تحقیق بررسی ریخته گری فولاد،ذوب فلزات



فهرست مطالب
مقدمه ۹
۱-۱- معرفی و به کار گیری سوپر آلیاژها ۹
۱-۲- مروری کوتاه بر فلزات با استحکام در دمای بالا ۱۰
۱-۳- اصول متالورژی سوپر آلیاژها ۱۱
۱-۴- بعضی از ویژگیها و خواص سوپر آلیاژها ۱۳
۱-۵- کاربردها ۱۵
۲-۱- کلیات ۱۸
۲-۲- شکل سوپر آلیاژها ۱۸
۲-۳- دمای کاری سوپرآلیاژها ۱۹
۲-۴- مقایسه سوپر آلیاژهای ریخته و کار شده ۲۰
۲-۴-۱- سوپر آلیاژهای کار شده ۲۰
۲-۴-۲- سوپر آلیاژهای ریخته ۲۱
۲-۵- خواص سوپرآلیاژها ۲۲
۲-۵-۱- کلیات ۲۲
۲-۵-۲- سوپر آلیاژهای پیشرفته ۲۳
۲-۵-۳- خواص مکانیکی و کاربرد سوپرآلیاژها ۲۴
۲-۶- انتخاب سوپرآلیاژها ۲۶
۲-۶-۱- کاربردهای آلیاژهای کار شده در دمای متوسط ۲۶
۲-۶-۲- کاربردهای آلیاژهای ریخته در دمای بالا ۲۷
۳-۱- گروه ها، ساختارهای بلوری و فازها ۳۱
۳-۱-۱- گروه های سوپرآلیاژها ۳۱
۳-۱-۲- ساختار بلوری ۳۱
۳-۱-۳- فاز در سوپرآلیاژها ۳۲
۳-۲- مقدمه ای بر گروه های آلیاژی ۳۳
۳-۲-۱- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل ۳۳
۳-۲-۲- سوپرآلیاژهای پایه نیکل ۳۴
۳-۲-۳- سوپرآلیاژهای پایه کبالت ۳۵
۳-۳- عناصر آلیاژی و اثرات آنها بر ریزساختار سوپرآلیاژها ۳۶
۳-۳-۲- عناصر اصلی در سوپرآلیاژها ۳۶
۳-۳-۳- عناصر جزئی مفید در سوپرآلیاژها ۳۷
۳-۳-۴- عناصر تشکیل دهنده فازهای ترد ۳۷
۳-۳-۵- عناصر ناخواسته و مضر در سوپرآلیاژها ۳۸
۳-۳-۶- عناصر ایجاد کننده مقاومت خوردگی و اکسیداسیون ۳۸
۳-۴- استحکام دهی سوپرآلیاژها ۳۹
۳-۴-۱- رسوب ها و استحکام ۳۹
۳-۴-۲- فاز ۴۰
۳-۴-۳- فاز ۴۱
۳-۴-۴- کاربیدها ۴۱
۳-۴-۵- کاربیدهای M7C3 44
3-4-6- بوریدها و عناصر جزئی مفید دیگر (به جز کربن) ۴۴
۳-۵- تاثیر فرآیند بر بهبود ریز ساختار ۴۵
ذوب و تبدیل ۴۶
۴-۱- فرآیند EAF/AOD 47
4-1-1- تشریح فرآیند EAF/AOD 47
4-2- عملیات کوره قوس الکتریکی/ کربن زدایی با اکسیژن و آرگن (EAF/AOD) 50
4-2-1- ترکیب شیمیایی آلیاژ و آماده کردن شارژ ۵۰
۴-۲-۲- بارگذاری EAF 52
4-2-3- کوره قوس الکتریک ۵۲
۴-۲-۴- تانک AOD 55
4-2-5- پاتیل ریخته گری ۵۷
۴-۳- مروری بر ذوب القایی در خلاء (VIM) 58
4-3-2- تشریح فرآیند VIM 59
4-4- عملیات ذوب القایی در خلاء ۶۱
۴-۴-۱- عملیات ذوب القایی در خلاء ۶۱
۴-۴-۲- کوره القائی تحت خلاء ۶۳
۴-۴-۳- سیستم های ریخته گری ۶۵
۴-۴-۴- عملیات ذوب القایی در خلاء ۶۷
۴-۵- مروری بر ذوب مجدد ۷۱
۴-۵-۲- تشریح فرآیند ذوب مجدد در خلاوء با قوس الکتریکی (VAR) 72
4-5-3- تشریح فرآیند مجدد با سرباره الکتریکی (ESR) 73
4-6- عملیات ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی ۷۴
۴-۶-۱- کوره VAR 74
4-6-2- عملیات ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی ۷۶
۴-۶-۳- کنترل ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی ۷۶
۴-۷- عملیات ذوب مجدد با سربار الکتریکی (ESR) 79
4-7-1- کوره ESR 79
4-7-2- عملیات کوره ذوب مجدد با سرباره الکتریکی ۸۰
۴-۷-۳- کنترل ذوب مجدد با سرباره الکتریکی ۸۱
۴- انتخاب سرباره ۸۳
۴-۸- محصولات ذوب سه مرحله ای ۸۴
۴-۸-۲- ‏فرآیند ذوب سه مرحله ای شمش ۸۵
۴-۹- تبدیل شمش و محصولات نورد ۸۶
۴-۹-۲- همگن سازی توزیع عنصر محلول در شمش ها ۸۸
۴-۹-۳- آهنگری محصول نیمه تمام ۸۹
۴-۹-۴- آهنگری محصول نیمه تمام آلیاژ IN-718 91
4-9-5- اکستروژن ۹۲
۴-۹-۶- نورد ۹۳
۴-۹-۷- دسترسی به محصولات نورد ۹۴

فصل اول

مقدمه
طراحان نیاز فراوانی به مواد مستحکم تر و مقاوم تر در برابر خوردگی دارند. فولادهای زنگ نزن توسعه داده شده و به کار رفته در دهه های دوم و سوم قرن بیستم میلادی، نقطه شروعی برای برآورده شدن خواسته های مهندسی در دماهای بالا بودند. بعداً معلوم شد که این مواد تحت این شرایط دارای استحکام محدودی هستند. جامعه متالوژی با توجه به نیازهای روز افزون بوجود آمده، با ساخت جایگزین فولاد زنگ نزن که سوپر آلیاژ نامیده شد به این تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلیاژها مواد اصلاح شده پایه آهن به وجود آمدند، که بعدها نام سوپر آلیاژ به خود گرفتند.
با شروع و ادامه جنگ جهانی دوم توربین های گازی تبدیل به یک محرک قوی برای اختراع و کاربرد آلیاژها شدند. در سال 1920 افزودن آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژهای از نوع نیکروم به عنوان اختراع به ثبت رسید، ولی صنعت سوپر آلیاژها با پذیرش آلیاژ کبالت (ویتالیوم) برای برآورده کردن نیاز به استحکام در دمای بالا در موتورهای هواپیما پدیدار شدند. بعضی آلیاژهای نیکل- کروم (اینکونل و نیمونیک) مانند سیم نسوز کم و بیش وجود داشتند و کار دستیابی به فلز قوی تر در دمای بالاتر برای رفع عطش سیری ناپذیر طراحان ادامه یافت و هنوز هم ادامه دارد.
1-1- معرفی و به کار گیری سوپر آلیاژها
سوپر آلیاژها؛ آلیاژهای پایه نیکل، پایه آهن- نیکل و پایه کبالت هستند که عموماً در دماهای بالاتر از oC540 استفاده می شوند. سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل مانند آلیاژ IN-718 از فن آوری فولادهای زنگ نزن توسعه یافته و معمولاً به صورت کار شده می باشند. سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت بسته به نوع کاربرد و ترکیب شیمیایی می توانند به صورت ریخته یا کار شده باشند.
در شکل 1-1 رفتار تنش- گسیختگی سه گروه آلیاژی با یکدیگر مقایسه شده اند (سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل، پایه نیکل و پایه کبالت). در جدولهای 1-1 و 1-2 فهرستی از سوپر آلیاژها و ترکیب شیمیایی آنها آورده شده است.
سوپر آلیاژهای دارای ترکیب شیمیایی مناسب را می توان با آهنگری و نورد به اشکال گوناگون در آورد. ترکیب های شیمیایی پر آلیاژتر معمولاً به صورت ریخته گری می باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می توان با جوشکاری یا لحیم کاری بدست آورد، اما ترکیب های شیمیایی که دارای مقادیر زیادی از فازهای سخت کننده هستند، به سختی جوشکاری می شوند. خواص سوپر آلیاژها را با تنظیم ترکیب شیمیایی و فرآیند (شامل عملیات حرارتی) می توان کنترل کرد و استحکام مکانیکی بسیار عالی درمحصول تمام شده بدست آورد.
1-2- مروری کوتاه بر فلزات با استحکام در دمای بالا
استحکام اکثر فلزات در دماهای معمولی به صورت خواص مکانیکی کوتاه مدت مانند استحکام تسلیم یا نهایی اندازه گیری و گزارش می شود. با افزایش دما به ویژه در دماهای بالاتر از 50 درصد دمای نقطه ذوب (بر حسب دمای مطلق) استحکام باید بر حسب زمان انجام اندازه گیری بیان شود. اگر در دماهای بالا باری به فلز اعمال شود که به طور قابل ملاحظه ای کمتر از بار منجر به تسلیم در دمای اتاق باشد، دیده خواهد شد که فلز به تدریج با گذشت زمان ازدیاد طول پیدا می کند. این ازدیاد طول وابسته به زمان خزش نامیده می شود و اگر به اندازه کافی ادامه یابد به شکست (گسیختگی) قطعه منجر خواهد شد. استحکام خزش یا استحکام گسیختگی (در اصطلاح فنی استحکام گسیختگی خزش یا استحکام گسیختگی تنشی نامیده می شود) همانند استحکام های تسلیم و نهایی در دمای اتاق یکی از مولفه های مورد نیاز برای فهم رفتار مکانیکی ماده است. در دماهای بالا استحکام خستگی فلز نیز کاهش پیدا می کند. بنابراین برای ارزیابی توانایی فلز با در نظر گرفتن دمای کار و بار اعمال شده لازم است، استحکام های تسلیم و نهایی، استحکام خزش، استحکام گسیختگی و استحکام خستگی معلوم باشند. ممکن است به خواص مکانیکی مرتبط دیگری مانند مدول دینامیکی، نرخ رشد ترک و چقرمگی شکست نیز نیاز باشد. خواص فیزیکی ماده مانند ضریب انبساط حرارتی، جرم حجمی و غیره فهرست خواص را تکمیل می کنند.
