سوپرآلیاژ چیست؟
- نوشته شده توسط: مهدی اکبری
- منتشر شده در 29 آبان, 1403
- 2 نظر
- مقالات
سوپرآلیاز چیست؟ سوپرآلیاژها گروهی از آلیاژهای پیشرفته هستند که با داشتن ترکیباتی خاص، ویژگی‌های بی‌نظیری مثل مقاومت بالا در برابر حرارت، خوردگی و اکسیداسیون از خود نشان می‌دهند. این آلیاژها عمدتاً از نیکل، کبالت و آهن تشکیل شده‌اند و برای شرایط محیطی دشوار، به‌ویژه دماهای بسیار بالا، طراحی شده‌اند.
یکی از شاخص‌ترین ویژگی‌های سوپرآلیاژها، حفظ استحکام مکانیکی در دماهای بالا است؛ به همین دلیل، آنها در ساخت موتورهای جت، توربین‌های گازی و تجهیزات نیروگاهی کاربرد گسترده‌ای دارند.
علاوه بر این، سوپرآلیاژها مقاومت چشمگیری در برابر خزش دارند، به این معنا که حتی تحت فشارهای مداوم، شکل خود را حفظ می‌کنند و دچار تغییر نمی‌شوند. به دلیل این خواص استثنایی، از این مواد در صنایع هوافضا، انرژی و حتی در حوزه پزشکی نیز بهره می‌برند.
در ادامه مقاله، به طور کامل‌تری با این آلیاژهای ارزشمند آشنا خواهیم شد.
سوپرآلیاژ و انواع آن چیست؟
سوپرآلیاژ یا آلیاژ دما بالا به آلیاژهایی گفته می‌شود که در کسری بالاتر از دمای ذوب خود نیز امکان فعالیت دارد، مقدار این کسر یک‌سوم دمای ذوب است. یعنی اگر دمای ذوب یک فلز ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد باشد، سوپرآلیاژ همین فلز تا دمای ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد نیز می‌تواند خواص فیزیکی خود را حفظ کند.
گروه هشتم جدول تناوبی شامل عنصری چون آهن است که به عنصر واسطه معروف است و می‌تواند با فلزات دیگر به‌راحتی ترکیب شود. معمولا از این عناصر برای کارکرد در محیط‌هایی با دمای بالا و اکسیدکننده استفاده می‌شود.
آهن یکی از فلزات این گروه است که عنصر اصلی در تولید فولاد به شمار می‌رود، آهن و کربن با یکدیگر ترکیب شده و فولاد به دست می‌آید.
فولاد یک آلیاژ آهنی است که از استحکام کمتری نسبت به فولادهای سوپرآلیاژی برخوردار است. استفاده از تیرآهن، فولاد و چدن در صنایع پایین‌دستی بیشتر کاربرد دارد و لذا نرخ فروش این فلزات مثل قیمت تیرآهن در داخل کشور انجام می‌شود؛ اما ابرآلیاژها یک بازار جهانی دارد که قیمت‌گذاری آن صرفا بر اساس نرخ جهانی تعیین می‌شود.
سوپرآلیاژها در طبیعت وجود خارجی نداشته و بیشتر آنها اختراع شده‌اند، این سوپرآلیاژها که از ترکیب چند فلز با یکدیگر به وجود می‌آید بر اساس عنصر غالب شیمیایی شکل می‌گیرد. از لحاظ شیمیایی می‌توان سه گروه سوپرآلیاژ را دسته‌بندی کرد:
- سوپرآلیاژ نیکل
- ابرآلیاژ کبالت
- سوپرآلیاژ آهن
ساختمان اتمی این سوپرآلیاژها یک ساختار کریستالی دارد که به شبکه مکعبی بوده و به آن ساختار مکعبی مرکزپر گفته می‌شود و با علامت اختصاری FCC نمایش داده می‌شود. در این ساختار کریستالی هر اتم به صورت یک مکعب در نظر گرفته می‌شود که در مرکز و وجوه آن یک اتم قرار می‌گیرد. چنین ساختار کریستالی موجب می‌شود تا فلزات دیرتر از هم گسیخته شده و مقاومت بالاتری در تنش‌های محیطی از خود نشان دهند.
انواع سوپرآلیاژ چه هستند؟
سوپرآلیاژها مانند هر فلز دیگر به گروه‌های مختلف تقسیم می‌شود. متخصصین گروه‌بندی سوپرآلیاژ را به دو روش انجام می‌دهند.
گروه‌بندی شیمیایی
در این گروه‌بندی نوع ترکیب عناصر با یکدیگر مدنظر است و بر این اساس سوپرآلیاژ به سه گروه مختلف تقسیم می‌شود.
- سوپرآلیاژ پایه نیکل: عنصر زمینه نیکل بوده و بسیاری از ترکیب‌های آلیاژی از این فلز ساخته می‌شود.
