خواص سوپرآلياژها و مقاومت آنها در برابر خوردگي

فصل اول
سوپر آلياژها در دماي بالا

1-1- نحوه و زمان استفاده از اين فصل
به دشواري مي‌توان اطلاعات مختصر ولي دقيقي را در يك موضوع متمركز كرد. مجريان و مديران به ويژه در صنايعي كه در آنها از تعدادي سوپر آلياژ استفاده مي‌شود، اغلب فقط به اطلاعات پايه با حداقل حواشي و مطالب اضافي نياز دارند. موسسه‌هاي خريد يا كارشناسي براي انجام بهتر كار خود به دانسته‌هاي نسبتاً كمي نياز دارند. مهندسان نياز به اطلاعاتي با جزئيات بيشتر ولي سريع درباره انواع آلياژها و طراحي اوليه دارند. اساس اين كتاب بر پايه در اختيار گذاشتن اطلاعات تجربي كافي براي حل مسائل، پاسخ به پرسش‌هاي مربوط به سوپر آلياژها و داشتن معلومات كافي درباره سوپر آلياژها گذاشته شده است. مقدمه اين فصل، با مرور مختصري بر موضوعات اصلي كتاب بعضي از نيازهاي فوق را تامين مي‌كند. فصل حاضر با خلاصه‌اي از تاريخچه سوپر آلياژها شروع شده و سپس طبيعت سوپر آلياژها را شرح مي‌دهد. اين مقدمه موضوعات گوناگون گسترده‌اي را كه در به كارگيري سوپر آلياژها بايد در نظر گرفته شوند به طور مستقيم و ساده به خواننده معرفي مي‌نمايد. استفاده كننده از اين كتاب ممكن است، با متالورژي پايه سوپر آلياژها آشنا و يا كاملاً مبتدي باشد. در هر صورت اين كتاب خواننده را به موضوع سوپر آلياژها نزديك خواهد ساخت. در اين كتاب كمتر به تئوري پرداخته شده و تاكيد روي دانسته‌هاي تجربي شده است. اگر موضوع برايتان كاملاً جديد است ممكن است مقدمه اين فصل در بر گيرنده كليه نيازهاي شما باشد. اگر تا اندازه‌اي و يا كاملاً در اين زمينه مطلع هستيد فهرست مطالب را كنترل كنيد، تا آنچه را كه شما مي‌توانيد در هر فصل بياييد، مشاهده نماييد.
1-2- تاريخچه
طراحان نياز فراواني به مواد مستحكم‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگي دارند. فولادهاي زنگ نزن توسعه داده شده و به كار رفته در دهه‌هاي دوم و سوم قرن بيستم ميلادي، نقطه شروعي براي برآورده شدن خواسته‌هاي مهندسي در دماهاي بالا بودند. بعداً معلوم شد كه اين مواد تحت اين شرايط داراي استحكام محدودي هستند. جامعه متالوژي با توجه به نيازهاي روز افزون بوجود آمده، با ساخت جايگزين فولاد زنگ نزن كه سوپر آلياژ ناميده شد به اين تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلياژها مواد اصلاح شده پايه آهن به وجود آمدند، كه بعدها نام سوپر آلياژ به خود گرفتند.
با شروع و ادامه جنگ جهاني دوم توربين‌هاي گازي تبديل به يك محرك قوي براي اختراع و كاربرد آلياژها شدند. در سال 1920 افزودن آلومينيوم و تيتانيوم به آلياژهاي از نوع نيكروم به عنوان اختراع به ثبت رسيد، ولي صنعت سوپر آلياژها با پذيرش آلياژ كبالت (ويتاليوم) براي برآورده كردن نياز به استحكام در دماي بالا در موتورهاي هواپيما پديدار شدند. بعضي آلياژهاي نيكل- كروم (اينكونل و نيمونيك) مانند سيم نسوز كم و بيش وجود داشتند و كار دستيابي به فلز قوي‌تر در دماي بالاتر براي رفع عطش سيري ناپذير طراحان ادامه يافت و هنوز هم ادامه دارد.