1-3- اصول متالورژی سوپر آلیاژها
سوپر آلیاژهای پایه آهن، نیکل و کبالت معمولاً دارای ساختار بلوری با شکل مکعبی با سطوح مرکزدار (FCC) هستند. آهن و کبالت در دمای محیط دارای ساختار FCC نیستند. هر دو فلز در دماهای بالا یا در حضور عناصر آلیاژی دیگر دگرگونی یافته و شبکه واحد آنها به FCC تبدیل می شود. در مقابل، ساختمان بلوری نیکل در همه دماها به شکل FCC است. حد بالایی این عناصر در سوپر آلیاژها توسط دگرگونی فازها و پیدایش فازهای آلوتروپیک تعیین نمی شود بلکه توسط دمای ذوب موضعی آلیاژها و انحلال فازهای استحکام یافته تعیین می گردد. در ذوب موضعی بخشی از آلیاژ که پس از انجماد ترکیب شیمیایی تعادلی نداشته است در دمایی کمتر از مناطق مجاور خود ذوب می شود. همه آلیاژها دارای یک محدوده دمایی ذوب شدن هستند و عمل ذوب شدن در دمای ویژه ای صورت نمی گیرد، حتی اگر جدایش غیر تعادلی عناصر آلیاژی وجود نداشته باشد. استحکام سوپر آلیاژها نه تنها بوسیله شبکه FCC و ترکیب شیمیایی آن، بلکه با حضور فازهای استحکام دهنده ویژه ای مانند رسوب ها افزایش می یابد. کار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ (مانند تغییر شکل سرد) نیز استحکام را افزایش می دهد، اما این استحکام به هنگام قرارگیری فلز در دماهای بالا حذف می شود.
تمایل به دگرگونی از فاز FCC به فاز پایدارتری در دمای پایین وجود دارد که گاهی در سوپر آلیاژهای کبالت اتفاق می افتد. شبکه FCC سوپر آلیاژ قابلیت انحلال وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحکام دهنده (در سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل و پایه نیکل) انعطاف پذیری بسیار عالی آلیاژ را به همراه دارد. چگالی آهن خالص gr/cm3 87/7 و چگالی نیکل و کبالت تقریباً gr/cm3 9/8 می باشد. چگالی سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل تقریباً gr/cm3 3/8-9/7 پایه کبالت gr/cm3 4/9-3/8 و پایه نیکل gr/cm3 9/8-8/7 است.
چگالی سوپر آلیاژها به مقدار عناصر آلیاژی افزوده شده بستگی دارد. عناصر آلیاژی Cr, Ti و Al چگالی را کاهش و Re, W و Ta آنرا افزایش می دهند. مقاومت به خوردگی سوپر آلیاژها نیز به عناصر آلیاژی افزوده شده به ویژه Cr, Al و محیط بستگی دارد.
دمای ذوب عناصر خالص نیکل، کبالت و آهن به ترتیب 1453 و 1495 و 1537 درجه سانتی گراد است. دمای ذوب حداقل (دمای ذوب موضعی) و دامنه ذوب سوپر آلیاژها، تابعی از ترکیب شیمیایی و فرآیند اولیه است. به طور کلی دمای ذوب موضعی سوپر آلیاژهای پایه کبالت نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل بیشتر است. سوپر آلیاژهای پایه نیکل ممکن است در دمای oC1204 از خود ذوب موضعی نشان دهند. انواع پیشرفته سوپر آلیاژهای پایه نیکل تک بلور دارای مقادیر محدودی از عناصر کاهش دهنده دمای ذوب هستند و به همین لحاظ، دارای دمای ذوب موضعی برابر یا کمی بیشتر از سوپر آلیاژهای پایه کبالت هستند.
1-4- بعضی از ویژگیها و خواص سوپر آلیاژها
1- فولادهای معمولی و آلیاژهای تیتانیوم در دماهای بالاتر oC540 دارای استحکام کافی نیستند و امکان خسارت دیدن آلیاژ در اثر خوردگی وجود دارد.
2- چنانچه استحکام در دماهای بالاتر (زیر دمای ذوب که برای اکثر آلیاژها تقریباً 1371-1204 درجه سانتیگراد است) مورد نیاز باشد، سوپر آلیاژهای پایه نیکل انتخاب می شوند.
3- از سوپر آلیاژهای پایه نیکل می توان در نسبت دمایی بالاتری (نسبت دمای کار به دمای ذوب) در مقایسه با مواد تجاری موجود استفاده کرد. فلزات دیرگداز (نسوز) نسبت به سوپر آلیاژها دمای ذوب بالاتری دارند ولی سایر خواص مطلوب آنها را ندارند و به همین خاطر به طور وسیعی مورد استفاده قرار نمی گیرند.
4- سوپر آلیاژهای پایه کبالت را می توان به جای سوپر آلیاژهای پایه نیکل استفاده کرد که این جایگزینی به استحکام مورد نیاز و نوع خوردگی بستگی دارد.
5- در دماهای پایین تر وابسته به استحکام مورد نیاز، سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت کاربرد بیشتری پیدا کرده اند.
6- استحکام سوپر آلیاژ نه تنها مستقیماً به ترکیب شیمیایی بلکه به فرآیند ذوب، آهنگری و روش شکل دهی، روش ریخته گری و بیشتر از همه به عملیات حرارتی پس از شکل دهی، آهنگری یا ریخته گری بستگی دارد.
7- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت ارزان تر هستند.
8- اکثر سوپر آلیاژهای کار شده برای بهبود مقاومت خوردگی دارای مقداری کروم هستند. مقدار کروم در آلیاژهای ریخته در ابتدا زیاد بود، اما به تدریج مقدار آن کاهش یافت تا عناصر آلیاژی دیگری برای افزایش خواص مکانیکی سوپر آلیاژهای دما بالا، به آنها افزوده شوند. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل با کاهش کروم مقدار آلومینیوم افزایش یافت، در نتیجه مقاومت اکسیداسیون آنها در همان سطح اولیه باقی می ماند و یا افزایش می یابد، اما مقاومت در برابر انواع دیگر خوردگی کاهش می یابد.
9- سوپر آلیاژها مقاومت در برابر اکسیداسیون بالایی دارند اما در بعضی موارد مقاومت خوردگی کافی ندارند. در کاربردهایی مانند توربین هواپیما که دما بالاتر از oC760 است سوپر آلیاژها باید دارای پوشش باشند. سوپر آلیاژها در کاربردهای طولانی مدت در دماهای بالاتر از oC649 مانند توربین های گازی زمینی می توانند پوشش داشته باشند.
10- فن آوری پوشش دهی سوپر آلیاژها بخش مهمی از کاربرد و توسعه آنها می باشد. نداشتن پوشش به معنی کارآیی کم سوپر آلیاژ در دراز مدت و دماهای بالا است.
11- در سوپر آلیاژها به ویژه در سوپر آلیاژهای پایه نیکل بعضی از عناصر در مقادیر جزئی تا زیاد اضافه شده اند. در بعضی از آلیاژها تعداد عناصر کنترل شده موجود تا 14 عنصر و بیشتر می تواند باشد.
12- نیکل، کبالت، کروم، تنگستن، مولیبدن، رنیم، هافنیم و دیگر عناصر استفاده شده در سوپر آلیاژها اغلب گران بوده و مقدارشان در طی زمان متغیر است.

1-5- کاربردها
کاربرد سوپر آلیاژها در دماهای بالا بسیار گسترده و شامل قطعات و اجزاء هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی است. موتور F119 که یکی از آخرین موتورهای هواپیماهای نظامی است، نشان داده شده است. دمای گاز در بخش داغ موتور (ناحیه خروجی موتور) ممکن است به دمایی بالاتر از oC 1093 برسد. با استفاده از سیستمهای خنک کننده دمای اجزاء فلزی کاهش پیدا می کند و سوپر آلیاژ که توانایی کار کردن در این دمای بالا را دارد، جزء اصلی بخش داغ به شمار می رود.
اهمیت سوپر آلیاژها در تجارت روز را می توان با یک مثال نشان داد. در سال 1950 فقط 10 درصد از کل وزن توربین های گاز هواپیما از سوپر آلیاژها ساخته می شد، اما در سال 1985 میلادی این مقدار به 50 درصد رسید.
در جدول 1-3 فهرستی از کاربردهای جاری سوپر آلیاژها آورده شده است.باید خاطر نشان ساخت، که همه کاربردها به استحکام در دمای بالا نیاز ندارند. ترکیب و مقاومت خوردگی سوپر آلیاژها، مواد استانداردی برای ساخت وسایل پزشکی بوجود آورده است. سوپر آلیا ژها همچنین کاربردهایی در دماهایی بسیار پایین پیدا کرده اند.

فصل دوم

انتخاب سوپر آلیاژها

2-1- کلیات
در جدولهای 2-1 و 2-2 داده هایی درباره تنش گسیختگی سوپر آلیاژها آورده شده است. با مراجعه به شکل 1-1 می توانید یک نگاه کلی بر روی تنش گسیختگی سوپر آلیاژها داشته باشید. جمع آوری اطلاعات بیشتر به داده های ارائه شده، از طرف سازندگان و نیز دسترسی به اطلاعات فنی منتشر شده بستگی دارد. به استثناء محصولات نورد شده مانند ورق و میله در بقیه محصولات قطعاً نمی توان انتظار داشت، که ترکیب شیمیایی بدست آمده، از آزمون در آزمایشگاه های مختلف با یکیدگر برابر و یکسان باشند. ریز ساختار تنها عامل مهم در تعریف و تعیین خواص مکانیکی سوپر آلیاژهاست. تغییر ریز ساختار به معنی تغییر خواص و نتایج آزمون است. بدون توجه به ریز ساختار و شرایط آزمون نتایج بدست آمده، از آزمایش ترکیب شیمیایی از نوع آماری خواهند بود. دنبال کردن و نتیجه گیری از داده ها در هر آلیاژی کاری دشوار است.
2-2- شکل سوپر آلیاژها
سوپرآلیاژها به صورت ریخته (معمولاً عملیات حرارتی شده یا تحت فرآیندهای دیگر قرار گرفته) و یا کار شده (اغلب عملیات حرارتی شده یا تحت فرآیندهای دیگر قرار گرفته) هستند. محصولات ریخته ممکن است به صورت شمش برای ذوب مجدد، یا کار مجدد، مانند آهنگری و یا به شکل محصول نیمه تمام مشابه محصول نهایی باشند. محصولات کار شده اغلب، در حد واسط شکل نهایی مانند، محصولات نورد شده شامل میله، ورق، سیم، صفحه و غیره قرار دارند.
یکی از مسائل مهم متالوژی سوپرآلیاژها در قرن بیستم، تولید شکل نهایی یا نزدیک به آن محصولات کار شده بود. (اشکال ریخته نهایی به روش ریخته گری دقیق چندین دهه است که تولید می شوند). در نتیجه تلاش های به عمل آمده، فهم کامل فرآیندهای کار گرم و کار سرد، با استفاده از رایانه و به کار بردن فن آوری های جدید، طراحان را قادر ساخت که شکل محصولات را تا حد ممکن به شکل نهایی نزدیک گردانند.
2-3- دمای کاری سوپرآلیاژها
همانگونه که گفته شد، سوپر آلیاژها عموماً برای کار در دماهای بالاتر از oC 540 و کمتر از نقطه ذوب که معمولاً بالاتر از oC1204 است، مناسب هستند.
آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل عموماص دارای حد دمایی در حدود oC816 هستند. در دماهای بالاتر از این حد از آلیاژهای ریخته استفاده می شود. استحکام اکثر سوپر آلیاژها توسط رسوب فاز ثانویه افزایش پیدا می کند، و حد بالائی محدوده دمائی استفاده از آلیاژ تحت تاثیر نوع پایه آلیاژ (پایه نیکل یا پایه آهن- نیکل) مقدار و نوع رسوب و شکل آلیاژ (ریخته یا کار شده) است.
امروزه در صنعت سوپر آلیاژها کاملاً مشخص است که از چه نوع آلیاژ ویژه ای برای کار در یک دمای مشخص استفاده شود. به عنوان مثال اکثر سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل کار شده، فقط در دماهای oC704-649 مورد استفاده قرار می گیرند. محدوده دمایی بعضی از سوپر آلیاژها در دمای زیر oC540 و اکثراً کمتر از oC427 شروع می شود. سوپر آلیاژهای کار شده در توربین های گازی استفاده می شوند، زیرا آلیاژهای تیتانیوم برای این کار مناسب نیستند. آلیاژهای ریخته در بیشترین دما می توانند کار کنند و از آنها در موتورهای توربین استفاده می شود.
سوپر آلیاژها معمولاً دارای یک ویژگی مقدم بر دیگر ویژگی ها هستند. در یک ترکیب شیمیایی مشابه، اگر به صورت ریخته یا کار شده استفاده شوند ممکن است عملیات حرارتی متفاوتی بر روی آنها انجام گیرد. زمانی که یک سوپر آلیاژ به همان شکل تولید شده استفاده می شود برای بهینه کردن یکی از ویژگی های آن می توان از یک عملیات فرآیندی استفاده کرد. به عنوان مثال آلیاژ Waspaloy کار شده در ساخت دیسک توربین گاز استفاده می شود. با تنظیم شرایط فرآیند تولید این آلیاژ می توان با عملیات حرارتی فرآیندی استحکام تسلیم و در نتیجه استحکام گسیختگی خزش آن را بهبود بخشید.
2-4- مقایسه سوپر آلیاژهای ریخته و کار شده
2-4-1- سوپر آلیاژهای کار شده
یک آلیاژ کار شده معمولاً از شمش های ریخته به دست می آید اما چندین بار تغییر شکل و عملیات پیش گرم روی آن انجام می شود، تا به حالت نهایی خود برسد. آلیاژهای کار شده به مراتب همگن تر از آلیاژهای ریخته که معمولاً دارای جدایش ناشی از فرآیند انجماد هستند می باشند. جدایش نتیجه طبیعی انجماد آلیاژ است، اما در بعضی از موارد به صورت شدیدتری روی می دهد.
آلیاژهای کار شده، معمولاً انعطاف پذیرتر از آلیاژهای ریخته هستند. محصولات نورد مانند میله ها از نوع کار شده هستند. انعطاف پذیری آلیاژ باعث می شود که بتوان آنها را به قطعات و اشکال بهتری درآورد. قطعات ‎آهنگری نیز محصولات کار شده هستند که مزیت انعطاف پذیری بالاتر ماده کار شده برای تولید اشکال بزرگتر مانند، دیسک های توربین های گازی را دارند.
هر آلیاژ را نمی توان به شکل کار شده در آورد. بعضی از قطعات فقط به صورت ریخته تولید می شوند. آلیاژهایی که کارپذیری خیلی کمی دارند، ابتدا با متالورژی پودر تولید شده و سپس آهنگری می شوند. برای ساخت دیسک های سنگین که در ناحیه دماهای متوسط توربین گازی کار می کنند، از آلیاژهای متالورژی پودر و یا آلیاژهای کار شده استفاده می شود. با فرآیند متالورژی پودر می توان قطعاتی تولید کرد که مستقیماً ماشین کاری شوند.
2-4-2- سوپر آلیاژهای ریخته
سوپرآلیاژهای ریخته در ناحیه دما بالای توربین های گاز، به ویژه در قطعاتی نظیر پره های هوا یافت می شوند. اکثر آلیاژهای ریخته از نوع چند بلوری (PC)1 با دانه های هم محور و بعضی دیگر از نوع انجماد جهت دار یافته (DS)2 هستند. ریخته های چند بلوری دارای دانه هایی هستند که اندازه آنها از یک قطعه به قطعه دیگر تغییر می کند. دانه های یک ریخته انجماد جهت دار یافته، با یکدیگر موازی هستند (عمدتاً به موازات محور طولی پره) و تحت عنوان قطعات انجماد جهت دار یافته دانه ستونی (CGDS)3 شناخته می شوند. ممکن است یک ریخته انجماد جهت دار یافته فقط دارای یک بلور با محور موازی با محور طولی پره های توربین باشد، در این صورت به آن تک بلور انجماد جهت دار یافته (SCDS)4 گفته می شود. آلیاژهای ریخته نسبت به آلیاژهای کار شده استحکام بیشتری در دمای بالا دارند.
ریخته های چند بلوری دانه درشت، نسبت به قطعات آهنگری شده دانه ریز استحکام بهتری در دماهای بالا دارند. ترکیب شیمیایی آلیاژ ریخته به نحو موثری تعیین کننده استحکام دما بالای آن است. در فرآیند آهنگری ترکیب شیمیایی آلیاژ نقش چندانی در تعیین قابلیت ‎آهنگری ندارد. سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریخته دارای بالاترین استحکام گسیختگی خزش در دماهای بالا هستند، به همین خاطر از آنها برای کار در پره های هوا توربین گاز تحت شرایط دمای بالا و تنش زیاد استفاده می شود. در طرف مقابل قطعات آهنگری دانه ریز، استحکام تسلیم بالاتر و استحکام خستگی کم دامنه (LCF)5 بهتری در دماهای متوسط دارند، و به همین دلیل از آنها در ساخت دیسک های آهنگری شده استفاده می شود.
2-5- خواص سوپرآلیاژها
2-5-1- کلیات
استحکام دهی سوپرآلیاژها توسط سخت کاری محلولی (تداخل اتم های جانشینی همراه با تغییر شکل)، کار سختی (انرژی نهان ناشی از تغییر شکل) و رسوب سختی (تداخل رسوب ها همراه با تغییر شکل) افزایش می یابد. هم چنین ایجاد کاربیدها (توزیع مناسب از تداخل فازهای ثانویه به همراه تغییر شکل) به ویژه در سوپر آلیاژهای پایه کبالت افزایش استحکام را در پی دارد. استحکام یک عبارت نسبی است و توسط نوع آن تعریف می شود. بعضی از کاربردها به استحکام تسلیم و بعضی به استحکام نهایی نیاز دارند (خواص کوتاه مدت). در بعضی دیگر از کاربردها استحکام گسیختگی خزش اهمیت دارد (خوص بلند مدت). استحکام گسیختگی خزش سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل در دماهای بالاتر از oC650 به طور قابل ملاحظه ای نسبت به سوپرآلیاژهای پایه کبالت پائین تر است.
2-5-2- سوپر آلیاژهای پیشرفته
سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل قدیمی مانند آلیاژ 6-25-16 دارای 16% کروم، 25% نیکل و 6% مولیبدن بودند. اولین سوپر آلیاژهای نیکل شامل Nimonic و Inconel از نوع استحکام یافته با محلول جامد بودند. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل بعدی مقادیر کمی Al (3-2 درصد) و Ti افزوده شده تا در اثر رسوب فاز استحکام در دمای بالا افزایش یابد. بعداً مقدار Al در این سوپر آلیاژها تا 6 درصد افزایش یافت و به دلیل بیشتر شدن نسبت حجمی فاز در زمینه سختی دمای بالای آلیاژ افزایش یافت. سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریخته بیشترین مقایر عناصر سخت کننده را دارند، و تعدادی از قطعات به روش های CGDS و SCDS از آنها ساخته شده اند.
تعدادی از سوپرآلیاژهای دارای عناصر سخت کننده بیشتر ( بیش از 40 درصد) به روش متالورژی پودر و کار شده تولید می شوند. سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل با تقریباً 20%، به حداکثر استحکام خود می رسند، و از این نظر نمی توانند با سوپرآلیاژهای پایه نیکل کار شده در محدوده دمایی متوسط رقابت کنند. حتی آلیاژهایی با تقریباً 40% (مانند آلیاژ Astroloy) کارایی دراز مدتی در حد بالایی محدوده دمایی متوسط ندارند. امروزه از آلیاژهای متالورژی پودر (P/M) با بالا (تقریباً 50%) برای کار در حد بالایی محدوده دمایی متوسط استفاده می شود، و آلیاژهای کار شده از طراحی ها حذف شده اند.
سوپرآلیاژهای پایه کبالت ریخته چند بلوری، دمای ذوب بالاتری نسبت به سوپرآلیاژهای پایه نیکل دارند، و به همین خاطر استحکام آنها در دماهای بالاتر از oC1093 بیشتر است. اما واقعیت این است که سوپرآلیاژهای پایه نیکل (SCDS) توانایی کار در دماهای بالاتر از oC1093 را دارند، و در بعضی موارد جایگزین آلیاژهای پایه کبالت شده اند. آلیاژهای پایه کبالت ریخته با شبکه بلوری مکعبی با سطح مرکزدار (آستنیتی FCC)، زمینه محلول جامد و دارای کاربیدهای پیچیده، دارای سابقه موفقی در استفاده در پره های هواشکن توربین گاز (اکثراً به صورت پره های هواشکن و گاهی به صورت تیغه های توربین) هستند. آلیاژهای پایه کبالت کار شده کاربردهایی در محفظه های احتراق توربین گاز پیدا کرده اند.
2-5-3- خواص مکانیکی و کاربرد سوپرآلیاژها
استحکام تابعی از زمان است و مدت زمان قرارگیری قطعه در سرویس و دمای آن از عوامل موثر بر انتخاب یک سوپرآلیاژ ویژه هستند. نرخ افت بعضی از آلیاژها در مقایسه با آلیاژهای دیگر کمتر است. به عنوان مثال اگر چه خواص مکانیکی و کاربرد سوپرآلیاژهای پایه نیکل استحکام یافته با فاز اکسید توزیع شده (ODS) 6 دارای استحکامی پایین تر از سوپر آلیاژهای پایه نیکل رسوب سخت شده هستند، ولی نرخ کاهش استحکام گسیختگی خزش کمتری نسبت به انواع مشابه رسوب سخت شده دارند. در نتیجه وقتی نرخ کاهش استحکام بهتر در اولویت اول، قرار داشته و استحکام اولیه نیز قابل قبول باشد، یک آلیاژ ODS به مدت طولانی تری می تواند کار کند.
در شکل 2-2 رفتار استحکام گسیختگی خزش یک آلیاژ ODS با سه گروه مختلف سوپر آلیاژها مقایسه شده است.
آلیاژی که عمر گسیختگی طولانی تری دارد، برای تولید قطعاتی که دمای کاری آنها در داخل محدوده خزش قرار دارد، ترجیح داده می شود. یک آلیاژ انجماد جهت دار یافته دانه ستونی، در شرایط خزش با کرنش پایین دارای استحکام کمتری نسبت به آلیاژ چندبلوری است.
