سوپرآلیاژها در واقع آلیاژهایی مقاوم در برابر حرارت، خوردگی و اكسیداسیون می­باشند كه به لحاظ تركیب شیمیایی شامل سه گروه پایه نیكل، نیكل- آهن و پایه كبالت می­باشند. اولین استفاده از سوپرآلیاژها در ساخت توربین­های گازی، طرح­های تبدیل ذغال‌سنگ، صنایع شیمیایی و صنایعی كه نیاز به مقاومت حرارتی و خوردگی داشته­اند بوده است.
امروزه تناژ وسیعی از قطعات مصرفی در توربین­های گازی از جنس سوپرآلیاژها می­باشند. در زیر به بعضی از مصارف این قطعات اشاره شده است:

- توربین­های گازی هواپیما
- توربین­های بخار نیروگاه‌های تولید برق
- ساخت قالب‌های ریخته­گری و ابزارهای گرمكار
- مصارف پزشكی و دندانپزشكی
- فضاپیماها
- تجهیزات عملیات حرارتی
- سیستم­های نوترونی و هسته­ای
- سیستم­های شیمیایی و پتروشیمی
- تجهیزات كنترل آلودگی
- تجهیزات و كوره­های نورد فلزات
- مبدل­های حرارتی تبدیل ذغال سنگ

به منظور انتخاب سوپرآلیاژها جهت مصرف در كاربردهای بالا لازم است خواص فنی نظیر شكل­پذیری، استحكام، مقاومت خزشی، استحكام خستگی و پایداری سطحی در نظر گرفته شوند.
تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب روش تولید
با توجه به نحوه تولید می­توان سوپرآلیاژها را به چهار گروه كلی تقسیم‌بندی نمود كه عبارتنداز:

1) سوپرآلیاژهای كارپذیر
سوپرآلیاژهای كارپذیر در حقیقت گروهی از سوپر آلیاژها هستند كه قابلیت كار مكانیكی دارند و از روش­های مكانیكی می­توان به آنها شكل­داد. به منظور تولید مقاطع معینی ازسوپرآلیاژهای كارپذیر، اولین گام آن است كه شمش­های سوپرآلیاژها به دلیل حضور عناصر فعال(عناصری كه سریع در مجاورت هوا اكسید می­شوند) در شرایط خاصی تهیه شوند. فرایندهای ذوب در خلاءدر مورد تهیه سوپرآلیاژهای پایه نیكل و پایه آهن جزء ضروریات می­باشد. اما در مورد سوپرآلیاژهای پایه كبالت امكان ذوب در هوا وجود دارد.
پس از تهیه شمش­ آلیاژهای كارپذیر به یكی از روش‌های فوق عملیات شكل­دهی صورت می­گیرد. عملیات شكل­دهی سوپرآلیاژها نیز می­تواند توسط عملیات متداول كلیه آلیاژهای فلزی انجام پذیرد. سوپرآلیاژهای پایه آهن، كبالت و نیكل را می­توان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سیم و اشكال دیگر توسط فرایندهای نورد، اكستروژن و آهنگری تولید نمود. معمولاً عملیات شكل­دهی در دمای بالا صورت می­گیرد و تعداد كمی از سوپرآلیاژها را می­توان به صورت سرد شكل‌دهی نمود. ساختارهای یكنواخت و ریزدانه­ای كه از شكل‌دهی سرد حاصل می­شود نسبت به ساختارهای شكل­دادن گرم ارجحیت دارند.
عملیات ترمودینامیكی بر روی سوپرآلیاژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتی­گراد انجام می­شود كه به این ترتیب در حین شكل دادن عملیات حرارتی نیز صورت می­گیرد.