1-3- معرفي و به كار گيري سوپر آلياژها
سوپر آلياژها؛ آلياژهاي پايه نيكل، پايه آهن- نيكل و پايه كبالت هستند كه عموماً در دماهاي بالاتر از oC540 استفاده مي‌شوند. سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل مانند آلياژ IN-718 از فن‌آوري فولادهاي زنگ نزن توسعه يافته و معمولاً به صورت كار شده مي‌باشند. سوپر آلياژهاي پايه نيكل و پايه كبالت بسته به نوع كاربرد و تركيب شيميايي مي‌توانند به صورت ريخته يا كار شده باشند.
از آغاز پيدايش سوپر آلياژها، تعداد زيادي آلياژ شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته و تعدادي نيز به عنوان اختراع ثبت گرديده‌اند. تعدادي از آنها در طول ساليان گذشته غربال شده و تعدادي به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به خاطر اينكه همه آلياژها را نمي‌توان بر شمرد مثالهائي از آلياژهاي قديم و جديد براي نشان دادن متالورژي فيزيكي سيستم‌هاي سوپر آلياژها آورده شده است (به فصل‌هاي 3 و 12 مراجعه كنيد) در شكل 1-1 رفتار تنش- گسيختگي سه گروه آلياژي با يكديگر مقايسه شده‌اند (سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل، پايه نيكل و پايه كبالت). در جدولهاي 1-1 و 1-2 فهرستي از سوپر آلياژها و تركيب شيميايي آنها آورده شده است.
سوپر آلياژهاي داراي تركيب شيميايي مناسب را مي‌توان با آهنگري و نورد به اشكال گوناگون در آورد. تركيب‌هاي شيميايي پر آلياژتر معمولاً به صورت ريخته‌گري مي‌باشند. ساختارهاي سرهم بندي شده را مي‌توان با جوشكاري يا لحيم‌كاري بدست آورد، اما تركيب‌هاي شيميايي كه داراي مقادير زيادي از فازهاي سخت كننده هستند، به سختي جوشكاري مي‌شوند. خواص سوپر آلياژها را با تنظيم تركيب شيميايي و فرآيند (شامل عمليات حرارتي) مي‌توان كنترل كرد و استحكام مكانيكي بسيار عالي درمحصول تمام شده بدست آورد.
1-3- مروري كوتاه بر فلزات با استحكام در دماي بالا
استحكام اكثر فلزات در دماهاي معمولي به صورت خواص مكانيكي كوتاه مدت مانند استحكام تسليم يا نهايي اندازه‌گيري و گزارش مي‌شود. با افزايش دما به ويژه در دماهاي بالاتر از 50 درصد دماي نقطه ذوب (بر حسب دماي مطلق) استحكام بايد بر حسب زمان انجام اندازه‌گيري بيان شود. اگر در دماهاي بالا باري به فلز اعمال شود كه به طور قابل ملاحظه‌اي كمتر از بار منجر به تسليم در دماي اتاق باشد، ديده خواهد شد كه فلز به تدريج با گذشت زمان ازدياد طول پيدا مي‌كند. اين ازدياد طول وابسته به زمان خزش ناميده مي‌شود و اگر به اندازه كافي ادامه يابد به شكست (گسيختگي) قطعه منجر خواهد شد. استحكام خزش يا استحكام گسيختگي (در اصطلاح فني استحكام گسيختگي خزش يا استحكام گسيختگي تنشي ناميده مي‌شود) همانند استحكام‌هاي تسليم و نهايي در دماي اتاق يكي از مولفه‌هاي مورد نياز براي فهم رفتار مكانيكي ماده است. در دماهاي بالا استحكام خستگي فلز نيز كاهش پيدا مي‌كند. بنابراين براي ارزيابي توانايي فلز با در نظر گرفتن دماي كار و بار اعمال شده لازم است، استحكام‌هاي تسليم و نهايي، استحكام خزش، استحكام گسيختگي و استحكام خستگي معلوم باشند. ممكن است به خواص مكانيكي مرتبط ديگري مانند مدول ديناميكي، نرخ رشد ترك و چقرمگي شكست نيز نياز باشد. خواص فيزيكي ماده مانند ضريب انبساط حرارتي، جرم حجمي و غيره فهرست خواص را تكميل مي‌كنند.
