درباره سوپر آلیاژها بیشتر بدانید

سوپر آلیاژ به نوعی از فلز گفته می ‌شود که از ترکیب چند فلز محکم با هم به وجود می ‌آید. این فلز به دست آمده در برابر فرسایش، خوردگی و حرارت از مقاومت بالایی برخوردار است. ساخت یک چنین فلزی به زمان جنگ جهانی دوم بر می ‌گردد. در آن هنگام مهندسان برای تقویت پره‌های جت و بالا بردن قدرت آن دست به تولید یک سوپر آلیاژ زدند. بعد ها با رشد جمعیت و افزایش نیاز افراد جوامع مختلف به نیروی الکتریکی نیاز به این سوپر آلیاژ ها بیشتر احساس شد.

در این متن به تعریفی کامل از سوپر آلیاژ، انواع مختلف سوپر آلیاژ ها، کاربرد و خواص آن، اصول متالوژی سوپر آلیاژ ها همچنین وضعیت تولید آن در ایران می‌ پردازیم.

سوپر آلیاژ به چه نوع فلزی گفته می‌ شود؟

در سال های بعد از جنگ جهانی دوم برای ساخت توربین‌ های بزرگ، فلز های با مقاومت بالا ساخته شد که به دلیل وجود چند عنصر فلزی در آن سوپر آلیاژ نام گرفت. دامنه کاربرد این سوپر آلیاژ ها به حدی وسیع است که تقریباً در هر صنعتی ردی از آن ها یافت می ‌شود. این مسئله به دلیل مقاومت بالا، استحکام در برابر خوردگی، اکسیداسیون دمای بالا، طول عمر بالاتر از نیکل و فولاد های دیگر است.

در پروتز های مخصوص پزشکی، ساخت شاتل ‌های فضایی، ساخت مخزن و… از سوپر آلیاژ استفاده می ‌شود. در ساخت ابر آلیاژ ها از آلومینیوم، کروم، نیکل، نیکل آهن، کبالت و… استفاده می ‌شود و این ترکیبات با هم سبب جدا شدن دیرتر فلزات و مقاومت عالی در برابر تخریب سطحی و تنش‌ های محیطی شده است.

انواع سوپر آلیاژ ها بر اساس ترکیبات شیمیایی

قبلاً برای ایجاد فلزی با مقاومت بالا دو عنصر کربن و آهن را با هم ترکیب می‌کردند تا فولاد به دست بیاید. اما با پیشرفت علم و تکنولوژی و ترکیب عناصر مختلف سوپر آلیاژ ها یا فلزاتی با مقاومت عالی و استحکام فوق‌ العاده ساخته شدند. این سوپر آلیاژ ها با توجه به ترکیبات شیمیایی آن ها به سه دسته تقسیم شده‌اند.

سوپر آلیاژها بر پایه‌ی نیکل

از مهم‌ ترین عناصر پایه‌ی سوپر آلیاژ نیکل است. 50 درصد از سوپر آلیاژها بر پایه‌ی نیکل را همین عنصر تشکیل داده است. این نوع از مقاومت بسیار بالا در برابر حرارت و دما تا 650 درجه سانتیگراد بر خوردار است به همین دلیل در ساخت محصولاتی مانند موتور هواپیما های پیشرفته ‌که با دمای بالا سر و کار دارند کاربرد دارد.

سوپر آلیاژ بر پایه‌ کبالت

بیشترین عنصر در این سوپر آلیاژ را کبالت تشکیل داده و البته دارای استحکام بی نظیری نیز است. از مزایای و ویژگی ‌های فوق العاده این سوپر آلیاژ می ‌توان به: استحکام زیاد در برابر خوردگی، اکسیداسیون، دوام آوردن در برابر دمای بالا تا 1000 درجه سانتیگراد و جوش پذیری فوق العاده خوب اشاره کرد. همچنین برای کار های ذوب و ریخته ‌گری در هوا با اتمسفر آرگون بهترین کارایی را دارد. این نوع سوپر آلیاژ نیز از نظر مقاومت خود به سه دسته تقسیم می‌ شود. ۱- آلیاژ های با محدوده دمایی بین 650 تا 1150 درجه سانتیگراد، ۲- آلیاژ های مقاوم تا 650 درجه سانتیگراد و ۳- آلیاژ مقاوم در برابر خوردگی و سایش است.

سوپر آلیاژ بر پایه‌ نیکل- آهن

از فولاد ضد زنگ آستنیتی بر پایه‌ی عنصر های آهن و نیکل سوپر آلیاژ بر پایه‌ی نیکل- آهن ساخته می ‌شود که البته باید 25% نیکل برای ایجاد مقاومت زمینه در آن وجود داشته باشد. این سوپر آلیاژ به دلیل اینکه بر پایه‌ی آهن تولید می ‌گردد و آهن نیز هم فراوان یافت می ‌شود هم قیمت مناسبی دارد قیمت ارزانی دارد.