سوپرآلیاژها انعطاف پذیر هستند، ولی عموماً انعطاف پذیری سوپرآلیاژهای پایه کبالت نسبت به سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل و پایه نیکل کمتر است. سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل در شرایط اکسترود شده، آهنگری شده و یا نورد شده وجود دارند اما آلیاژهای پر استحکام تر فقط در شرایط ریخته یافت می شوند.
تغییر شکل گرم در فرآیند شکل دادن ارجح می باشد و شکل دادن سرد به تولید مقاطع نازک (ورق) محدود است. از نورد سرد می توان برای افزایش خواص استحکام کوتاه مدت در دماهایی پایین تر از oC540 می توان استفاده کرد.
سوپرآلیاژها دارای ضریب کشسانی در حدود GPa 207 هستند. ولی ضریب کشسانی آلیاژهای ویژه بسته به نوع آلیاژ در دمای اتاق از GPa 172 تا GPa241 تغییر می کند. تغییر ساختار آلیاژ از چند بلوری به دانه های ستونی بسته به جهت دانه ها و جهت آزمایش ضریب کشسانی را در محدوده GPa 124 تا GPa310 قرار می دهد. حداقل ضریب کشسانی در آلیاژهای انجماد جهت دار یافته دیده می شود.
2-6- انتخاب سوپرآلیاژها
2-6-1- کاربردهای آلیاژهای کار شده در دمای متوسط
محدوده دمایی متوسط از oC540 تا oC760 می باشد. اگر آلیاژی برای کار سنگین مانند، دیسک های توربین در نظر گرفته شده است باید دارای استحکام های تسلیم و کششی مناسب، انعطاف پذیری خوب و رفتار خستگی کم دامنه عالی، با یک سرعت رشد ترک قابل قبول، و شکل پذیری و قابلیت جوشکاری خوب (در محصولات ورق) باشد. قطعات سنگین مانند دیسک ها باید قابلیت آهنگری خوبی داشته باشند. با متالورژی پودر می توان قطعات آهنگری شده ای را که نمی توان به روش های دیگر تولید کرد، به دست آورد. قابلیت بازرسی قطعه نهایی اهمیت زیادی دارد. هزینه متغیر بسیار مهمی است، اما با تولید قطعه مناسب قابل جبران است. علاوه بر این، با استفاده از متالورژی پودر می توان هزینه ها را کاهش داد.
برای انتخاب سوپرآلیاژها برای کار در محدوده دمایی متوسط آلیاژهایی مانند Waspaloy و آلیاژهای مشابه وجود دارند، که می توان آنها را به روش های معمول آهنگری تولید نموده و استفاده کرد.
2-6-2- کاربردهای آلیاژهای ریخته در دمای بالا
محدوده دماهای بالا را می توان از دمای oC816 تا دمای ذوب فلز در نظر گرفت. پره های هوای توربین در این دماها کار می کنند. آلیاژی که در پره های هوای توربین استفاده می شود باید دارای استحکام گسیختگی خزش و استحکام خزش بالایی باشد. برای به حداکثر رساندن استحکام گسیختگی خزش از آلیاژهای نوع SCDS در نواحی پر فشار توربین استفاده می شود. علاوه بر افزایش استحکام گسیختگی خزش به دلیل جهت گیری ویژه محور طولی دانه، به موازات محور پره هوا، ضریب کشسانی کاهش یافته و استحکام خستگی حرارتی مکانیکی (TMF)7 بهینه ای به دست می آید. آلیاژی که برای بدترین شرایط کاری پره هوای توربین در نظر گرفته می شود باید در دمای کاری مربوطه (تقریباً oC760) دارای دمای ذوب بالا، مقاومت اکسیداسیون خوب، استحکام خستگی حرارتی مکانیکی و گسیختگی خزشی بالا، قابلیت پوشش دهی عالی و استحکام خستگی کم دامنه خوب باشد.
با فرآیند تک بلور انجماد جهت دار یافته، از بهینه بودن خواص مکانیکی در مقاطع نازک اطمینان حاصل می شود. در یک بارگذاری ثابت، با کاهش ضخامت مقطع، گسیختگی سوپر آلیاژ نسبت به آزمایش انجام شده بر روی یک نمونه با ضخامت استاندارد در زمان کمتری اتفاق می افتد. شدت کاهش خواص مکانیکی در اثر ضخامت به ساختار میکروسکپی قطعه بستگی دارد و می توان این چنین درجه بندی کرد: Pc= حداکثر، CGDS= کمتر و SCDS= حداقل.
در پره های هوای توربین، در جائی که بار گریز از مرکز وجود نداشته باشد می توان از آلیاژهای پایه کبالت، دارای ساختار چند بلوری هم محور به جای آلیاژهای پایه نیکل با ساختار انجماد جهت دار یافته استفاده کرد، در پره های هوای ناحیه اول دمای ذوب موضعی بالاتر مناسب است. در بعضی از کاربردها از آلیاژ ODS در ساخت پره های هوا استفاده شده است. آلیاژ MA-754 با اکسید ایتریا توزیع شده در زمینه مقاوم به خوردگی نیکل- کروم، استحکام گسیختگی خزش افزایش یافته ای دارد. آلیاژهای استحکام یافته، با فاز اکسید توزیع شده کاربرد عمومی ندارند. آلیاژ MA-6000 مثال دیگری است که می تواند دارای استحکام کافی برای به کارگیری در تیغه های پرفشار توربین های گاز هواپیما باشد. مشکل دیگر پره های هوای از نوع چند بلوری هم محور این است که به خاطر ضریب کشسانی بالاتر این ساختار، تنش های حرارتی- مکانیکی وارد شده به آن بیش از مقادیر مربوط به ساختارهای SCDS و CGDS است. ضریب کشسانی قطعات SCDS و CGDS آلیاژهای پایه نیکل ریخته. تقریباً 60 درصد ضریب کشسانی قطعات pc می باشد. در اکثر شرایط مشکلات خستگی حرارتی مکانیکی8 باید با استفاده از آلیاژی با ساختار انجماد جهت دار یافته به حداقل رسانده شود. آلیاژهای پره هوای کم فشار توربین از آلیاژهائی مانند (Rene 41)IN-100 یا آلیاژهای IN-792 و Rene 80 چند بلوری هم محور که قبلاً برای پره های هوای پرفشار استفاده شده اند، انتخاب می گردند. اگر دما یا شرایط تنش به مقدار کافی مناسب باشند، آلیاژهای IN-713 یا U-700 پیشنهاد می شوند.

فصل سوم
متالورژی سوپرآلیاژها

3-1- گروه ها، ساختارهای بلوری و فازها
3-1-1- گروه های سوپرآلیاژها
همانطور که قبلاً گفته شد سه گروه سوپرآلیاژ وجود دارد (پایه آهن- نیکل، پایه نیکل و پایه کبالت) که هر کدام از نظر ماکروسکوپی به دو نوع ریخته و کار شده (شامل آلیاژهای متالورژی پودر) تقسیم می شوند. علاوه بر ساختار ماکروسکوپی (درشت ساختار)، ساختار بلوری (در مقیاس اتمی) و ریز ساختار (در مقیاس میکروسکوپی) نیز وجود دارد. فلزات تمایل دارند که ساختار بلوری ساده ای داشته باشند.
3-1-2- ساختار بلوری
اگر گوی های کروی سخت، که برای نشان دادن ساختار بلوری فلزات به کار می روند، کنار هم چیده شوند، دیده می شود که موقعیت های اتمی محدودی برای قرارگیری آنها در کنار یکدیگر وجود دارد. شبکه مکعبی با سطوح مرکز دار (FCC)، مکعبی مرکز دار(BCC) و هگزاگونال فشرده (HCP) در بر گیرنده ساختار بلوری اکثر آلیاژها هستند. اگر شبکه تتراگونال (BCT) به این فهرست اضافه شود، ساختار سوپرآلیاژها به استثناء فازهای پیچیده ای مانند و به سهولت نشان داده خواهد شد. البته نیازی به توضیح همه فازها نیست. هنگامی که در یک سیستم بیش از یک عضو وجود داشته باشد (مانند آنچه که در یک آلیاژ وجود دارد)، یک ساختار تشکیل می شود. بدین معنی که برای عنصر اضافه شده موقعیت های بلوری ویژه ای باید وجود داشته باشد. به عنوان مثال فاز ثانویه ای مانند Ni3Al دارای ساختار بلوری FCC است که در آن اتم های Ni در مرکز سطوح و اتم های Al در گوشه ها قرار می گیرند.
3-1-3- فاز در سوپرآلیاژها
سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل دارای فاز با شبکه FCC آستنیتی و فازهای ثانویه مختلفی هستند. سایر فازهای ثانویه کنترل کننده خواص دیگر این سوپرآلیاژها عبارتند از: کاربیدهای FCC از نوع M7C3,M6C, M23C6,MC و فاز با ساختار بلوری FCC و ترکیب Ni3(TI,Al) فاز با ساختار بلوری BCT و ترکیب Nb3Ni، فاز با ساختار بلوری هگزاگونال و ترکیب Ni3Ti و فاز بین فلزی با ساختمان بلوری اورتورمبیک و ترکیب Ni3Nb.
ساختمان بلوری فازهای و از نوع فشرده (gcp) 9 است. تولید و کنترل فازهای گوناگون در سوپرآلیاژها، ویژگی های منحصر به فردی را در آنها به وجود می آورد. سوپرآلیاژها استحکام خود را توسط سخت کننده های محلول جامد و فازهای رسوبی بدست می آورند. فازهای رسوبی استحکام دهنده اصلی و هستند، که در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل یافت می شوند.
کاربیدها به طور مستقیم (مانند آلیاژهای سخت شده با محلول جامد) به مقدار محدود و یا به طور غیر مستقیم (با تقویت مرز دانه ها و جلوگیری از حرکت برشی) استحکام را بهبود می بخشند. کاربیدها در هر سه گروه از سوپرآلیاژها یافت می شوند. فازهای و در طی فرآیند تولید از نظر کنترل ساختار سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل کار شده مفید هستند. میزان مشارکت مستقیم کاربیدها در بهبود استحکام به نوع آلیاژ و فرآیند بستگی دارد. علاوه بر عناصری که سخت کننده محلول جامد، کاربیدزا و تشکیل دهنده فاز هستند، عناصر دیگری مانند B، Zr و Hf برای افزایش خواص مکانیکی یا شیمیایی سوپرآلیاژها افزوده می شوند. این عناصر جزئی در سوپر آلیاژهای پایه کبالت یافت نمی شوند. بعضی از عناصر کاربیدزا و تشکیل دهنده فاز ممکن است به نحو موثری در خواص شیمیایی مشارکت کنند. ترکیبات بور (بوریدها) ممکن است در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل تشکیل شوند.
فازهای مضر نیز در سوپرآلیاژها تشکیل می شوند. در بین این فازها می توان از فازهای و Laves نام برد. این فازها دارای ساختار بلوری فشرده از نوع TCP هستند و در صورت جزئی بودن مورد مطالعه قرار نمی گیرند، ولی اگر مقدار آنها افزایش یابد بسیار مضر هستند. در جدول 3-1 اطلاعات مربوط به فازهای شناخته شده در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل نشان داده شده است.
