ساخت و تولید-قالبسازی

1) سوپرآلياژهاي كارپذير

2) سوپرآلياژهاي متالورژي پودر

3) سوپرآلياژهاي پلي‌كريستال ريختگي

4) سوپرآلياژهاي تك كريستالي انجماد جهت دار

تقسيم‌بندي سوپرآلياژها برحسب تركيب شيميايي

1) سوپرآلياژهاي پايه نيكل

2) سوپرآلياژهاي پايه آهن

3) سوپرآلياژهاي پايه كبالت

بازار سوپرآلياژها

مقدمه

موادي که باعث سازگاري سازه با محيط خود مي شوند، مواد محرک ناميده مي شوند. اين مواد مي توانند شکل، سفتي، مکان، فرکانس طبيعي و ساير مشخصات مکانيکي را در پاسخ به دما و يا ميدان هاي الکترومغناطيسي تغيير دهند. امروزه پنج نوع ماده محرک به طور عمده استفاده مي شود که شامل آلياژهاي حافظه دار، سراميکهاي پيزوالکتريک2، مواد مغناطيسيسخت3 و مايعات الکترورئولوژکال4 و مگنتورئولوژيکال5 مي باشند. اين مواد از زمره مواد هوشمند محرک مي باشند. مواد هوشمند آن دسته از موادي هستند که مي توانند به تغييرات محيط به بهترين شکل ممکن پاسخ داده و رفتار خود را نسبت به تغييرات تنظيم نمايند.

آلياژهاي حافظه دار عنوان گروهي از مواد محرک مي باشند که خواص متمايز و برتري نسبت به ساير آلياژها دارند. عکس العمل شديد اين مواد نسبت به برخي از پارامترهاي ترموديناميکي و مکانيکي و قابليت بازگشت به شکل اوليه در اثر اعمال پارامترهاي مذکور به گونه اي است که مي تواند رفتار سيستم را بهبود بخشد. وقتي يک آلياژ معمولي تحت بار خارجي بيش از حد الاستيک قرار مي گيرد؛ تغيير شکل مي دهد. اين نوع تغيير شکل بعد از حذف بار باقي مي ماند. اما آلياژهاي حافظه دار، منجمله آلياژهاي Ni-Ti، Cu-Zn، Cu-Zn-Al، Cu-Zn-Ga، Cu-Zn-Sn، Cu-Zn-Si، Cu-Al-Ni، Cu-Au-Zn، Cu-Sn، Au-Cd، Ni-Al، Fe-Pt و... رفتار متفاوتي از خود ارائه مي نمايند. در دماي پايين، يک نمونه حافظه دار مي تواند تغيير شکل پلاستيک چند درصدي را تحمل کند و سپس به صورت کامل به شکل اوليه خود در دماي بالا برگردد. در فرآيند برگشت به شکل اوليه، آلياژ مي تواند نيروي زيادي توليد کند که اين نيرو براي تحريک مفيد مي باشد. اين فرآيند اولين بار در سال 1938 مشاهده شد و براي مدت زمان طولاني در حد کنجکاوي آزمايشگاهي باقي ماند.

در سال 1961 اثر حافظه داري شکل در آلياژ نيکل- تيتانيوم با درصد اتمي مساوي (50-50%) توسط بوهلر و در آزمايشگاه ناوال اوردنانس (Naval Ordanance Lab) کشف و تحت نام نيتينول (Nitinol) مشهور شد. دو حرف اول نيتينول در ارتباط با نيکل، دو حرف بعدي مربوط به عنصر تيتانيوم و سه حرف آخر در رابطه با آزمايشگاه ناول اوردانس مي باشد. از اوايل سال 1980 استفاده از آلياژهاي حافظه دار در بين محققان و مهندسان مورد توجه قرار گرفت و اين آلياژ هوشمند در زمينه هاي وسيعي از جمله تعديل رفتار آئروالاستيسيته آنتن ماهواره ها، کنترل ارتعاش سازه هاي فضايي، کنترل ارتعاش سطوح کنترلي هواپيماها وحتي در شبيه سازي هاي پزشکي مورد استفاده قرار گرفته است و کشف مزاياي اصلي و علمي آن هر روز افزايش يافته است.