2) سوپرآلیاژهای متالورژی پودر
بسیاری از انواع آلیاژهای كارپذیر از طریق فرایندهای متالورژی پودر تولید می­گردند. امروزه قطعات متالورژی پودر از جنس سوپرآلیاژ با دانسیته كامل از طریق روش‌های اكستروژن یا پرسكاری ایزواستاتیك گرم (HIP) تولید می­گردند. مهمترین این قطعات قیچی­ها و سوزنهای جراحی می­باشند.
فرایندهای متالورژی پودر به‌ دلیل داشتن مزایای زیر بر فرایندهای ریخته­گری ترجیح داده می­شوند هر چند كه معایبی را نیز به همراه خواهند داشت:

- یكنواختی در تركیب شیمیایی و ساختار كریستالی
- ریز بودن اندازه دانه­های كریستالی
- كاهش جدایش­ها
- راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد
اما مشكلاتی نظیر حضور گاز باقیمانده، آلودگی كربنی و آخال‌های سرامیكی باعث می­گردد كه در برخی موارد نیز فرایندهای شمش‌ریزی و ترمومكانیكی متداول صورت پذیرند.

3) سوپرآلیاژهای پلی‌كریستال ریختگی
وجود محدودیت‌های تكنولوژیكی سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلیاژ می‌گردد و بنابراین با پیدایش فرایندهای جدید تولید، این صنعت نیز روز به روز توسعه می­یابد.
تعداد زیادی از فرایندها را می­توان در تولید قطعات سوپرآلیاژ با اندازه نزدیك به قطعه نهایی مورد استفاده قرار داد اما اساساً این قطعات توسط فرایند ریخته­گری دقیق تولید می­گردند.
محدوده تركیب شیمیایی سوپرآلیاژهای ریختگی بسیار گسترده­تر از سوپرآلیاژهای كارپذیر بوده و بنابراین خواص متنوع­تری نیز از این طریق قابل حصول خواهند بود هر چند كه انعطاف‌پذیری و مقاومت به خستگی در فرآیندهای كار مكانیكی بهتر از ریخته­گری خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآیندهای جدید ریخته­گری و انجام عملیات حرارتی متعاقب، خواص سوپرآلیاژهای ریختگی نیز افزایش یافته است.

4) سوپرآلیاژهای تك­كریستالی انجماد جهت­دار
به‌منظور توسعه توربین­های گازی مصرفی در هواپیماها و افزایش دماهای كاری و كارآیی موتورها، به‌طور مداوم روش­های تولید سوپرآلیاژها در حال بهبود است.
قسمت‌های بحرانی توربین­ها معمولاً شامل پره­های تحت فشار بالا، هواكش­ها و دیسك­ها می­باشند. در طول 15 سال گذشته تحقیقات بسیاری در زمینه افزایش راندمان توربین­ها صورت گرفته است و عمده این تحقیقات بر امكان افزایش دمای ورودی، فشاركاری و كاهش هزینه­های تولید استوار بوده است. توسعه فرایند انجماد جهت­دار به‌منظور تولید تك‌كریستالی‌های ریختگی سبب شده تا بتوان از این طریق پره­های توربین را با دانه­های جهت­دار در راستای اعمال تنش تولید نمود و به این ترتیب علاوه بر خواص پایدار حرارتی، استحكام خستگی، استحكام خزشی و انعطاف‌پذیری نیز افزایش یابند.
با توسعه این تكنولوژی، امروزه در توربین­های مصرفی در نیروگاه‌های برق نیز از قطعات تك‌كریستال از جنس سوپرآلیاژها استفاده به‌عمل می­آید.
در سال­های اخیر شركت هواپیمایی PWA یكی از پیشگامان تولید سوپرآلیاژها می‌باشد و تولید آلیاژهای PWA 1480 به صورت تك‌كریستال توسط این شركت، سبب افزایش عمركاری هواپیمای جنگی F-100 گردیده است.
تقسیم‌بندی سوپرآلیاژها برحسب تركیب شیمیایی
به طور كلی این آلیاژها شامل سه گروه پایه نیكل، پایه آهن و پایه كبالت می­باشند كه بسته به درجه حرارت كاربردی مورد استفاده قرار می­گیرند .