3-2- مقدمه ای بر گروه های آلیاژی
3-2-1- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل
مهم ترین آلیاژهای گروه سوپرآلیاژهای پایه نیکل، آلیاژهای استحکام یافته با رسوب ترکیبات بین فلزی در زمینه FCC آستنیتی هستند.
عمومی ترین رسوب، فاز است، که در آلیاژهای Incoloy 901، V-57 یا A-286 دیده می شود. بعضی از آلیاژها مانند IN-71810 که دارای فازهای رسوبی و هستند، در گذشته جزو گروه پایه آهن- نیکل بودند ولی اکنون در گروه سوپر آلیاژهای پایه نیکل قرار گرفته اند. استحکام سوپرآلیاژهای دیگر پایه آهن- نیکل شامل فولادهای زنگ نزن اصلاح شده در ابتدا با محلول جامد استحکام می یافتند. این دسته از سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل از آلیاژ DL9-19 (فولاد زنگ نزن 8-18 با کروم و نیکل اصلاح شده، کربن بیشتر و دارای عناصر سخت کننده محلول جامد) تا آلیاژ Incoloy-800H (21% کرم)، نیکل بالا و کمی Al و Ti (برای تشکیل فاز ) تغییر می کنند. در حال حاضر سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل به صورت کار شده مورد استفاده قرار می گیرند.
3-2-2- سوپرآلیاژهای پایه نیکل
اگر چه سوپرآلیاژهای پایه نیکل سخت شده، با محلول جامد هستند ولی مهم ترین آلیاژهای این گروه، دارای رسوب ترکیبات بین فلزی در زمینه FCC هستند. در آلیاژهای حاوی Ti و Al استحکام با رسوب فاز بهبود پیدا می کند. آلیاژهای کار شده مانند Waspaloy، 720-U، 700-U، Astroloy و آلیاژهای ریخته مانند 713- IN، 80 Rene، MAR-M-200، 80Rene از این قبیل هستند. در سوپرآلیاژهای پایه نیکل کبالت دار، استحکام با رسوب فاز بهبود می یابد. IN-718 از آلیاژهای سخت شده با رسوب فاز می باشد. بعضی از آلیاژهای پایه نیکل دارای Al,Ti,Nd بوده، و هر دو در بهبود استحکام از رسوب و بهره می برند. آلیاژهای IN-706، IN-909 گاهی در فهرست سوپرآلیاژها پایه آهن- نیکل آورده می شوند.
در بین سوپرآلیاژهای پایه نیکل استحکام یافته با محلول جامد آلیاژهایی مانند Hastelloy و IN-627 قرار دارند. آلیاژهای پایه نیکل استحکام یافته با توزیع فاز اکسید (ODS)، مانند آلیاژ IN-MA-654 و IN-MA-600E هستند، که استحکام آنها با توزیع ذرات خنثی مانند ایتریا و در بعضی موارد با رسوب فاز افزایش می یابد. سوپرآلیاژهای پایه نیکل به هر دو شکل ریخته و کار شده مورد استفاده قرار می گیرند. فرآیندهای ویژه دیگری (متالورژی پودر/ آهنگری همدما) نیز برای تولید انواع ترکیبات سوپرآلیاژ کار شده آنها مانند 100- IN، 9 Rene و Astroloy مورد استفاده قرار گرفته اند. یک بعد اضافی در سوپرآلیاژهای پایه نیکل کنترل مورفولوژی (نسبت جوانب و جهت گیری دانه ها) به عنوان وسیله ای برای بهبود خواص است. در بعضی موارد مرز دانه ها حذف شده اند. در آلیاژهای متالورژی پودر کار شده نوع ODS و آلیاژهای ریخته مانند MAR-M-247 با کنترل مورفولوژی توسط تبلور مجدد جهت دار و یا انجماد جهت دار خواص آلیاژ بهبود یافته است.
3-2-3- سوپرآلیاژهای پایه کبالت
استحکام سوپرآلیاژهای پایه کبالت. توسط کاربیدها و سخت کننده های محلول جامد بهبود می یابد. در این آلیاژها فرق اساسی بین ساختارهای ریخته و کار شده وجود دارد. یک نمونه از آلیاژهای ریخته X-40 و یک نمونه از آلیاژهای کار شده 605- (HA-25)L هستند. ترکیبات بین فلزی مانند رسوب های که در سوپرآلیاژهای پایه نیکل یا پایه آهن- نیکل در محدوده وسیعی وجود دارند در آلیاژهای پایه کبالت یافت نمی شوند.
3-3- عناصر آلیاژی و اثرات آنها بر ریزساختار سوپرآلیاژها
3-3-1- تنوع خواص سوپرآلیاژها (در یک ترکیب شیمیایی مشخص) معمولاً با ترکیب شرایط محصول (ریخته یا کار شده) و عملیات حرارتی پس از آن گسترش می یابد. ترکیب شیمیایی آلیاژ در رسیدن به یک سطح استحکام و مقاومت خوردگی بسیار اهمیت دارد، ولی فرآیند تولید نقش اساسی در رسیدن به خواص بهینه سوپرآلیاژ دارد. ساختار بلوری در طی فرآیند تولید ایجاد می شود. تغییرات ریز ساختار با انحلال تمام یا بخشی از کاربیدها و فازهای رسوبی بین فلزی (مانند و ) و سپس توزیع مجدد آنها در یک شکل مناسب دیگر ایجاد می شود. اندازه دانه در آلیاژهای ریخته تابع مستقیمی از فرآیند ریخته گری است. اندازه دانه آلیاژهای کار شده در محدوده گسترده تری تغییر می یابد. اندازه دانه آلیاژهای کار شده نسبت به آلیاژهای ریخته کوچک تر است. ریزساختار نه تنها شامل اندازه دانه و مورفولوژی بلکه شامل نوع و توزیع فازهای ثانویه در زمینه آستنیتی سوپرآلیاژ است.
3-3-2- عناصر اصلی در سوپرآلیاژها
تعدادی از عناصر به صورت محلول جامد در می آیند تا یک یا چند مورد از خواص زیر را بهبود بخشند: استحکام توسط Mo, Ta, W, Re مقاومت خوردگی توسط Al, Cr، مقاومت خوردگی دما بالا توسط Ti، پایداری فاز توسط Ni، افزایش نسبت حجمی Vf و رسوب های ثانویه مفید توسط Co بهبود می یابند. عناصر دیگری (Ti, Al) و (Nb) برای تشکیل رسوب های سخت کننده مانند و به ترکیب شیمیایی افزوده می شوند. در سالهای اخیر یکی از عناصر اصلی اضافه شده به ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژهای پایه نیکل، عنصر رنیم (Re) بوده است، که در آلیاژهای ریخته محدوده دمای فرآیند دانه های ستونی انجماد جهت دار یافته (CGDS) و تک بلور انجماد جهت دار یافته (SCDS) را افزایش می دهد. رنیم به واسطه کاهش سرعت رشد رسوب این بهبود را به وجود می آورد.
3-3-3- عناصر جزئی مفید در سوپرآلیاژها
عناصر جزئی (C, B) برای تشکیل کاربید و بورید اضافه می شوند. تعدادی از عناصر (Hf, Zr, B) نیز برای آماده سازی مرز دانه ها، برای تشکیل رسوب ها یا کاربیدها افزوده می شوند. برای بهبود مقاومت خوردگی در بعضی از آلیاژها عنصر لانتانیم اضافه شده است. افزودن ایتریم (Y) 11 برای افزایش عمر پوشش آلیاژ انجام می شود.
3-3-4- عناصر تشکیل دهنده فازهای ترد
بعضی عناصر (Cr, W, Mo, Re, Co و …) گرچه برای ایجاد کیفیت مطلوب تر آلیاژها اضافه می شوند، ولی در بوجود آوردن بعضی از فازهای نامطلوب مشارکت می کنند. فاز tep 12 معمولاً ترد و دارای انعطاف پذیری کم است و در صورتی که این تردی بیش از حد معمول باشد، باعث کاهش خواص مکانیکی (بعضی مواقع خوردگی) می شود.
3-3-5- عناصر ناخواسته و مضر در سوپرآلیاژها
عناصری نظیر Ag, Se, Te, Bi, Pb, S, P, Si حتی در مقادیر بسیار کم، به اندازه قسمت در میلیون (PPM)، اغلب در افت خواص سوپرآلیاژها مشارکت می کنند اما آنها با میکروسکوپ های نوری یا الکترونی دیده نمی شوند. با آنالیزهای اسپکتروسکوپی و الکترونی نشان داده شده است، که مرز دانه ها در اثر حضور عناصر مضر تغییر می کند. عنصر Mg در اثر ترکیب با گوگرد اثرات ناخواسته آن را حذف می کند. Ti با نیتروژن ترکیب شده و TiN را تشکیل می دهد. در بعضی از موارد این ترکیبات و نظایر آن در ریز ساختار قابل مشاهده هستند.
3-3-6- عناصر ایجاد کننده مقاومت خوردگی و اکسیداسیون
همه سوپرآلیاژها دارای کروم و عناصر دیگری برای بهبود مقاومت در برابر خسارت محیطی هستند. کروم در سطح خارجی آلیاژ Cr2O3 را تشکیل می دهد. اگر آلومینیوم به حد کافی وجود داشته باشد لایه اکسیدی Al2O3 نیز تشکیل می شود و حفاظت بیشتری در مقابل اکسیداسیون انجام می دهد. مقدار کروم در سوپرآلیاژهای پایه نیکل 6 تا 22 درصد، در سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل 15 تا 25 درصد و در سوپرآلیاژهای پایه کبالت 20 تا 30 درصد است. در سوپرآلیاژهای پایه نیکل ممکن است، بیش از 6 درصد آلومینیوم وجود داشته باشد. کروم عنصر اصلی در مقاومت خوردگی داغ است ولی ممکن است تیتانیوم و عناصر دیگری نیز مکمل اثرات کروم باشند.
3-4- استحکام دهی سوپرآلیاژها
3-4-1- رسوب ها و استحکام
رسوب ها به خاطر کند کردن فرآیند تغییر شکل که در اثر بارگذاری اتفاق می افتد استحکام آلیاژ را افزایش می دهند. بعضی از ویژگیهای رسوب های سخت کننده که مانع تغییر شکل می شوند عبارتند از:
– درجه عدم انطباق بین رسوب و زمینه: بهترین حالت این است که رسوب و زمینه دارای ساختار بلوری و پارامتر شبکه یکسان باشند. در این صورت رسوب بیشتری در زمینه حل می شود. درجه عدم انطباق در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل در محدوده درصد قرار دارد.
– رسوب منظم: قرار گرفتن اتم ها در موقعیت های مرجح انرژی لازم برای عبور عوامل تغییر شکل (نابجایی ها) از میان رسوب را افزایش می دهد. رسوب های منظم انرژی بالاتری از رسوب های نامنظم دارند.