دسته بندی سوپر آلیاژها بر اساس روش تولید

این نوع دسته بندی که براساس روش تولید سوپر آلیاژ ها است دارای چهار گروه است.۱- سوپر آلیاژ های کار پذیر، ۲- سوپر آلیاژ های متالوژی پودر، ۳- سوپر آلیاژ های پلی کریستال ریختگی و ۴- سوپر آلیاژ تک کریستالی انجماد جهت دار از جمله این دسته بندی هستند.

کاربرد سوپر آلیاژ

سوپر آلیاژ ها فلزاتی هستند که کاربرد های بسیاری در صنایع مختلف با توجه به نوع و خواص فیزیکی و شیمیایی همچنین به دلیل مقاومت و دوام آوری بسیار زیاد در برابر حرارت و دما و اکسیداسیون دارند. از جمله صنایعی که از سوپر آلیاژ ها در آن ها استفاده می ‌شود می ‌توان به: صنایع هوایی، نفت و پتروشيمی، فضا پیما، موتور های الکتریکی نظامی، توربین ‌های گازی هوایی، مجاری تبادل گرمایی، صنعت ساخت کوره، صنعت خودرو، قطعات و اجزای هواپیما، توربین‌ های صنعتی در صنایع نیروگاهی و نفت و موتور های توربین گازی اشاره کرد.

اصول متالوژی سوپر آلیاژ

ساختار بلوری با شکل مکعبی با سطوح مرکز دار( FCC ) متعلق به سوپر آلیاژ های پایه آهن، نیکل و کبالت می ‌باشد. البته کبالت و آهن در دمای محیط دارای ساختار FCC نیستند بلکه هر دوی این عناصر در مقابل دما های بالا و با وجود عناصر دیگر برای ترکیب تغییر کرده و شبکه‌ی واحد آن ها به FCC مبدل می‌ گردد. ساختمان بلوری نیکل در عوض در هر دمایی به شکل FCC است‌. به وسیله‌ی دگرگونی فاز ها و به وجود آمدن فازهای آلوتروپیک حد بالای این عناصر مشخص نمی ‌شود و به وسیله‌ی انحلال فاز های استحکام یافته و دمای ذوب موضعی آلیاژها مشخص می‌شود.

قسمتی از آلیاژ که تعادلی ندارد پس از منجمد شدن ترکیب شیمیایی در ذوب موضعی در دمای مجاور خود ذوب می ‌شود. حتی اگر جدایش غیر تعادلی عنصر های آلیاژی وجود نداشته باشد هر نوع آلیاژی یک محدوده دمایی ذوب شدن دارد و البته این ذوب شدن در دمای خاصی انجام نمی ‌شود. استحکام و مقاومت سوپر آلیاژ ها به وسیله‌ی شبکه‌ی FCC و ترکیب شیمیایی آن همچنین با حضور فاز های استحکام دهنده مخصوصی مانند رسوب‌ ها افزوده می ‌شود. تغیر شکل سرد که بر روی سوپر آلیاژ انجام می ‌شود مقدار استحکام را می ‌افزاید ولی در زمان قرار دادن فلز در مقابل حرارت زیاد استحکام به دست آمده حذف می ‌گردد.

خواص و ویژگی سوپر آلیاژ ها

همان طور که در بالا به آن اشاره کردیم سوپر آلیاژ ها فلزات تغییر یافته‌ای هستند که از ترکیب چند عنصر عالی با هم ساخته می‌ شوند. این تولید سوپر آلیاژ ها در جهت ایجاد مقاومت زیاد و فوق ‌العاده خوب در برابر خوردگی، فرسایش و حرارت صورت می ‌گیرد که بیشتر در موتور های توربو و توربین ‌ها با دمای کارایی دارند.

یکسری از مزیت‌ های عالی این فلزات تقویت شده شامل: مقاومت بالا در برابر درجه حرارت بسیار زیاد، مقاومت و استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی- فرسایش و اکسیداسیون، مقاومت بالای مکانیکی و ثبات سطح خوب می ‌شود. در دما های بالاتر 540 درجه سلسیوس فولاد های معمولی و آلیاژ های تیتانیوم دیگر مقاومت زیادی وجود ندارد و حتی در اثر خوردگی امکان خسارت دیدن آلیاژ وجود دارد.

سوپر آلیاژ های پایه‌ی نیکل زمانی که استحکام در دمای بالاتر نیاز باشد (زیر دمای ذوب که برای اکثر آلیاژ ها تقریباً 1371- 1204 درجه سانتیگراد است) برگزیده می‌ شوند. در مقایسه با مواد تجاری موجود از سوپر آلیاژ های پایه‌ی نیکل می ‌توان در دمای بالاتری ( نسبت دمای کار به دمای ذوب) استفاده کرد.