1)  سوپرآلیاژهای پایه نیكل
امروزه آلیاژهای نیكل در حالت‌های "تك‌فازی"، "رسوب سختی شده" و "مستحكم‌شده توسط رسوبات اسیدی و كامپوزیت­ها" در مصارف صنعتی مختلف مورد استفاده قرار می­گیرند.
سوپرآلیاژ­های پایه نیكل پیچیده­ترین تركیباتی می­باشند كه در قطعات دمای بالا به كار می­روند. در حال حاضر 50 درصد وزن موتورهای هواپیماهای پیشرفته از جنس این آلیاژها می­باشد. خصوصیات اصلی آلیاژهای نیكل، پایداری حرارتی و قابلیت مستحكم شدن می­باشد.
بسیاری از این آلیاژها حاوی 10 الی 20 درصد كرم، حداكثر 8 درصد آلومینیوم و تیتانیم، 5 تا 15 درصد كبالت و مقادیر كمی مولیبدن، نیوبیم و تنگستن می­باشند.
دو گروه اصلی از آلیاژهای آهن- نیكل كه میزان نیكل آنها بیشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهIncoloy 706 و Inconel 718 می­باشند.
این آلیاژها معمولاً حاوی 3 تا 5 درصد نیوبیم می­باشند و در ردیف آلیاژهای پایه نیكل قرار می­گیرند. آلیاژهای پایه نیكل معمولاً تا دمای 650 درجه سانتی­گراد استحكام خود را حفظ می­كنند. اما در دماهای بالاتر به سرعت استحكام خود را از دست می­دهند.

2) سوپرآلیاژهای پایه آهن
سوپرآلیاژهای پایه آهن نشات گرفته از فولادهای زنگ نزن آستینتی می­باشند كه دارای زمینه­ای از محلول جامد آهن و نیكل بوده و برای پایداری زمینه نیاز به حداقل 25 درصد نیكل است.
- گروه‌های متعددی از این آلیاژها تاكنون مشخص گردیده­اند كه هر یك با مكانیزم­های خاصی مستحكم می­­شوند. برخی از این آلیاژها نظیر 57-V و 286-A حاوی 25 تا 35 درصد وزنی نیكل می­باشند و استحكامشان به دلیل حضور آلومینیوم و تیتانیم می‌باشد.
- گروه دوم آلیاژهای پایه آهن كه آلیاژهایX750 و Incoloy901 نمونه­های آن می­باشند، حداقل 40 درصد وزنی نیكل داشته و همانند گروه­های با نیكل بالاتر استحكام بخشی توسط سختی رسوبی صورت می­گیرد.
- گروه دیگر این آلیاژها بر پایه آهن- نیكل- كبالت می­باشند و استحكام این گروه در محدوده 650 درجه سانتی­گراد مناسب بوده و ضریب انبساط حرارتی آنها پایین می­باشد. این آلیاژها شامل Incoloy با شماره­های 903، 907، 909، 1-1- PyrometCTX  و 3-PyrometCTX  و غیره می­باشند.

3)  سوپرآلیاژهای پایه كبالت
سوپرآلیاژهای كارپذیر پایه كبالت برخلاف سایر سوپرآلیاژها مكانیزم استحكام بخشی متقاوتی دارند و خواص حرارتی خوبی در دمای حدود 1000 درجه سانتی­گراد خواهند داشت.
سوپرآلیاژهای پایه كبالت حاوی كرم، مقاومت به خوردگی و اكسیداسیون خوبی داشته و هم چنین قابلیت جوشكاری و مقاومت به خستگی حرارتی آنها نسبت به آلیاژهای پایه نیكل بالاتر می­باشد. از طرف دیگر امكان ذوب و ریخته­گری این آلیاژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزیت دیگری نسبت به سایر سوپرآلیاژها كه نیاز به خلاء دارند می­باشد.
سه گروه اصلی آلیاژهای پایه كبالت را می­توان به صورت ذیل در نظر گرفت:

- آلیاژهایی كه در دماهای بالا در محدوده 650 تا 1150 درجه سانتی­گراد مورد استفاده قرار می­گیرند كه شامل آلیاژهایS-816، 25HAYNES، 188 25HAYNES، 55625HAYNES، 50UMCO می­باشند.

