بهترین تعریفی است که میتوانیم از ابر آلیاژ ارائه دهیم، اگرچه این اصطلاح کمی مبهم است.
ابر آلیاژها با تثبیت شهرت خود در صنعت هوانوردی، گام منطقی بعدی برای استفاده از آنها در سفرهای فضایی نیز برداشته شده است. سفرهای فضایی با بسیاری از چالشهای مشابهی که پروازهای عادی با آن مواجه هستند، یعنی کاهش وزن/بازده، تغییرات دمایی بالا و تنش بالا، روبرو هستند. به همین دلیل موتورهای مورد استفاده در فضا از اجرای سوپر آلیاژها بهره میبرند. توانایی کاهش وزن از طریق مواد قویتر بسیار مهم است. از آنجایی که اکتشافات تجاری فضایی با شرکتهایی مانند SpaceX و Blue Origin همچنان مورد توجه قرار دارد، صرفه جویی در مصرف سوخت و فضا اهمیت بیشتری پیدا میکند و استفاده از ابر آلیاژها، دستیابی به تمام این شرایط را ممکن خواهد کرد.
پرسش و پاسخ
ابر آلیاژ از چه ساخته شده است؟
ابر آلیاژها، از آلیاژهایی مقاوم در برابر حرارت نظیر نیکل، آهن-نیکل و کبالت ساخته میشوند.
معایب ابر آلیاژها چیست؟
عیب اصلی ابر آلیاژها قیمت بالای آنها است. یکی دیگر از معایب سوپرآلیاژهای این است که کار با آنها به دلیل سختی، دشوار است.
فولاد و آلیاژ, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 10 بهمن 1402