1-4-اصول متالورژي سوپر آلياژها
سوپر آلياژهاي پايه آهن، نيكل و كبالت معمولاً داراي ساختار بلوري با شكل مكعبي با سطوح مركزدار (FCC) هستند. آهن و كبالت در دماي محيط داراي ساختار FCC نيستند. هر دو فلز در دماهاي بالا يا در حضور عناصر آلياژي ديگر دگرگوني يافته و شبكه واحد آنها به FCC تبديل مي‌شود. در مقابل، ساختمان بلوري نيكل در همه دماها به شكل FCC است. حد بالايي اين عناصر در سوپر آلياژها توسط دگرگوني فازها و پيدايش فازهاي آلوتروپيك تعيين نمي‌شود بلكه توسط دماي ذوب موضعي آلياژها و انحلال فازهاي استحكام يافته تعيين مي‌گردد. در ذوب موضعي بخشي از آلياژ كه پس از انجماد تركيب شيميايي تعادلي نداشته است در دمايي كمتر از مناطق مجاور خود ذوب مي‌شود. همه آلياژها داراي يك محدوده دمايي ذوب شدن هستند و عمل ذوب شدن در دماي ويژه‌اي صورت نمي‌گيرد، حتي اگر جدايش غير تعادلي عناصر آلياژي وجود نداشته باشد. استحكام سوپر آلياژها نه تنها بوسيله شبكه FCC و تركيب شيميايي آن، بلكه با حضور فازهاي استحكام دهنده ويژه‌اي مانند رسوب‌ها افزايش مي‌يابد. كار انجام شده بر روي سوپر آلياژ (مانند تغيير شكل سرد) نيز استحكام را افزايش مي‌دهد، اما اين استحكام به هنگام قرارگيري فلز در دماهاي بالا حذف مي‌شود.
تمايل به دگرگوني از فاز FCC به فاز پايدارتري در دماي پايين وجود دارد كه گاهي در سوپر آلياژهاي كبالت اتفاق مي‌افتد. شبكه FCC سوپر آلياژ قابليت انحلال وسيعي براي بعضي عناصر آلياژي دارد و رسوب فازهاي استحكام دهنده (در سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل و پايه نيكل) انعطاف‌پذيري بسيار عالي آلياژ را به همراه دارد. چگالي آهن خالص gr/cm3 87/7 و چگالي نيكل و كبالت تقريباً gr/cm3  9/8 مي‌باشد. چگالي سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل تقريباً gr/cm3 3/8-9/7 پايه كبالت gr/cm3 4/9-3/8 و پايه نيكل gr/cm3 9/8-8/7 است.
چگالي سوپر آلياژها به مقدار عناصر آلياژي افزوده شده بستگي دارد. عناصر آلياژي Cr, Ti و Al چگالي را كاهش و Re, W و Ta آنرا افزايش مي‌دهند. مقاومت به خوردگي سوپر آلياژها نيز به عناصر آلياژي افزوده شده به ويژه Cr, Al و محيط بستگي دارد.