- آلیاژهایی كه تا حدود 650 درجه سانتی­گراد به كار می­روند نظیرTN3MP، 159 MP

- آلیاژ مقاوم به سایش  B 6 Stellite

آلیاژ 2525HAYNES بیشترین كاربرد را در میان آلیاژهای كارپذیر پایه كبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمكار نظیر توربین­های گازی، اجزاء راكتورهای هسته­ای، ایمپلنت‌های جراحی و غیره مورد استفاده قرار گرفته­اند. آلیاژهای گروه پایه كبالت كه شامل كرم- تنگستن- كربن می­باشند معروف به آلیاژهای Satellite بوده كه به شدت مقاوم به سایش می­باشند.
این گروه معمولاً در مواردی كه مقاومت سایشی در درجه حرارت‌های بالا مورد نیاز باشد به كار می­روند. در واقع سختی این مواد در دمای بالا حفظ شده و در مواقعی كه نمی­توان در حین كار روغنكاری انجام داد به خوبی مورد استفاده قرار می­گیرند.

بازار سوپرآلیاژها
شاید بتوان گسترش بازار سوپرآلیاژها را در دنیا مربوط به صنایع هوا _ فضا در نظر گرفت كه با توجه به رشد روزافزون این صنعت و قطعات یدكی آن در سطح جهان پیش بینی می­گردد كه تنها بازار قطعات یدكی هواپیماها بالغ بر 4،5 میلیارد دلار باشد، بررسی­ها حاكی از آنست كه تا سال 2015 تعداد 16000 فروند هواپیمای جدید با موتورهای توربین گازی وارد بازار می­شوند كه نیمی از وزن این موتورها از جنس سوپر آلیاژ خواهدبود .
بر اساس آمارهای تخمینی موجود در ایران، سوپرآلیاژها سالانه به میزان 80 میلیون دلار در سه وزارت­خانه نفت، نیرو و دفاع مورد استفاده قرار می­گیرند.

خواص و نحوه ی تولید الیاف کربنی

تقسیم بندی الیاف کربن برحسب نوع ماده اولیه به کار گرفته شده در تولید :
در حال حاظر سه نوع منبع برای تولید این الیاف وجود دارد :
-1 الیاف کربن ساخته شده از گیاهان یا سلولزی -2 الیاف کربن ساخته شده از قیر یاpitch
-3 الیاف کربن ساخته شده از پلی اکریل نیتریل (PAN)
به دلیل ساختمان مولکولی و اتمی و همچنین تولید مدول کششی قابل توجه با سایر انواع الیاف نوع سوم از اهمیت بیثشتری برخوردار بوده و کاربردهای متعددی در صنعت دارد . ما هم توجه خود را معطوف به این نوع کرده و به اختصار درباره روش تولید آن توضیحاتی را بیان می کنیم . شایان ذکر است که مطالب مربوط به تولید بسیار مفصل بوده و در این مقاله نمی گنجد .

PAN(PolyAcryloNitrile
پلی اکریل نیتریل یاPAN از پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد آکریل نیتریل یاAN بدست می آید . برای تهیه آکریل نیتریل نیز از فرایند معروف SOHIO که توسط ژاپنیها ابداع شده است ٬ استفاده می شود . در این فرایند از واکنش شیمیایی بین دو گاز پروپیلن و آمونیاک در حضور کاتالیزورهای مناسب که شدیداً هم گرمازا می باشد ٬ آکریل نیتریل به همراه HCN تولید می شود که همانطور که گفته شد از پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد آکریل نیتریل ٬ آکریل نیتریل بدست می آید . راکتور مورد استفاده برای پلیمریزاسیون از نوع بستر سیالی یا Fluid Bed می باشد . بعد از تهیه پلی اکریل نیتریل خام باید تعدادی از فرایندهای مناسب برای آماده سازی و هرچه حالص تر شدن آن مورد استفاده قرار گیرد. زیرا در غیر اینصورت الیاف کربن تولیدی مقاومت کششی مطلوب را نخواهند داشت .مهمترین این فرایندها filteration می باشد که ابعاد صافی های مورداستفاده در حد میکرون µ می باشند.