در ذيل به بعضي از مصارف اين قطعات اشاره شده است:

- توربين هاي گازي هواپيما

- توربين هاي بخار نيروگاه‌هاي توليد برق

- ساخت قالب‌هاي ريخته گري و ابزارهاي گرمكار

- مصارف پزشكي و دندانپزشكي

- فضاپيماها

- تجهيزات عمليات حرارتي

- سيستم هاي نوتروني و هسته اي

- سيستم هاي شيميايي و پتروشيمي

- تجهيزات كنترل آلودگي

- تجهيزات و كوره هاي نورد فلزات

- مبدل هاي حرارتي تبديل ذغال سنگ

به منظور انتخاب سوپرآلياژها جهت مصرف در كاربردهاي فوق لازم است خواص فني نظير شكل پذيري، استحكام، مقاومت خزشي، استحكام خستگي و پايداري سطحي در نظر گرفته شوند.

1) سوپرآلياژهاي كارپذير

سوپرآلياژهاي كارپذير در حقيقت گروهي از سوپر آلياژها هستند كه قابليت كار مكانيكي دارند و از روش هاي مكانيكي مي توان به آنها شكل داد. به منظور توليد مقاطع معيني ازسوپرآلياژهاي كارپذير، اولين گام آن است كه شمش هاي سوپرآلياژها به دليل حضور عناصر فعال(عناصري كه سريع در مجاورت هوا اكسيد مي شوند) در شرايط خاصي تهيه شوند. فرايندهاي ذوب در خلاءدر مورد تهيه سوپرآلياژهاي پايه نيكل و پايه آهن جزء ضروريات مي باشد. اما در مورد سوپرآلياژهاي پايه كبالت امكان ذوب در هوا وجود دارد.

 پس از تهيه شمش  آلياژهاي كارپذير به يكي از روش‌هاي فوق عمليات شكل دهي صورت مي گيرد. عمليات شكل دهي سوپرآلياژها نيز مي تواند توسط عمليات متداول كليه آلياژهاي فلزي انجام پذيرد. سوپرآلياژهاي پايه آهن، كبالت و نيكل را مي­توان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سيم و اشكال ديگر توسط فرايندهاي نورد، اكستروژن و آهنگري توليد نمود. معمولاً عمليات شكل دهي در دماي بالا صورت مي گيرد و تعداد كمي از سوپرآلياژها را مي توان به صورت سرد شكل‌دهي نمود. ساختارهاي يكنواخت و ريزدانه اي كه از شكل‌دهي سرد حاصل مي شود نسبت به ساختارهاي شكل دادن گرم ارجحيت دارند.

عمليات ترموديناميكي بر روي سوپرآلياژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتي گراد انجام مي شود كه به اين ترتيب در حين شكل دادن عمليات حرارتي نيز صورت مي گيرد.

2) سوپرآلياژهاي متالورژي پودر

بسياري از انواع آلياژهاي كارپذير از طريق فرايندهاي متالورژي پودر توليد مي گردند. امروزه قطعات متالورژي پودر از جنس سوپرآلياژ با دانسيته كامل از طريق روش‌هاي اكستروژن يا پرسكاري ايزواستاتيك گرم (HIP) توليد مي گردند. مهمترين اين قطعات قيچي ها و سوزنهاي جراحي مي باشند. فرايندهاي متالورژي پودر به‌دليل داشتن مزاياي زير بر فرايندهاي ريخته گري ترجيح داده مي شوند هر چند كه معايبي را نيز به همراه خواهند داشت: - يكنواختي در تركيب شيميايي و ساختار كريستالي- ريز بودن اندازه دانه هاي كريستالي- كاهش جدايش ها- راندمان بالاتر از نظر مصرف مواداما مشكلاتي نظير حضور گاز باقيمانده، آلودگي كربني و آخال‌هاي سراميكي باعث مي گردد كه در برخي موارد نيز فرايندهاي شمش‌ريزي و ترمومكانيكي متداول صورت پذيرند.