– اندازه رسوب: وقتی که اندازه رسوب خیلی کوچک باشد، نابجایی ها به راحتی می توانند از آنها عبور کنند. اگر اندازه رسوب خیلی بزرگ باشد، نابجایی ها به هنگام عبور از آنها خم می شوند و امکان دارد استحکام کمتر از مقدار بهینه باشد. مقدار بهینه تابعی سات از ویژگی اندازه گیری شده. در خزش یک تک بلور خیلی مطلوب تر است، ولی باید توجه داشت که تک بلور با فرآیندهای ویژه SCDS,CGDS سوپرآلیاژهای پایه نیکل بدست می آید. در سوپرآلیاژهای کار شده دو نوع اندازه رسوب مطلوب است زیرا حساسیت به ترک را کاهش می دهد. رسوب های هم اندازه که در عملیات حرارتی پیر کردن در دمای پایین بدست می آید باعث افزایش استحکام کششی و کاهش مقاومت خزش می شود. در سوپرآلیاژها فاز رسوبی اصلی است. این رسوب یک فاز با ساختار بلوری FCC بین فلزی منظم با ترکیب شیمیایی Ni3(Ti,Al) است.
عناصر آلیاژی بر درجه عدم انطباق رسوب با زمینه اثر می گذارند. یک فاز هگزاگونال منظم با ترکیب شیمیایی Ni3Ti است که شکل ناپایدار غنی از Ti است. انواع دیگر فازهای بین فلزی مانند رسوب های فاز اورتورمبیک با ترکیب Ni3Nb یا با شبکه و ترکیب Ni3Nb نیز وجود دارند که استحکام سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل را به نحو قابل ملاحظه ای افزایش می دهند.
3-4-2- فاز
ترکیب بین فلزی با ترکیب اسمی Ni3Nb است که Ti و عناصر حل شونده دیگری نیز در خود دارد. این فاز در محدوده ترکیب شیمیایی نسبتاً کوچکی پایدار است، اما خواص قابل توجهی دارد که آن راقادر می سازد تا استحکام دما بالا در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل را بهبود دهد.
در آلیاژهای ریخته ترکیب یوتکتیک – تشکیل خواهد گردید که ممکن است پس از عملیات حرارتی نیز باقی بماند. در مجموع در طی عملیات حرارتی یا کار، فاز در مرز دانه ها و در اطراف ذرات کاربیدهای M23C6 یا MC تشکیل می گردد.
3-4-3- فاز
یک رسوب منظم با ترکیب شیمیایی Ni3Nb است و در سوپرآلیاژهای پایه نیکل (یا پایه آهن- نیکل) مانند آلیاژهای IN-706 و IN-718 رسوب می کند. در غیاب آهن یا در دماها و زمان های ویژه فاز نیز با همان ترکیب شیمیایی Ni3Nb تشکیل می شود. فاز غیر منظم است و وقتی که مقدار آن زیاد باشد، استحکام را افزایش نمی دهد. مقادیر کم رسوب برای کنترل و ریز کردن اندازه دانه و در نتیجه افزایش خواص کششی. مقاومت خستی و خزش آلیاژ به کار می رود. برای اطمینان از رسوب به جای ، به عملیات حرارتی دقیقی نیاز است. در آلیاژ IN-718 فاز اغلب به همراه فاز رسوب می کند، اما تحت بعضی شرایط رسوب فاز اصلی استحکام دهنده در آلیاژ است.
3-4-4- کاربیدها
کاربیدها نیز از ترکیبات بسیار مهم در سوپرآلیاژها هستند. کاربیدها به مخصوصاً در آلیاژهای ریخته چند بلوری بواسطه رسوب در مرز دانه ها استحکام و انعطاف پذیری مطلوبی ایجاد می کنند. مقدار کاربید در آلیاژهای کار شده اغلب کمتر از آلیاژهای ریخته است. با افزایش درجه تمیزی سوپرآلیاژها مقدار کاربید در آلیاژهای کار شده کاهش یافته است.
حداقل انواع درشت کاربیدها یکی از عوامل محدود کننده در مکانیک شکست در کاربردهای پیشرفته سوپرآلیاژها کار شده می باشند.
کاربیدها می توانند در استحکام زمینه، به ویژه در سوپرآلیاژهای پایه کبالت، و کنترل اندازه دانه در بعضی از آلیاژهای کار شده موثر باشند. عملیات حرارتی بر روی تعدادی از کاربیدها اثر ندارد، در حالی که بر روی بعضی دیگر چنین نیست. تنوع کاربیدها در یک آلیاژ به ترکیب شیمیایی و فرآیند بستگی دارد. همانطور که قبلاً گفته شد انواع مهم کاربیدها عبارتند از: M23C6, M6C, MC و M7C3 که در آن M یک یا چند عنصر فلزی است. اکثر کاربیدها به صورت ترکیبی هستند و معمولاً در اثر واکنش های حالت جامد پس از تجزیه کاربید MC که در حالت مذاب شکل می گیرد، به وجود می آیند. از نظر دمای تشکیل، کاربید MC یک کاربید دما بالا و کاربیدهای M23C6 و M7C3 از نوع دما پایین هستند. کاربید M6C نیز در دماهای متوسط تشکیل می گردد. کاربیدهای MC در مذاب در اثر واکنش یا رسوب از محلول جامد فوق اشباع در دماهای بالاتر از oC 1038 تشکیل می شوند. کاربیدهای M6C عموماً در دمای بین oC816 تا oC982 و شاید تا oC1038 تشکیل می شوند. کاربیدهای مطلوب M23C6 در دمای 790 تا oC 816 تشکیل می شوند.
کاربیدهای موجود در سوپرآلیاژها سه نوع هستند. اول کاربیدهای مرز دانه ای که اگر به نحو صحیحی تشکیل شده باشند، مرز دانه را استحکام بخشیده و از حرکت آن جلوگیری نموده و به آزاد شدن تنش کمک می کنند. دوم کاربیدهای ریز رسوب کرده در زمینه که استحکام را افزایش می دهند. سوم کاربیدهایی که عناصر ناپایدار کننده فازها در حین کار را حذف می کنند.
کاربید M6C دارای ساختار بلوری FCC است که معمولاً در طی سرد شدن سوپرآلیاژ تشکیل می شود. این کاربیدها به صورت ناهمگن در داخل و خارج از دانه ها و اغلب در میان ستون ها توزیع می شوند. کاربیدها منبع اصلی دگرگونی فاز بعدی در طی فرآیند عملیات حرارتی است. کاربیدهای MC مانند HfC، TiC از پایدارترین کاربیدهای موجود در طبیعت هستند.
کاربیدهای ارجح از نظر تشکیل در سوپرآلیاژها، HfC، TaC ، NbC و TiC هستند. در این کابیدها اتم M می تواند از چند عنصر فلزی مانند (Nb, Ti)C تشکیل شده باشد. عناصر با فعالیت کم مانند W، Mo نیز می توانند در این کاربیدها حضور داشته باشند، برای مثال کاربید (Ti, Mo)C که در آلیاژهای M-252، Rene77 و U-500 تشکیل می شوند.
آلیاژهای جدید دارای نیوبیوم و تانتالیوم زیاد، دارای کاربیدهای MC هستند، که به راحتی در طی فرآیند یا عملیات حرارتی انحلالی، در محدوده دمایی oC1260-1200 تجزیه نمی شوند. کاربیدهای M23C6 مانند Cr23C6 در آلیاژهایی با کروم متوسط تا زیاد به سرعت تشکیل می شوند. کاربیدهای M23C6 گاهی در امتداد مرز دوقلوها و محل های دارای نقص در چیده شدن، دیده می شوند. کاربیدهای M6C شبکه مکعبی پیچیده ای دارند. این کاربیدها وقتی که مقدار Mo، یا W در ترکیب شیمیایی بین 6 تا 8 درصد باشد، در دمایی واقع در محدوده oC 815 تا oC980 تشکیل می شوند. کاربید M6C به همراه کاربید M23C6، در آلیاژهای Rene 80، Rene 41، AF1753 وجود دارد. به دلیل پایداری بیشتر کاربیدهای M6C در دماهای بالاتر نسبت به کاربیدهای M23C6 به عنوان یک رسوب مرز دانه ای و کنترل کننده اندازه دانه در طی فرآیند آلیاژهای کار شده اهمیت بیشتری دارد.
3-4-5- کاربیدهای M7C3
کاربیدهای M7C3 به طور گسترده ای در سوپرآلیاژها مشاهده نشده اند ولی در بعضی از آلیاژهای پایه کبالت و سوپرآلیاژ پایه نیکل- کروم و Nimonic 80 A در دمای بیش از oC1000 وجود دارند. افزودن عناصری مانند Mo, W, Nb و Co به آلیاژهای پایه نیکل از تشکیل M7C3 در آنها جلوگیری می کند. توده کاربید Cr7C3 در آلیاژ Nimonic 80 A پس از حرارت دادن آن در دمای oC1080 در مرز دانه ها تشکیل می شود. در عملیات حرارتی پیر کردن بعدی برای رسوب فاز ، تشکیل کاربید M23C6 به خاطر وجود کاربید Cr7C3 با شکل مکعبی در مرز دانه ها به تعویق می افتد.
3-4-6- بوریدها و عناصر جزئی مفید دیگر (به جز کربن)
اضافه کردن مقادیر کمی از عناصر جزئی به ویژه Zr و B در بهبود مقاومت خزش سوپرآلیاژها موثر است. اگر چه اطلاعات محدودی از ترکیب MxZry وجود دارد، ولی معلوم شده است که بوریدها در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و احتمالاً در آلیاژهای پایه آهن- نیکل تشکیل می شوند. بوریدها ذرات سخت هستند و به شکل مکعبی تا شبه کروی در مرز دانه ها دیده می شوند. بوریدها عمدتاً به شکل M3B2 با شبکه بلوری تتراگونال یافت می شوند. بورید MB12 نیز شناخته شده اما بررسی های اندکی روی آن انجام گرفته است.
هافنیم (Hf) نیز یکی دیگر از عناصر جزئی مفید است که انعطاف پذیری مرز دانه ها را بهبود می بخشد. منیزیم نیز با ترکیب با گوگرد که بر روی انعطاف پذیری آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل اثرات مضری دارد، مفید است.
3-5- تاثیر فرآیند بر بهبود ریز ساختار
3-5-1- فرآیند تولید سوپرآلیاژ در واقع علم و هنر تبدیل سوپرآلیاژ به شکل نهایی آن است. فرآیند و عناصر آلیاژی به هم وابسته اند. تغییرات ریزساختار در نتیجه فرآیند و ترتیب انجام آن بر روی ترکیب شیمیایی بدست می آید. ریز ساختارها نه تنها تابعی از ترکیب شیمیایی بلکه تابعی از ذوب، کار و عملیات حرارتی هستند. بخش های اصلی تولید سوپرآلیاژ، فرآیندهای ذوب، تبدیل شدن به محصول ریخته یا کار شده و عملیات حرارتی هستند. عملیات حرارتی شناخته شده ترین مرحله فرآیند است زیرا آخرین مرحله ای است که در آن خواص مطلوب، به ویژه در آلیاژهای رسوب سخت شونده، بدست می آید.

