خواص سوپرآلیاژها و مقاومت آنها در برابر خوردگی
فصل اول
سوپر آلیاژها در دمای بالا
1-1- نحوه و زمان استفاده از این فصل
به دشواری می‌توان اطلاعات مختصر ولی دقیقی را در یک موضوع متمرکز کرد.
مجریان و مدیران به ویژه در صنایعی که در آنها از تعدادی سوپر آلیاژ
استفاده میشود، اغلب فقط به اطلاعات پایه با حداقل حواشی و مطالب اضافی
نیاز دارند. موسسه‌های خرید یا کارشناسی برای انجام بهتر کار خود به
دانسته‌های نسبتاً کمی نیاز دارند. مهندسان نیاز به اطلاعاتی با جزئیات
بیشتر ولی سریع درباره انواع آلیاژها و طراحی اولیه دارند. اساس این کتاب
بر پایه در اختیار گذاشتن اطلاعات تجربی کافی برای حل مسائل، پاسخ به
پرسش‌های مربوط به سوپر آلیاژها و داشتن معلومات کافی درباره سوپر آلیاژها
گذاشته شده است. مقدمه این فصل، با مرور مختصری بر موضوعات اصلی کتاب بعضی
از نیازهای فوق را تامین می‌کند. فصل حاضر با خلاصه‌ای از تاریخچه سوپر
آلیاژها شروع شده و سپس طبیعت سوپر آلیاژها را شرح می‌دهد. این مقدمه
موضوعات گوناگون گسترده‌ای را که در به کارگیری سوپر آلیاژها باید در نظر
گرفته شوند به طور مستقیم و ساده به خواننده معرفی می‌نماید. استفاده کننده
از این کتاب ممکن است، با متالورژی پایه سوپر آلیاژها آشنا و یا کاملاً
مبتدی باشد. در هر صورت این کتاب خواننده را به موضوع سوپر آلیاژها نزدیک
خواهد ساخت. در این کتاب کمتر به تئوری پرداخته شده و تاکید روی دانسته‌های
تجربی شده است. اگر موضوع برایتان کاملاً جدید است ممکن است مقدمه این فصل
در بر گیرنده کلیه نیازهای شما باشد. اگر تا اندازه‌ای و یا کاملاً در این
زمینه مطلع هستید فهرست مطالب را کنترل کنید، تا آنچه را که شما می‌توانید
در هر فصل بیایید، مشاهده نمایید.
1-2- تاریخچه
طراحان نیاز فراوانی به مواد مستحکم‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی
دارند. فولادهای زنگ نزن توسعه داده شده و به کار رفته در دهه‌های دوم و
سوم قرن بیستم میلادی، نقطه شروعی برای برآورده شدن خواسته‌های مهندسی در
دماهای بالا بودند. بعداً معلوم شد که این مواد تحت این شرایط دارای
استحکام محدودی هستند. جامعه متالوژی با توجه به نیازهای روز افزون بوجود
آمده، با ساخت جایگزین فولاد زنگ نزن که سوپر آلیاژ نامیده شد به این تقاضا
پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلیاژها مواد اصلاح شده پایه آهن به وجود
آمدند، که بعدها نام سوپر آلیاژ به خود گرفتند.
با شروع و ادامه جنگ جهانی دوم توربین‌های گازی تبدیل به یک محرک قوی
برای اختراع و کاربرد آلیاژها شدند. در سال 1920 افزودن آلومینیوم و
تیتانیوم به آلیاژهای از نوع نیکروم به عنوان اختراع به ثبت رسید، ولی صنعت
سوپر آلیاژها با پذیرش آلیاژ کبالت (ویتالیوم) برای برآورده کردن نیاز به
استحکام در دمای بالا در موتورهای هواپیما پدیدار شدند. بعضی آلیاژهای
نیکل- کروم (اینکونل و نیمونیک) مانند سیم نسوز کم و بیش وجود داشتند و کار
دستیابی به فلز قوی‌تر در دمای بالاتر برای رفع عطش سیری ناپذیر طراحان
ادامه یافت و هنوز هم ادامه دارد.
1-3- معرفی و به کار گیری سوپر آلیاژها
سوپر آلیاژها؛ آلیاژهای پایه نیکل، پایه آهن- نیکل و پایه کبالت هستند که عموماً در دماهای بالاتر از oC540
استفاده می‌شوند. سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل مانند آلیاژ IN-718 از
فن‌آوری فولادهای زنگ نزن توسعه یافته و معمولاً به صورت کار شده می‌باشند.
سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت بسته به نوع کاربرد و ترکیب شیمیایی
می‌توانند به صورت ریخته یا کار شده باشند.