 3) سوپرآلياژهاي پلي‌كريستال ريختگي

 وجود محدوديت‌هاي تكنولوژيكي سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلياژ مي‌گردد و بنابراين با پيدايش فرايندهاي جديد توليد، اين صنعت نيز روز به روز توسعه مي يابد.

تعداد زيادي از فرايندها را مي توان در توليد قطعات سوپرآلياژ با اندازه نزديك به قطعة نهايي مورد استفاده قرار داد اما اساساً اين قطعات توسط فرايند ريخته گري دقيق توليد مي گردند.

محدوده تركيب شيميايي سوپرآلياژهاي ريختگي بسيار گسترده تر از سوپرآلياژهاي كارپذير بوده و بنابراين خواص متنوع تري نيز از اين طريق قابل حصول خواهند بود هر چند كه انعطاف‌پذيري و مقاومت به خستگي در فرآيندهاي كار مكانيكي بهتر از ريخته­گري خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآيندهاي جديد ريخته گري و انجام عمليات حرارتي متعاقب، خواص سوپرآلياژهاي ريختگي نيز افزايش يافته است.

4) سوپرآلياژهاي تك كريستالي انجماد جهت دار

به‌منظور توسعه توربين هاي گازي مصرفي در هواپيماها و افزايش دماهاي كاري و كارآيي موتورها، به‌طور مداوم روش هاي توليد سوپرآلياژها در حال بهبود است.

قسمت‌هاي بحراني توربين ها معمولاً شامل پره هاي تحت فشار بالا، هواكش ها و ديسك ها مي باشند. در طول 15 سال گذشته تحقيقات بسياري در زمينه افزايش راندمان توربين ها صورت گرفته است و عمده اين تحقيقات بر امكان افزايش دماي ورودي، فشاركاري و كاهش هزينه هاي توليد استوار بوده است. توسعه فرايند انجماد جهت دار به‌منظور توليد تك‌كريستالي‌هاي ريختگي سبب شده تا بتوان از اين طريق پره هاي توربين را با دانه هاي جهت دار در راستاي اعمال تنش توليد نمود و به اين ترتيب علاوه بر خواص پايدار حرارتي، استحكام خستگي، استحكام خزشي و انعطاف‌پذيري نيز افزايش يابند.

تقسيم‌بندي سوپرآلياژها برحسب تركيب شيميايي

به طور كلي اين آلياژها شامل سه گروه پايه نيكل، پايه آهن و پايه كبالت مي باشند كه بسته به درجه حرارت كاربردي مورد استفاده قرار مي گيرند

1) سوپرآلياژهاي پايه نيكل

امروزه آلياژهاي نيكل در حالت‌هاي "تك‌فازي"، "رسوب سختي شده" و "مستحكم‌شده توسط رسوبات اسيدي و كامپوزيت ها" در مصارف صنعتي مختلف مورد استفاده قرار مي گيرند.

بسياري از اين آلياژها حاوي 10 الي 20 درصد كرم، حداكثر 8 درصد آلومينيوم و تيتانيم، 5 تا 15 درصد كبالت و مقادير كمي موليبدن، نيوبيم و تنگستن مي باشند.

دو گروه اصلي از آلياژهاي آهن- نيكل كه ميزان نيكل آنها بيشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهIncoloy 706 و Inconel 718مي باشند.

اين آلياژها معمولاً حاوي 3 تا 5 درصد نيوبيم مي باشند و در رديف آلياژهاي پايه نيكل قرار مي گيرند. آلياژهاي پايه نيكل معمولاً تا دماي 650 درجه سانتي گراد استحكام خود را حفظ مي كنند. اما در دماهاي بالاتر به سرعت استحكام خود را از دست مي­دهند.

2) سوپرآلياژهاي پايه آهن

سوپرآلياژهاي پايه آهن نشات گرفته از فولادهاي زنگ نزن آستينتي مي باشند كه داراي زمينه اي از محلول جامد آهن و نيكل بوده و براي پايداري زمينه نياز به حداقل 25 درصد نيكل است.

