خواص سوپرآلیاژها و مقاومت آنها در برابر خوردگی

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 یك موضوع متمركز كرد. مجریان و مدیران به ویژه در صنایعی كه در آنها از تعدادی سوپر آلیاژ استفاده می‌شود، اغلب فقط به اطلاعات پایه با حداقل حواشی و مطالب اضافی نیاز دارند. موسسه‌های خرید یا كارشناسی برای انجام بهتر كار خود به دانسته‌های نسبتاً كمی نیاز دارند. مهندسان نیاز به اطلاعاتی با جزئیات بیشتر ولی سریع درباره انواع آلیاژها و طراحی اولیه دارند. اساس این كتاب بر پایه در اختیار گذاشتن اطلاعات تجربی كافی برای حل مسائل، پاسخ به پرسش‌های مربوط به سوپر آلیاژها و داشتن معلومات كافی درباره سوپر آلیاژها گذاشته شده است. مقدمه این فصل، با مرور مختصری بر موضوعات اصلی كتاب بعضی از نیازهای فوق را تامین می‌كند. فصل حاضر با خلاصه‌ای از تاریخچه سوپر آلیاژها شروع شده و سپس طبیعت سوپر آلیاژها را شرح می‌دهد. این مقدمه موضوعات گوناگون گسترده‌ای را كه در به كارگیری سوپر آلیاژها باید در نظر گرفته شوند به طور مستقیم و ساده به خواننده معرفی می‌نماید. استفاده كننده از این كتاب ممكن است، با متالورژی پایه سوپر آلیاژها آشنا و یا كاملاً مبتدی باشد. در هر صورت این كتاب خواننده را به موضوع سوپر آلیاژها نزدیك خواهد ساخت. در این كتاب كمتر به تئوری پرداخته شده و تاكید روی دانسته‌های تجربی شده است. اگر موضوع برایتان كاملاً جدید است ممكن است مقدمه این فصل در بر گیرنده كلیه نیازهای شما باشد. اگر تا اندازه‌ای و یا كاملاً در این زمینه مطلع هستید فهرست مطالب را كنترل كنید، تا آنچه را كه شما می‌توانید در هر فصل بیایید، مشاهده نمایید.

1-2- تاریخچه

طراحان نیاز فراوانی به مواد مستحكم‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی دارند. فولادهای زنگ نزن توسعه داده شده و به كار رفته در دهه‌های دوم و سوم قرن بیستم میلادی، نقطه شروعی برای برآورده شدن خواسته‌های مهندسی در دماهای بالا بودند. بعداً معلوم شد كه این مواد تحت این شرایط دارای استحكام محدودی هستند. جامعه متالوژی با توجه به نیازهای روز افزون بوجود آمده، با ساخت جایگزین فولاد زنگ نزن كه سوپر آلیاژ نامیده شد به این تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلیاژها مواد اصلاح شده پایه آهن به وجود آمدند، كه بعدها نام سوپر آلیاژ به خود گرفتند.

با شروع و ادامه جنگ جهانی دوم توربین‌های گازی تبدیل به یك محرك قوی برای اختراع و كاربرد آلیاژها شدند. در سال 1920 افزودن آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژهای از نوع نیكروم به عنوان اختراع به ثبت رسید، ولی صنعت سوپر آلیاژها با پذیرش آلیاژ كبالت (ویتالیوم) برای برآورده كردن نیاز به استحكام در دمای بالا در موتورهای هواپیما پدیدار شدند. بعضی آلیاژهای نیكل- كروم (اینكونل و نیمونیك) مانند سیم نسوز كم و بیش وجود داشتند و كار 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 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.

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 اینكه همه آلیاژها را نمی‌توان بر شمرد مثالهائی از آلیاژهای قدیم و جدید برای نشان دادن متالورژی فیزیكی سیستم‌های سوپر آلیاژها آورده شده است (به فصل‌های 3 و 12 مراجعه كنید) 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.

...

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 اكسیژن و نیتروژن مذاب به مقدار قالب توجهی كاهش می‌یابد. در نتیجه سوپرآلیاژهای تولید شده با VIM اكسیدها و نیتریدهای كمتری داشته و نسبت به سوپرآلیاژهای تولید شده به روش EAF/AOD تمیزتر هستند. بعلاوه عناصر دارای فشار بخار بالا (به ویژه سرب و بیسموت) كه ممكن 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.

كنترل 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 تركیب شیمیایی (كاهش عناصری مانند Al,Si,S,Ti,C و ...) صورت می‌گیرد ولی در فرآیند VIM تركیب شیمیایی نهایی به تركیب بار وارد شده به كوره بسیار نزدیك است. ممكن است در مقدار كربن كاهش جزئی صورت گیرد. در فرآیندهای VIM جدید مرحله گوگردزدایی نیز وجود دارد. در این روش تركیب شیمیایی مذاب توسط تركیب بار وارد شده به كوره 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 كوره عموماً دارای سه بخش است: بخش مواد خام كه قبلاً در خلاء ذوب نشده‌اند، بخش دیرگداز كه شامل عناصر خالصی است كه اكسیدهای پایدار تشكیل می‌دهند و تمایل دارند قابلیت انحلال اكسیدها و نیتریدهای موجود در مواد خام را افزایش دهند. بخش آخر بار شامل قراضه‌های داخلی و خارجی است كه قبلاً در خلاء ذوب شده‌اند. به خاطر اینكه امكان دارد قراضه‌ها در طی تولید آلودگی پیدا كرده باشند، لازم است دقت كافی در جدایش و آماده سازی آنها قبل از وارد شدن به فرآیند VIM انجام گیرد.

[1] - Vacuum Induction Melting (VIM)