مراحل تولید :
شمای کلی خط تولید به صورت زیر می باشد :

ریسش یا Spining
در این مرحله همانطور که گفته شد یکی از مراحل آماده سازی PAN می باشد . که بعد از انجام filteration مناسب پلی اکریل نیتریلها را بصورت رشته ای یا به صورت تار در می آورند .سپس در دستگاههای ریسش مخصوص به صورت نوعی فیبر در خواهند آمد .

اکسیداسیون oxidation
دراین مرحله در کوره های مخصوص فیبرهای اکریلیک تحت درجه حرارتی در حدود 200 الی 300 درجه سانتیگراد ودر حضور هوا یا گازهای مناسب دیگر قرار می گیرند . تا آمادگی کامل برای طی و سپری کردن سایر مراحل تولید را بدست آورند. البته به این مرحله مرحله تثبیت سازی نیز گفته می شود . فیبرهای آکریلیک باید زمانی در حدود 2 ساعت را دراین کوره ها طی کنند.

کربونیزاسیونCarbonization
درجه حرارت در این مرحله بین 1000تا 1700 درجه سانتیگراد میباشد . این فرایند باید در یک محیط راکد و معمولا در حضور گاز نیتروژن صورت می گیرد. خواص فیبرهای کربن بعد از طی این مرحله بصورت زیر می باشد :
مدول کششی :200-300GPa
مقاومت فشاری :3GPa
مدول برشی:15GPa

گرافیتاسیون Graphitization
این فرایند نیز درون کوره های مخصوصی دریک محیط راکد و در درجه حرارتی بین 2500تا3000 درجه سانتیگراد صورت می گیرد. البته این مرحله در مورد فیبرهایی که باید مدول کششی بالایی داشته باشند اجرا می شود . خواص فیبرهای کربن بعد از طی این مرحله بصورت زیر می باشد :
مدول کششی :500-600GPa
مقاومت فشاری : 16GPa
مدول برشی:10GPa
بعد از طی این مرحله قطر الیاف کربن به 5 الی 7 میکرون می رسد .

عملیات سطحی و اندازه ای surface treatment and sizing
در این مرحله سطح الیاف کربن را با باندها و نوارهای شیمیایی وبرای اینکه در هنگام استفاده از رزین در تهیه مواد کامپوزیتی چسبندگی بهتری داشته باشد ٬ آغشته می کنند. و همچنین در مرحله اندازه بندی علاوه بر بسته بندی الیاف کربن و تعیین چگونگی روش بارگیری آن ٬ برای محافظت فیبرهای کربن در طی انجام مراحل بعدی از یک اپوکسی نیز استفاده می شود .

انواع الیاف کربن با توجه به مقدار مدول الاستیسیته :
1- مدول کم (Low Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله تا 200GPa می رسد و درجه حرارت فرایند کربونازیسیون تا 1000 درجه سانتیگراد خواهد بود.
2-مدول استاندارد(Standard Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله بین 200-250GPa و درجه حرارت کربونازیسیون بین 1000-1500 درجه سانتیگراد می باشد .
3- مدولهای متوسط(Intermediate Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله به 250-325GPa ودرجه حرارت کربونازیسیون بین 1500تا 2000 درجه سانتیگراد می باشد .
4- مدولهای زیاد(High Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله به 350-600GPa ودرجه حرارت کربونازیسیون بیش از 2000درجه سانتیگراد به همراه مرحله گرافیتازیسیون می باشد .
5- مدولهای بسیار زیاد(Ultra High Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله به بیش از 600GPa ودرجه حرارت کربونازیسیون درحدود 3000درجه سانتیگراد به همراه مرحله گرافیتازیسیون می باشد .