فصل چهارم
ذوب و تبدیل

4-1- فرآیند EAF/AOD از سال 1960 برای ذوب آلیاژهای آهن پر کروم زنگ نزن (دارای 5/11 درصد کروم یا بیشتر) استفاده شده است. بعضی از سوپرآلیاژها از نظر خواص همانند فولادهای زنگ نزن مخصوص هستند. سوپرآلیاژهای پایه نیکل پر کروم را می توان به طریق مشابه با فولادهای زنگ نزن ذوب کرد. همانند اکثر فرآیندهای ذوب ترکیب شارژر مواد اولیه ذوب، اقتصادی ترین بخش فرآیند را تشکیل می دهد. فرآیند EAF/AOD این مزیت ویژه را دارد که در آن می توان ارزانترین مواد خام را نسبت به فرآیندهای ذوب دیگر به کار برد. در این روش مستقیماً از قراضه استفاده می شود، بدون آنکه نیازی به ذوب اولیه آن باشد. هم چنین در شرایط محدود شده به جای استفاده از مواد خام با ارزش مانند Mo و Nb می توان از اکسیدهای آنها که ارزانتر هستند. استفاده کرد. در مجموع روش ذوب EAF/AOD کم هزینه ترین فرایند ذوب سوپرآلیاژهاست.
4-1-1- تشریح فرآیند EAF/AOD
همان گونه که از نام فرآیند بر می آید این روش شامل دو نوع تجهیزات است: یک کوره قوس الکتریکی (EAF) و یک تانک کربن زدایی با آرگن و اکسیژن بار که در کوره EAF قرار داده می شود.
توان الکتریکی کوره قوس الکتریکی از طریق الکترودهای بزرگ گرافیتی که در سقف کوره قرار دارد، به بار منتقل می شود. در شروع عملیات ذوب، الکترود به داخل بار فرو می رود، تا جریان الکتریکی از بار عبور کرده و به کف کوره برسد. سپس الکترودها به تدریج بیرون کشیده می شوند تا یک قوس پایدار بین بار و الکترود برقرار شود. این قوس توان لازم برای ذوب بار را تامین می کند.
پس از ذوب شدن بار آهک (CaO) اضافه می شود، تا با ایجاد سرباره، گوگردمذاب را کاهش دهد. علاوه بر این اکسیژن با لوله های مخصوص با فشار در زیر سطح مذاب دمیده می شود. واکنش اکسیژن با کربن، سیلسیم و آلومینیوم، این عناصر را اکسید کرده و به سرباره منتقل می کند و گرمای ایجاد شده از این واکنش های گرمازا دمای مذاب را در حد مطلوب نگه می دارد. حذف عناصر ناخواسته از مذاب مرحله احیاء مذاب نامیده می شود. ذکر این نکته در مورد فرآیند EAF ضروری است که پس از ایجاد مذاب حرارت لازم برای ادامه فرآیند توسط واکنش های گرمازا تامین می شود، نه توسط انرژی های خارجی. چنانچه لازم باشد، با افزودن قراضه به ذوب دمای آن را کاهش می دهند.
در این فرآیند مقدار زیادی سرباره در مراحل اکسیداسیون و گوگرد زدایی ایجاد می شود. سرباره به طور دستی از مذاب جدا شده و از طریق دریجه سرباره که بر روی کوره قرار دارد، به بیرون منتقل می شود. پس از سرباره گیری از ذوب، ترکیب شیمیایی نمونه گیری گرفته می شود. تنظیم آنالیز شیمیایی ذوب، بر مبنای آنالیز به دست آمده از این نمونه صورت می گیرد. برای نگه داشتن دما در سطح مطلوب در طی مدت نمونه گیری و تنظیم ترکیب شیمیایی می توان به ذوب آلومینیوم اضافه کرد و سپس با دمش اکسیژن آن را حذف نمود.
وقتی که ترکیب شیمیایی مورد نظر بدست آمد، بار ذوب شده از طریق دریچه بار ریز جلو کوره به داخل پاتیل انتقال ذوب ریخته می شود. پاتیل انتقال ذوب به بخش دوم فرآیند یعنی تانک AOD منتقل می شود. تانک AOD دارای واحد تامین انرژی مستقلی نیست. در داخل این تانک مخلوطی از گازهای آرگن در مخلوط گازی افزایش داده می شود، تا درصد اکسیداسیون کاهش پیدا کند (به دلیل کاهش فشار جزئی اکسیژن). عمل دمش تا وقتی که اکسید کروم موجود در سرباره احیاء شده و کروم فلزی به مذاب منتقل شود، ادامه پیدا می کند، زیرا از نظر ترمودینامیکی کروم فلزی از اکسید کروم پایدارتر است. مشابه کوره قوس برای ثابت نگهداشتن دمای مذاب می توان از افزودن آلومینیوم و حذف آن با اکسیداسیون استفاده کرد.
وقتی که فرآیند بازیابی کروم به پایان خود نزدیک شد. اصلاحات لازم بر روی ترکیب شیمیایی نمونه انجام می شود. مذاب سرباره گیری شده و به پاتیل ریخته گری منتقل می شود. این پاتیل در کف خود دارای یک توپی است که با باز شدن آن مذاب به داخل قالب ریخته می شود. قالب می تواند به دو روش پر شود. در روش اول مذاب از سر قالب مستقیماً به درون آن ریخته می شود. در روش دوم مذاب در یک لوله بار ریز میانی ریخته می شود و از طریق این لوله مذاب از کف تعدادی از قالب ها به درون آن ها وارد می شود. قالب الکترودهای گرد و تختال های چهارگوش به طور گسترده ای در تولید سوپرآلیاژها استفاده می شوند. پس از ریخته گری شمش از قالب خارج شده و می تواند مستقیماً مورد استفاده قرار گیرد و یا بسته به ویژگیهای انجماد برای به دست آوردن ساختاری با جدایش کمتر با فرآیندهای دیگری ذوب مجدد شود.
4-2- عملیات کوره قوس الکتریکی/ کربن زدایی با اکسیژن و آرگن (EAF/AOD)
4-2-1- ترکیب شیمیایی آلیاژ و آماده کردن شارژ
چند ویژگی مهم در فرآیندEAF/AOD تعیین کننده نوع سوپرآلیاژ تولید شده با این روش هستند. اول اینکه اگر محصول در شرایط AOD و ریخته استفاده می شود، ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژ و ویژگیهای انجماد آن تعیین کننده نوع آلیاژ است. این روش ریخته گری عموماً به طریق استاتیکی انجام می شود. در نتیجه ساختار جدایش یافته حاصل باید در محصول نهایی قابل قبول باشد. بدین معنی که مقدار عنصر محصول سوپرآلیاژها باید کم باشد تا جدایش شدیدی به وجود نیاید. هم چنین سوپرآلیاژهایی را که جدایش متوسط دارند، ولی وجود آن در کاربرد نهایی سوپرآلیاژ زیان آور نیست، می توان به این روش تولید کرد.
دوم اینکه اگر محصول به مقدار گاز محلول بسیار کم یا کنترل ترکیب شیمیایی دقیق که در فرآیندهای تحت خلاء وجود دارد، نیاز نداشته باشد سوپرآلیاژ را می توان با فرآیند EAF/AOD ذوب نموده و به صورت الکترود، ریخته گری کرد. بیشترین دلیل استفاده از فرآیند EAF/AOD به جای فرآیندهای تحت خلاء، پایین بودن قیمت مواد اولیه شارژ و کوتاه بودن زمان ذوب است. چنانچه گفته شد، سوپرآلیاژها نوعی فولادهای زنگ نزن مخصوص هستند. فلز کروم افزودنی اصلی در اکثر سوپرآلیاژهاست. بدست آوردن کروم خالص دشوار و حذف آهن و کربن آن بسیار پر هزینه است.
توانایی فرآیند EAF/AOD در کاهش سطح کربن و بازیافت قسمت اعظمی از کروم. این فرآیند را قادر ساخته که از فروکروم پر کربن به جای فروکروم کم کربن یا کروم خالص استفاده کند (قیمت های سال 2000 این مواد به ترتیب 89/0، 33/1 و 89/8 دلار بر کیلوگرم بوده است.) در طی فرآیند EAF کربن به عنوان سوخت مصرف می شود و به همین لحاظ لازم نیست قراضه مورد استفاده، گریس زدایی و یا با روش های ویژه ای آماده سازی شده باشد، زیرا آلودگی های کربنی در جریان فرآیند حذف می شوند. حذف هزینه های آماده سازی قراضه نیز به کاهش هزینه فرآیند می انجامد.
بازیافت قراضه از مسائل مهم صنعت سوپرآلیاژهاست. قراضه تولید شده در مرحله نورد محصول ممکن است بین 25 تا 50 درصد باشد. ماشین کاری سوپرآلیاژها برای رسیدن به شکل نهایی نیز یکی دیگر از عوامل افزایش قراضه به صورت ماشین کاری می باشد. توانایی فرآیند EAF/AOD در استفاده از این براده ها و حذف آلودگی ها بسیار ثمربخش است. در فرآیند EAF/AOD عناصری که انرژی آزاد اکسیداسیون بالایی دارند، حذف می شوند و به همین خاطر قراضه های آلیاژهای مشابه و نه دقیقاً یکسان نیز در این فرآیند قابل استفاده هستند. از طرف دیگر تولید و کنترل ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژهایی که دارای عناصری با انرژی آزاد اکسیداسیون بالا و نیز آلیاژهایی که دارای ترکیب شیمیایی بسیار محدود و یا عاری از ناخالصی هستند، با این روش دشوار است.
درست به همان ترتیبی که می توان مواد پر کربن را در روش EAF/AOD استفاده کرد، بعضی از مواد پر گوگرد را نیز می توان در این فرآیند به کار برد. حذف گوگرد از سنگ معدن هزینه بالایی دارد. مواد اولیه گوگرددار نسبت به انواع بدون گوگرد قیمت پایین تری دارند. در فرآیند EAF/AOD با افزودن مواد گوگردزا (مانند آهک) به مذاب از انتقال گوگرد به سرباره اطمینان حاصل می شود.
4-2-2- بارگذاری EAF
عموماً از برنامه های رایانه ای برای انتخاب ترکیب بار مواد اولیه استفاده می شود. شکل مواد اولیه و کوره قوس تعیین کننده ترکیب موادی هستند، که در آن بارگذاری خواهند شد. بار داخل ظرف کف ریز ریخته می شود. ظرف به بالای کوره منتقل و کف آن باز شده و محتویات آن به داخل کوره ریخته می شود. برخورد قطعات درشت قراضه با نسوز کف کوره می تواند خسارات شدیدی به آن وارد کرده و عمر لایه نسوز کوره را کاهش دهد. بنابراین ابتدا قطعات ریز قراضه مانند براده های ماشین کاری و سپس قطعات درشت در کوره بار می شوند. آخرین لایه موادی که به بار کوره اضافه می شوند، قراضه های سبک می باشند، تا هنگامی که الکترود پایین آورده می شود، بتواند در داخل آنها فرو رفته و قوس بین الکترود و بار کوره ایجاد شود و از ایجاد قوس بین الکترود و دیواره جلوگیری گردد. نتیجه این کار حفاظت بیشتر از نسوز کوره است.
4-2-3- کوره قوس الکتریک
یک طرح عمومی از کوره EAF در شکل 4-1 نشان داده شده است. ظرفیت کوره EAF باید با ظرفیت تانک AOD یکسان باشد. عملیات EAF/AOD سوپرآلیاژها با ظرفیت Kg 9000 می تواند انجام گیرد، اما اکثراً ظرفیت تولید این روش در حدود kg36000 انتخاب می شود.