- ابرآلیاژ پایه کبالت: بر اساس کبالت آلیاژ شکل می‌گیرد کم‌ترین نوع سوپرآلیاژ مربوط به گروه کبالت است.
- سوپرآلیاژ پایه آهن: آهن عنصر اصلی است و با ترکیب نیکل و کروم و گاه کبالت سوپرآلیاژهای فولادی به دست می‌آید.
گروه‌بندی از نظر روش تولید
هر کدام از سوپرآلیاژها به شکل متفاوتی تولید می‌شود که بسته به روش تولید به چهار گروه تقسیم می‌شود:
- کارپذیر
- متالورژی پودر
- پلی کریستال ریختگی
- تک کریستالی انجماد جهت‌دار
- آبرآلیاژ آهنی چیست و ویژگی‌های آن
از جمله فلزاتی که سطح وسیعی در جهان از آن استفاده می‌شود، فلز آهن است. امروزه کسی نمی‌تواند کاربرد آهن را نادیده بگیرد و می‌توان موارد زیادی را نام برد که آهن در ساخت آنها نقش دارد. به همین دلیل، همیشه دستیابی به استحکام قوی‌تر آهن مدنظر بوده است.
فولاد و چدن از جمله آلیاژهای متداول در صنایع فلزی هستند که در ساختمان‌سازی و صنعت راهسازی استفاده می‌شود. با توجه به سرعت رشد علمی جهان که همواره ایده‌های جدید شکل می‌گیرد (گردش در فضا) نیاز است تا برای تحقق ایده‌ها از فلزات قوی‌تر استفاده شود.
سوپرآلیاژ آهن یکی از این عناصر است که با ترکیب فلزاتی چون کروم، نیکل و کبالت به دست می‌آید. سوپرآلیاژ آهن شاخه‌ای از فولاد زنگ‌نزن آستنیتی بوده که دارای ساختار کریستالی FCC است.
فولاد زنگ‌نزن آستنیتی اصولا از ترکیب سه‌تایی Fe-Cr-Ni تشکیل شده که در ساختار این ترکیب ۱۶-۲۰ درصد نیکل و ۷-۲۰ درصد کروم قرار گرفته است. آهن موجود در این ترکیب آهن فاز گاما نام دارد که به آستینت معروف است. در فشار آتمسفریک، سه آلوتروپی از آهن وجود دارد که عبارت است از:
آهن آلفا: این آهن، در دمای پایین‌تر از ۹۱۲ درجه سانتی‌گراد به‌دست می‌آید و به آهن فریتی معروف است.
فولاد گاما: در زمان خنک‌شدن آهن تا دمای ۱۳۹۴ درجه سانتی‌گراد شکل می‌گیرد و به آهن آستنیتی شکل می‌گیرد.
آهن دلتا: خنک شدن آهن مذاب در دمای درجه موجب آهن فاز دلتا می‌شود.
سوپرآلیاژ آهنی حاصل ترکیب آهن گاما با دیگر فلزات است. ابرآلیاژ آهنی با درجه حرارت بالا و مقاومت در برابر خمیدگی، کاهش اکسیداسیون و خوردگی یکی از پرکاربردترین سوپرآلیاژها در صنعت هستند.
اطلاعات بیشتر در مورد ابر آلیاژها که باید بدانید…
از سوپرآلیاژ پایه آهن می‌توان به گروه اینکولوی اشاره کرد؛ باید توجه داشت که این ابرآلیاژ معمولا با گروه اینکونل اشتباه گرفته می‌شود. اینکولوی یک ابرآلیاژ آهنی است که از ترکیب آلیاژ نیکل_آهن_کروم تشکیل می‌شود و اینکونل یک آلیاژ نیکلی است که از ترکیب نیکل_کروم به دست می‌آید و مقاومت بالاتری در تنش حرارتی دارد. سوپرآلیاژ اینکولوی مقاومت عالی در برابر آب دریا دارد و می‌تواند در محیط‌های حاوی کلرید زیاد فعالیت کند. میدان‌های نفتی و گازی یکی از محیط‌های کلریدی است.
خواص سوپرآلیاژ آهنی
سوپرآلیاژهای آهنی به خاطر ترکیب منحصر به فرد عناصر و فرآیندهای تولید پیچیده‌شان، ویژگی‌هایی دارند که آنها را برای کاربردهای صنعتی پیشرفته بسیار مناسب کرده است. این آلیاژها که پایه آهنی دارند، با افزودن عناصری مانند نیکل، کروم، مولیبدن و کبالت، از نظر خواص مکانیکی و حرارتی به سطح بالاتری ارتقا پیدا می‌کنند.
مقاومت بالا در برابر حرارت: یکی از ویژگی‌های کلیدی سوپرآلیاژهای آهنی، مقاومت بی‌نظیر آنها در دماهای بالا است. این آلیاژها می‌توانند در دماهایی بین ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد بدون افت استحکام عمل کنند. این امر به دلیل پایداری ساختار میکروسکوپی آن‌هاست.
مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی: به دلیل وجود عناصری مانند کروم و نیکل، سطح این آلیاژها یک لایه محافظ اکسید تشکیل می‌دهد که از اکسیداسیون و خوردگی، به‌ویژه در شرایط سخت محیطی مثل صنایع دریایی و نفت و گاز، جلوگیری می‌کند.
مقاومت در برابر خزش: این آلیاژها تحت بارهای طولانی‌مدت و دماهای بالا، مقاومت خوبی در برابر خزش نشان می‌دهند؛ به این معنا که در شرایط تحت فشار، تغییر شکل نمی‌دهند. این ویژگی برای استفاده در صنایع هوافضا و توربین‌های گازی که قطعات باید تنش‌های دمایی و مکانیکی بالایی را تحمل کنند، بسیار مهم است.
پایداری مکانیکی در دماهای بالا: این سوپرآلیاژها حتی در دماهای بالا نیز پایداری مکانیکی قابل توجهی دارند، به همین دلیل در ساخت قطعات حساس و مستحکم مانند تیغه‌های توربین و اجزای موتورهای جت به کار می‌روند.
به‌دلیل این ویژگی‌های خاص، سوپرآلیاژهای آهنی از مواد حیاتی و استراتژیک در صنایع پیشرفته به شمار می‌آیند.
خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی سوپرآلیاژها
چرا باید خواص فیزیکی ابرآلیاژ را بدانیم یا چه لزومی دارد خواص شیمیایی سوپرآلیاژ را بدانیم؟ دانشمندان امروزه به فکر ساخت موشک‌های فضاپیما هستند که بتواند انسان را به تورهای گردشگری فضایی ببرد ساخت چنین دستگاهی نیازمند آن است که قطعاتی در ساخت فضاپیما انتخاب شود که از نظر تحمل فشار و دما، تاب‌آوری بالایی داشته باشد، لذا مهندس طراح لازم است با خواص فیزیکی مکانیکی و شیمیایی سوپرآلیاژها آشنا باشد و بتواند طبقه‌بندی ابرآلیاژ را به درستی انجام دهد؛ اما سوپرآلیاژها خواص یکسانی ندارند یعنی هر آلیاژ خواص فیزیکی شمیایی و مکانیکی منحصربه‌فرد خود را دارد.
کلام پایانی در مقاله سوپرآلیاژ چیست؟
ابرآلیاژ گستره زیادی در صنعت دارد و می‌تواند بسیاری از مشکلات ساخت را حل کند، تولید دستگاه‌هایی که بشر به خاطر عدم مواد اولیه آن را تا امروز اجرایی نکرده است، می‌توان با سوپرالیاژ آن را اجرایی کرد. امروزه ده کشور صنعتی تولیدکننده بزرگ ابرآلیاژ در جهان هستند و بازار این محصول را در اختیار دارند یکی از مشکلات امروز ایران در ساخت هواپیماهای جنگی دسترسی نداشتن به ابرآلیاژ است.
کشور ما امروزه برای خرید فولاد سوپرآلیاژی دچار مشکل است و به دلیل تحریم نمی‌تواند این فلزات را وارد کشور کند و برای همین ناچار به واردات تجهیزات از دیگر نقاط جهان هستیم. عده زیادی اطلاع کافی از این تحریم‌ها نداشته و نمی‌دانند که کشور از چه امکاناتی محروم شده است. اگر شما درباره تحریم و عدم دسترسی به ابرآلیاژ اطلاع دارید، دانش و اطلاعات خود را با دیگران به اشتراک بگذارید.
جهت مشاوره و صحبت با کارشناسان پوشش استیل پرگاس می‌توانید با شماره‌های زیر تماس بگیرید:
سلام! توی مقاله “سوپرآلیاژ چیست؟” به ویژگی‌های جالب این آلیاژها اشاره شده. می‌خواستم بپرسم که چه کاربردهایی برای سوپرآلیاژها وجود داره و چرا این آلیاژها توی صنایع مختلف این‌قدر محبوب شدن؟
سلام، سوپرآلیاژها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، مانند مقاومت در برابر حرارت و خوردگی، در صنایع مختلف بسیار محبوب هستند. این آلیاژها به‌ویژه در صنایع هوافضا، انرژی، و تولید تجهیزات سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند.
از کاربردهای اصلی سوپرآلیاژها می‌توان به تولید توربین‌های گازی، موتورهای جت، و قطعات صنعتی که در دماهای بالا کار می‌کنند، اشاره کرد. ویژگی‌های استحکام و دوام این آلیاژها در شرایط شدید، آنها را به انتخابی ایده‌آل برای پروژه‌های چالش‌برانگیز تبدیل می‌کند.