دماي ذوب عناصر خالص نيكل، كبالت و آهن به ترتيب 1453 و 1495 و 1537 درجه سانتي‌گراد است. دماي ذوب حداقل (دماي ذوب موضعي) و دامنه ذوب سوپر آلياژها، تابعي از تركيب شيميايي و فرآيند اوليه است. به طور كلي دماي ذوب موضعي سوپر آلياژهاي پايه كبالت نسبت به سوپر آلياژهاي پايه نيكل بيشتر است. سوپر آلياژهاي پايه نيكل ممكن است در دماي oC1204 از خود ذوب موضعي نشان دهند. انواع پيشرفته سوپر آلياژهاي پايه نيكل تك بلور داراي مقادير محدودي از عناصر كاهش دهنده دماي ذوب هستند و به همين لحاظ، داراي دماي ذوب موضعي برابر يا كمي بيشتر از سوپر آلياژهاي پايه كبالت هستند.
1-5- بعضي از ويژگيها و خواص سوپر آلياژها
1- فولادهاي معمولي و آلياژهاي تيتانيوم در دماهاي بالاتر oC540 داراي استحكام كافي نيستند و امكان خسارت ديدن آلياژ در اثر خوردگي وجود دارد.
2- چنانچه استحكام در دماهاي بالاتر (زير دماي ذوب كه براي اكثر آلياژها تقريباً 1371-1204 درجه سانتيگراد است) مورد نياز باشد، سوپر آلياژهاي پايه نيكل انتخاب مي‌شوند.
3- از سوپر آلياژهاي پايه نيكل مي‌توان در نسبت دمايي بالاتري (نسبت دماي كار به دماي ذوب) در مقايسه با مواد تجاري موجود استفاده كرد. فلزات ديرگداز (نسوز) نسبت به سوپر آلياژها دماي ذوب بالاتري دارند ولي ساير خواص مطلوب آنها را ندارند و به همين خاطر به طور وسيعي مورد استفاده قرار نمي‌گيرند.
4- سوپر آلياژهاي پايه كبالت را مي‌توان به جاي سوپر آلياژهاي پايه نيكل استفاده كرد كه اين جايگزيني به استحكام مورد نياز و نوع خوردگي بستگي دارد.
5- در دماهاي پايين‌تر وابسته به استحكام مورد نياز، سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل نسبت به سوپر آلياژهاي پايه نيكل و پايه كبالت كاربرد بيشتري پيدا كرده‌اند.
6- استحكام سوپر آلياژ نه تنها مستقيماً به تركيب شيميايي بلكه به فرآيند ذوب، آهنگري و روش شكل‌دهي، روش ريخته‌گري و بيشتر از همه به عمليات حرارتي پس از شكل‌دهي، آهنگري يا ريخته‌گري بستگي دارد.
7- سوپر آلياژهاي پايه آهن- نيكل نسبت به سوپر آلياژهاي پايه نيكل و پايه كبالت ارزان‌تر هستند.
8- اكثر سوپر آلياژهاي كار شده براي بهبود مقاومت خوردگي داراي مقداري كروم هستند. مقدار كروم در آلياژهاي ريخته در ابتدا زياد بود، اما به تدريج مقدار آن كاهش يافت تا عناصر آلياژي ديگري براي افزايش خواص مكانيكي سوپر آلياژهاي دما بالا، به آنها افزوده شوند. در سوپر آلياژهاي پايه نيكل با كاهش كروم مقدار آلومينيوم افزايش يافت، در نتيجه مقاومت اكسيداسيون آنها در همان سطح اوليه باقي مي‌ماند و يا افزايش مي‌يابد، اما مقاومت در برابر انواع ديگر خوردگي كاهش مي‌يابد.
9- سوپر آلياژها مقاومت در برابر اكسيداسيون بالايي دارند اما در بعضي موارد مقاومت خوردگي كافي ندارند. در كاربردهايي مانند توربين هواپيما كه دما بالاتر از oC760 است سوپر آلياژها بايد داراي پوشش باشند. سوپر آلياژها در كاربردهاي طولاني مدت در دماهاي بالاتر از oC659 مانند توربين‌هاي گازي زميني مي‌توانند پوشش داشته باشند.