کاربردهای الیاف کربن :

با یک مقایسه سریع بین خواص این الیاف و فولاد می توان به اهمیت این مواد پی برد :
فیبر کربن استاندارد :
مقاومت کششی :3.5GPa مدول کششی230GPa وچگالی 1.75g/ccm
فولاد با مقاومت خیلی زیاد:
مقاومت کششی:1.3GPa مدول کششی210GPa و چگالی 7.87g/ccm
با توجه به جدول پر واضح است که الیاف کربن مقاومت کششی بالاتری نسبت به فولاد دارند در حالی که وزن تقریبا یک چهارم آن را دارا می باشند . به همین دلیل امروزه در صنایع مختلفی بویژه هوا فضا سعی می شود از این الیاف به جای فلزات استفاده شود . حتی در تهیه ابزارالات ورزشی نیز ( چوب گلف و راکت تنیس) نیز امروزه از این الیاف استفاده می شود . در ساخت اسکلت بتنی پلها و ساختمانهای بزرگ نیز از این الیاف برای بالا بردن استحکام و کاهش وزن سازه نیز استفاده می شود . در صنایع نفت و گاز و نظامی و... کاربردهای متعددی از این الیاف وجود دارد. تنها مشکل و ایراد وارد براین الیاف بدون توجه به مسئله زیستی و محیطی مقاومت پایین این کامپوزیتهای در برابر ضربه می باشد که برای جبران این نقص از سایر انواع کامپوزیتها به عنوان مکمل مثل فیبر شیشه استفاده می شود .
10 سال آینده را می توان دهه حکومت این الیاف در تمامی جنبه های صنعتی پیش بینی کرد .

www.smsm.ir
سایت مرجع مهندسی ایران

مطالب تصادفی:

درباره آنالیز روغن بیشتر بدانیم (Oil Analysis) - جمعه دوم مهر 1389
آشنایی با چند داروی گیاهی - جمعه دوم مهر 1389
راهنمای تشخیص معایب پیستون - جمعه دوم مهر 1389
روشهای تصفیه مواد نفتی - پنجشنبه یکم مهر 1389
عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینوم - پنجشنبه یکم مهر 1389
گاز از خام تا فرآورده - پنجشنبه یکم مهر 1389
معایب و محاسن تیرهای لانه زنبوری - چهارشنبه سی و یکم شهریور 1389
بازیافت مواد کامپوزیتی - یکشنبه بیست و هشتم شهریور 1389
بازرسی کیفی مخازن تحت فشار - دوشنبه هجدهم مرداد 1389
معماری و الكترونیك - چهارشنبه ششم مرداد 1389
رنگ ، عنصر اصلی دکوراسیون - چهارشنبه ششم مرداد 1389
كسب درآمد از نرم‌افزارهای اپن‌سورس - چهارشنبه ششم مرداد 1389
ترك گرم در جوش فولاد زنگ نزن آستنیتی - چهارشنبه ششم مرداد 1389
پرورش شتر مرغ - بخش دوم - چهارشنبه ششم مرداد 1389
جوشکاری فولادهای ضد زنگ و ضد خوردگی - چهارشنبه ششم مرداد 1389
کانی های آزبست - چهارشنبه ششم مرداد 1389
فن آوری تولید بیوگاز از فاضلاب - شنبه دوم مرداد 1389
آموزش ‌الکترونیکی - سه شنبه بیست و نهم تیر 1389
متالورژی تیتانیوم - سه شنبه بیست و نهم تیر 1389
تصویربرداری سینه با "تی- اسکن" - سه شنبه بیست و نهم تیر 1389
جوشکاری قوسی آلومينيوم به فولاد - سه شنبه بیست و نهم تیر 1389
دوربین گاما - جمعه بیست و پنجم تیر 1389
سیستم راهگاهی - جمعه بیست و پنجم تیر 1389
مهندسی مجازی در نیروگاه های آینده - جمعه بیست و پنجم تیر 1389
دراگلاین - پنجشنبه بیست و چهارم تیر 1389
نوسازی شهری و ماندگاری توسعه - شنبه نوزدهم تیر 1389
اثرات زیست محیطی استخراج آلومینیوم - شنبه نوزدهم تیر 1389

نوع مطلب : مهندسی مواد - متالورژی
نوشته شده در یکشنبه ۱ خرداد ۱۳۹۰ توسط SMSM |           |