دلیل استفاده نکردن زیاد از فلزات نسوز یا دیرگداز نسبت به سوپر آلیاژ ها داشتن دمای ذوب بالاتر و نداشتن خواص مطلوب آن ها است. می‌ توان با توجه به استحکامی که نیاز است و نوع خوردگی دو نوع سوپر آلیاژ پایه‌ی کبالت و پایه‌ی نیکل را با هم جا به جا کرد. سوپر آلیاژ های پایه‌ی آهن- نیکل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه‌ی نیکل و پایه‌ی کبالت در دمای پایین‌تر وابسته به استحکامی که نیاز است کاربرد های زیادتری یافته‌اند.

استحکام سوپر آلیاژ به مواردی چون: مستقیماً به ترکیب شیمیایی، فرآیند ذوب، آهنگری و روش شکل دهی، روش ریخته گری و از همه بیشتر به عملیات حرارتی پس از شکل دهی بستگی دارد. همچنین سوپر آلیاژ های پایه‌ی آهن- نیکل نسبت به سوپر آلیاژ های پایه‌ی نیکل و پایه‌ی کبالت قیمت ارزان تری دارند.

چگونگی تولید سوپر آلیاژ ها در ایران

برای اینکه متوجه اهمیت تولید سوپر آلیاژ ها شویم بهتر است به میزان تولید آن ها در برابر تولید فولاد به صورت سالانه در جهان توجه کنیم. در جهان سالانه 0/28 میلیون تن سوپر آلیاژ تولید می ‌شود که در کنار آن هر سال میزان یک میلیون تن فولاد ساخته می ‌شود. همچنین میزان در آمد از صنعت فولاد یک میلیارد دلار در بازار جهانی و در مقابل میزان درآمد سوپر آلیاژ ها ۴ میلیارد دلار در بازار جهانی است.

پس با کمی دقت می ‌توان فهمید که این نوع از فلزات دارای اهمیت بالای در بازار های جهانی هستند. اما از این حجم بزرگ تولید ایران سهم اندکی را برای تولید این محصول به خود اختصاص داده است. این میزان به سختی می ‌تواند نیاز داخل را تامین کند و حتماً برای آینده باید برنامه‌ هایی در جهت افزایش تولید سوپر آلیاژ ها تدارک دید. امروزه با وجود برنامه ششم توسعه که یکی از اولویت‌های خود را صادرات مواد معدنی در نظر گرفته است.

همچنین این مسئله که تولید این سوپر آلیاژ ها در کارگاه ‌های کوچک و کارخانه‌ های ایرانی نیز به راحتی قابل انجام است و این نکته که شرکت ‌های دانش بنیان زیادی در کشور مشغول به فعالیت هستند امید آن می‌ رود که در آینده نزدیک تولید این محصول افزایش چشمگیری بیابد. برای رسیدن به چنین هدفی باید چند کار در کشور انجام شود

• بومی شدن صنعت متالوژی تحت خلاء جهت ارتقای تکنولوژی تولید مواد اولیه
• کامل نمودن چرخه تولید ابر آلیاژ از ماده اولیه تا تولید محصول در کشور
• کشف و استخراج معادن Mo و Re در سطح کشور انجام شود.

در کشور ایران دو شرکت فولاد اسفراین و شرکت وابسته به وزارت دفاع فعلاً تولید سوپر آلیاژ ها را انجام می‌ دهند اما این تولید در آینده بسیار بیشتر خواهد شد و کارخانه ‌های بیشتری نیز قادر به تولید این سوپر آلیاژ ها خواهند بود.

جمع بندی

افزایش تولید سوپر آلیاژ ها به پیشرفت صنایع مختلف کمک بسزایی می‌ کند چون این اَبَر فلز کاربرد های مختلف و فراوانی دارد. پس در نتیجه تولید بیشتر سوپر آلیاژ در داخل صرفه اقتصادی بزرگی برای کشور دارد و موجبات رشد و توسعه صنایع مختلف را فراهم می‌کند.

اهمیت این مسئله با نگاه کردن به وضعیت اقتصادی ده کشور صنعتی تولید کننده بزرگ این محصول براحتی آشکار می‌گردد. از بزرگت رین مشکلات کمبود سوپر آلیاژ ها در کشور توقف ساخت جنگنده ‌های هوایی است که برای ممانعت از آن باید با دردسر های فراوان این محصول را از بعضی کشور خریداری کرد و به ایران انتقال داد.

منبع: درباره سوپر آلیاژها بیشتر بدانید