از آغاز پیدایش سوپر آلیاژها، تعداد زیادی آلیاژ شناخته شده و مورد
مطالعه قرار گرفته و تعدادی نیز به عنوان اختراع ثبت گردیده‌اند. تعدادی از
آنها در طول سالیان گذشته غربال شده و تعدادی به صورت گسترده مورد استفاده
قرار گرفته‌اند. به خاطر اینکه همه آلیاژها را نمی‌توان بر شمرد مثالهائی
از آلیاژهای قدیم و جدید برای نشان دادن متالورژی فیزیکی سیستم‌های سوپر
آلیاژها آورده شده است (به فصل‌های 3 و 12 مراجعه کنید) در شکل 1-1 رفتار
تنش- گسیختگی سه گروه آلیاژی با یکدیگر مقایسه شده‌اند (سوپر آلیاژهای پایه
آهن- نیکل، پایه نیکل و پایه کبالت). در جدولهای 1-1 و 1-2 فهرستی از سوپر
آلیاژها و ترکیب شیمیایی آنها آورده شده است.
سوپر آلیاژهای دارای ترکیب شیمیایی مناسب را می‌توان با آهنگری و نورد
به اشکال گوناگون در آورد. ترکیب‌های شیمیایی پر آلیاژتر معمولاً به صورت
ریخته‌گری می‌باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می‌توان با جوشکاری یا
لحیم‌کاری بدست آورد، اما ترکیب‌های شیمیایی که دارای مقادیر زیادی از
فازهای سخت کننده هستند، به سختی جوشکاری می‌شوند. خواص سوپر آلیاژها را با
تنظیم ترکیب شیمیایی و فرآیند (شامل عملیات حرارتی) می‌توان کنترل کرد و
استحکام مکانیکی بسیار عالی درمحصول تمام شده بدست آورد.
...
4-4- مروری بر ذوب القایی در خلاء (VIM) [1]
1- مقدمه
در فرآیند ذوب القایی تحت خلاء در مقایسه با فرآیندهای ذوب در هوا،
مقدار اکسیژن و نیتروژن مذاب به مقدار قالب توجهی کاهش می‌یابد. در نتیجه
سوپرآلیاژهای تولید شده با VIM اکسیدها و نیتریدهای کمتری داشته و نسبت به
سوپرآلیاژهای تولید شده به روش EAF/AOD تمیزتر هستند. بعلاوه عناصر دارای
فشار بخار بالا (به ویژه سرب و بیسموت) که ممکن است از طریق قراضه وارد
شده باشند، در طی فرآیند ذوب به این روش حذف می‌شوند. مجموع این عوامل
باعث بهبود خواص خستگی و گسیختگی خزش سوپرآلیاژهای تولید شده با VIM در
مقایسه با روش EAF/AOD می‌شوند.
کنترل عناصر آلیاژی در این روش خیلی دقیق‌تر از روش EAF/AOD است و تولید
به روش VIM پر هزینه‌تر از روش EAF/AOD است. در فرآیند EAF/AOD اصلاح
ترکیب شیمیایی (کاهش عناصری مانند Al,Si,S,Ti,C و ...) صورت میگیرد ولی در
فرآیند VIM ترکیب شیمیایی نهایی به ترکیب بار وارد شده به کوره بسیار
نزدیک است. ممکن است در مقدار کربن کاهش جزئی صورت گیرد. در فرآیندهای VIM
جدید مرحله گوگردزدایی نیز وجود دارد. در این روش ترکیب شیمیایی مذاب توسط
ترکیب بار وارد شده به کوره تعیین میشود؛ به همین دلیل قیمت مواد اولیه
فرآیند VIM در مقایسه با مواد اولیه استفاده شده در فرآیند EAF/AOD
گران‌تر است.
2- تشریح فرآیند VIM
بار کوره عموماً دارای سه بخش است: بخش مواد خام که قبلاً در خلاء ذوب
نشده‌اند، بخش دیرگداز که شامل عناصر خالصی است که اکسیدهای پایدار تشکیل
میدهند و تمایل دارند قابلیت انحلال اکسیدها و نیتریدهای موجود در مواد
خام را افزایش دهند. بخش آخر بار شامل قراضه‌های داخلی و خارجی است که
قبلاً در خلاء ذوب شده‌اند. به خاطر اینکه امکان دارد قراضه‌ها در طی تولید
آلودگی پیدا کرده باشند، لازم است دقت کافی در جدایش و آماده سازی آنها
قبل از وارد شدن به فرآیند VIM انجام گیرد.
[1] - Vacuum Induction Melting (VIM)