- گروه‌هاي متعددي از اين آلياژها تاكنون مشخص گرديده اند كه هر يك با مكانيزم هاي خاصي مستحكم مي شوند. برخي از اين آلياژها نظير 57-V و 286-A حاوي 25 تا 35 درصد وزني نيكل مي باشند و استحكامشان به دليل حضور آلومينيوم و تيتانيم مي‌باشد.

- گروه دوم آلياژهاي پايه آهن كه آلياژهايX750 و Incoloy901 نمونه هاي آن مي باشند، حداقل 40 درصد وزني نيكل داشته و همانند گروه هاي با نيكل بالاتر استحكام بخشي توسط سختي رسوبي صورت مي گيرد.

- گروه ديگر اين آلياژها بر پايه آهن- نيكل- كبالت مي باشند و استحكام اين گروه در محدوده 650 درجه سانتي گراد مناسب بوده و ضريب انبساط حرارتي آنها پايين مي باشد. اين آلياژها شامل Incoloy با شماره هاي 903، 907، 909، 1-1- PyrometCTX و 3-PyrometCTX و غيره مي باشند.

 3) سوپرآلياژهاي پايه كبالت

سوپرآلياژهاي كارپذير پايه كبالت برخلاف ساير سوپرآلياژها مكانيزم استحكام بخشي متقاوتي دارند و خواص حرارتي خوبي در دماي حدود 1000 درجه سانتي گراد خواهند داشت.

سوپرآلياژهاي پايه كبالت حاوي كرم، مقاومت به خوردگي و اكسيداسيون خوبي داشته و هم چنين قابليت جوشكاري و مقاومت به خستگي حرارتي آنها نسبت به آلياژهاي پايه نيكل بالاتر مي باشد. از طرف ديگر امكان ذوب و ريخته گري اين آلياژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزيت ديگري نسبت به ساير سوپرآلياژها كه نياز به خلاء دارند مي باشد.

سه گروه اصلي آلياژهاي پايه كبالت را مي توان به صورت ذيل در نظر گرفت:

- آلياژهايي كه در دماهاي بالا در محدودة 650 تا 1150 درجه سانتي گراد مورد استفاده قرار مي گيرند كه شامل آلياژهايS-816، 25HAYNES، 188 25HAYNES، 55625HAYNES، 50UMCO مي باشند.

- آلياژهايي كه تا حدود 650 درجه سانتي گراد به كار مي روند نظيرTN3MP، 159 MP

- آلياژ مقاوم به سايش B 6 Stellite

آلياژ 2525HAYNES بيشترين كاربرد را در ميان آلياژهاي كارپذير پايه كبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمكار نظير توربين هاي گازي، اجزاء راكتورهاي هسته اي، ايمپلنت‌هاي جراحي و غيره مورد استفاده قرار گرفته اند. آلياژهاي گروه پايه كبالت كه شامل كرم- تنگستن- كربن مي باشند معروف به آلياژهاي Satellite بوده كه به شدت مقاوم به سايش مي باشند.

اين گروه معمولاً در مواردي كه مقاومت سايشي در درجه حرارت‌هاي بالا مورد نياز باشد به كار مي روند. در واقع سختي اين مواد در دماي بالا حفظ شده و در مواقعي كه نمي توان در حين كار روغنكاري انجام داد به خوبي مورد استفاده قرار مي گيرند.

 بازار سوپرآلياژها

شايد بتوان گسترش بازار سوپرآلياژها را در دنيا مربوط به صنايع هوا _ فضا در نظر گرفت كه با توجه به رشد روزافزون اين صنعت و قطعات يدكي آن در سطح جهان پيش بيني مي گردد كه تنها بازار قطعات يدكي هواپيماها بالغ بر 4،5 ميليارد دلار باشد، بررسي ها حاكي از آنست كه تا سال 2015 تعداد 16000 فروند هواپيماي جديد با موتورهاي توربين گازي وارد بازار مي شوند كه نيمي از وزن اين موتورها از جنس سوپر آلياژ خواهدبود . بر اساس آمارهاي تخميني موجود در ايران، سوپرآلياژها سالانه به ميزان 80 ميليون دلار در سه وزارت خانة نفت، نيرو و دفاع مورد استفاده قرار مي گيرند.