دیواره کوره فولادی مدور با سیستم آبگرد و لایه نسوز آجری است. انتخاب آجرهای نسوز به نوع آلیاژ و طراحی کوره بستگی دارد. هزینه نسوز کاری یک کوره متوسط 18 تنی تقریباً 18 هزار دلار است. قسمت پایین کوره ثابت و سقف آن متحرک است. سقف کوره می تواند در یک صفحه افقی حرکت کرده و کاملاً از کوره دور شود تا بار به درون آن ریخته شود. سقف کوره دارای سه الکترود گرافیتی است، که در داخل کوره قرار می گیرند. در قسمت جلو دیواره کوره مجرای خروج مذاب و در قسمت عقب آن دریچه سرباره گیری قرار دارد. کوره قوس تقریباً در داخل یک چاله قرار دارد، به نحوی که مجرای خروج مذاب و دریچه سرباره گیری تقریباً در کف کارگاه قرار می گیرند. وجود چاله اجازه می دهد، که پاتیل حمل مذاب و پاتیل سرباره می توانند تا نزدیکی کوره آورده شوند. سطح این پاتیل ها پایین تر از سطح مجراها قرار می گیرند. کوره قابلیت چرخش تا 90 درجه به طرف جلو را دارد، تا فلز مذاب کاملاً به درون پاتیل ریخته شود. زاویه چرخش کوره به طرف عقب به منظور سرباره گیری حداکثر 20 درجه است.
به دلیل پایین بودن چگالی مواد اولیه نمی توان همه آن را یکباره به کوره بار کرد. ابتدا بخشی از بار به کوره اضافه می شود و سقف کوره مجدداً در جای خود قرار می گیرد. الکترودها به طرف شارژ حرکت می کنند و قوس الکتریکی بین بار و الکترود ایجاد می شود. ابتدا قوس کم ولتاژ ایجاد می شود. با شروع به ذوب شدن بار الکترودها پایین تر می روند و ولتاژ جریان افزایش می یابد. تا قوسی با طول بیشتر ایجاد گردد و در نتیجه بازدهی ذوب افزایش یابد. عملیات مزبور تا ذوب شدن همه بار ادامه پیدا می کند. سقف کوره کنار می رود و باقی مانده بار به کوره ریخته می شود (بارگذاری مجدد)، پس از بارگذاری مجدد، سقف کوره به محل قبلی خود برگشته و تا زمانی که کل بار ذوب شود، قوس بر قرار می شود. پس از آن گرم کردن ذوب با دمش اکسیژن و آرگن می تواند انجام شود.
اکسیدهایی که در این مرحله به وجود می آیند، ممکن است بسیار خورنده باشند و به لایه نسوز کوره آسیب وارد کنند. ساییدگی نسوزها در همه ذوب ها اتفاق می افتد، ولی برای جلوگیری از آسیب های موضعی شدید نسوز دیواره، معمولاً آهک به بار کوره اضافه می کنند. آهک نقش سرباره ساز دارد و سرباره ایجاد شده در کوره به صورت دستی از آن گرفته می شود. برای سرباره گیری کوره به سمت عقب چرخیده و سرباره جمع آوری شده، از دریچه سرباره گیری خارج می شود. این عمل در صورت نیاز و بسته به نوع بار قابل تکرار است.
پس از آنکه بخش عمده ای از سرباره تشکیل شده تخلیه گردید، یک نمونه آنالیز شیمیایی از ذوب تهیه می شود. بر مبنای ترکیب شیمیایی بدست آمده از این نمونه ممکن است دمش گاز ادامه یابد یا تعدادی از عناصر آلیاژی برای تنظیم ترکیب شیمیایی قبل از انتقال به واحد AOD به آن افزوده شود. زمان تقریبی مرحله EAF فرآیند EAF/AOD تقریباً 1 تا 3 ساعت است. پس از آماده شدن ذوب آن را به درون پاتیل انتقال مذاب می ریزند. پاتیل انتقال (یک ظرف نسوز کاری شده با مجرای خروج مذاب) در مقابل کوره قوس قرار داده می شود. کوره می چرخد و محتویات خود را به درون پاتیل می ریزد. ممکن است پاتیل با MgO نسوزکای شده باشد، تا با سرباره آهک مطابقت داشته باشد. امکان دارد موقع سرباره گیری ذرات سرباره بر روی مذاب شناور باقی به ماند. قبل از ریختن مذاب برای جلوگیری از افت دمای مذاب در پاتیل، آن را پیش گرم می کنند. پاتیل انتقال مذاب به تانک AOD برده می شود و مذاب به درون تانک ریخته می شود.
4-2-4- تانک AOD
در شکل 4-6 تانک AOD نشان داده شده است. دیواره تانک فولادی و نسوز کاری شده است. نمای بیرونی تانک شبیه به مخلوط کن های بتن با تنه مدور و سر مخروطی است که در محل قرارگیری خود می تواند بر روی یک صفحه عمودی چرخش نماید. ظرفیت تانک متناسب با ظرفیت کوره EAF و معمولاً کمتر از 36 تن است. یکی از مشخصات ویژه تانک AOD این است که در کف آن تعدادی لوله برای دمش مخلوط اکسیژن و آرگن وجود دارد. این لوله تعدادی لوله هم مرکز هستند که از لوله مرکزی مخلوط آرگن و اکسیژن و از لوله بیرونی فقط گاز خنثی (معمولاً آرگن) برای خنک کردن انتهای لوله مرکزی دمیده می شود.
لایه نسوز تانک AOD شبیه نسوز کوره EAF است و در طی فرایند فرسوده می شود. کنترل درجه قلیایی سرباره یک عامل کلیدی برای اطمینان از آسیب ندیدن لایه نسوز از طرف سرباره می باشد. اولین مرحله در تانک AOD کربن زدایی مذاب است. اگر درون مذاب اکسیژن خالصی دمیده شود، نتیجه کار نه تنها کربن زدایی مذاب نخواهد شد بلکه کروم بیشتری به اکسید کروم تبدیل خواهد شد. برای اقتصادی کردن واکنش کربن زدایی، فشار جزئی اکسیژن دمیده شده به مذاب با اضافه کردن آرگن به آن کاهش داده می شود تا از مقدار کرومی که به اکسید کروم تبدیل می شود، کاسته شود. وقتی که مقدار کربن مذاب بالا باشد، نسبت آرگن به اکسیژن در مخلوط گازی 3 به 1 در نظر گرفته می شود. با کاهش مقدار کربن مقدار آرگن باید افزایش یابد. با نزدیک شدن به مرحله کربن زدایی کامل نسبت آرگن به اکسیژن تقریباً 6 به 1 در نظر گرفته می شود.
حرارتی که در اثر واکنش کربن زدایی به وجود می آید، مقداری از کروم را اکسید می کند. در اثر دمش گاز، سیلسیم نیز اکسید می شود ولی حرارت ناشی از اکسیداسیون آن ناچیز است و اثر کمی در گرم کردن مذاب دارد. یادآوری این موضوع اهمیت دارد که تانک AOD فاقد منبع انرژی حرارتی خارجی سات و دمای آن در اثر واکنش های گرمازا افزایش پیدا می کند. چنانچه لازم باشد دمای مذاب پایین آورده شود، از قراضه جامد استفاده می شود. یکنواخت نگه داشتن دمای مذاب از لحاظ اقتصادی اهمیت دارد، زیار تبدیل عناصر آلیاژی با ارزش (به ویژه کروم و نیوبیوم) به سرباره تحت تاثیر دما انجام می گیرد. از فوق گداز شدن مذاب باید جلوگیری کرد، زیرا خنک کردن و گرم کردن مجدد آن زمان بر بوده و بازیابی کامل عناصر آلیاژی موجود در سرباره را دشوار می سازد.
در طی فرآیند کربن زدایی به مذاب آهک اضافه می شود. آهک اضافه شده در مرحله دمش گاز کاملاً با مذاب مخلوط شده و درجه بالایی از گوگرد زدایی مذاب به دست می آید. CaS حاصل از گوگردزدائی به صورت سرباره در می آید. چنانچه پس از نمونه گیری از ترکیب شیمیایی، کربن زدایی تا سطح مورد نظر انجام شده باشد، مرحله بازیابی عملیات AOD شروع می شود.
در این مرحله سرباره با عناصر ارزان قیمت (عموماً Si و Al مخلوط شده با آهک) واکنش داده می شود. این عناصر نسبت به عناصری نظیر Cr و Nb تمایل بیشتری برای تشکیل اکسید دارند و به همین دلیل اکسیدهای عناصر گران قیمت موجود در سرباره احیاء شده و عناصر فلزی به مذاب بر می گردند. درباره استفاده از ترکیب شیمیایی نمونه گرفته شده از پاتیل انتقال و مقدار اکسیژن دمیده شده به مذاب برای پیش بینی مقدار کروم و نیوبیوم اکسید شده ای که باید احیاء شود، نظریه های گوناگونی ارائه شده است.
پس از اتمام مرحله بازیابی (توسط ترکیب شیمیایی نمونه گرفته شده از مذاب) سرباره گیری انجام می شود. به هنگام سرباره گیری تانک چرخیده و سرباره جمع آوری شده از سطح مذاب از دریچه خارج می شود. به هنگام سرباره گیری تانک چرخیده و سرباره جمع آوری شده از سطح مذاب از دریچه خارج می شود. پس از آن عملیات نهایی تنظیم ترکیب شیمیایی انجام می شود. سپس تانک بیشتر چرخیده و مذاب به درون پاتیل ریخته گری منتقل می شود.
4-2-5- پاتیل ریخته گری
پاتیل ریخته گری و بار مذاب درون آن به محل ایستگاه ریخته گری منتقل می شوند. شکل 4-7 طرح کلی سیستم ریخته گری با قالب پر شونده از کف را نشان می دهد. با کنار رفتن توپی کف پاتیل، مذاب به بیرون جریان پیدا می کند. با وارد شدن مذاب به لوله بارریز مرکزی یا شیپوری می توان از یک جریان گاز آرگن برای جلوگیری از تماس مذاب با اکسیژن و نیتروژن اتمسفر استفاده کرد. لوله بارریز تعدادی راهگاه را که به صورت شعاعی در پیرامون آن قرار گرفته اند، پر می کند.
از طریق این راهگاه ها فلز مذاب از کف قالب به درون آن ریخته گری می شود. برای جلوگیری از واکنش بین جداره داخلی قابل و فلز مذاب پودرهای ویژه ای به سطح داخلی قالب زده می شود. اثر دیگر این پودرها بهبود کیفیت سطح شمش ریخته و نیز عایق حرارتی بودن است. در پایان ریخته گری ترکیب های گرمازایی به سطح قالب اضافه می شوند تا به عنوان عایق حرارتی سر الکترودهای در حال انجماد را گرم نگه دارند. لذا این قسمت می تواند به عنوان تغذیه عمل نماید و انقباض های ناشی از انجماد قسمت های مرکزی شمش را جبران کند.
قالب الکترودهای کربن زدایی شده با آرگن و اکسیژن را می توان از سر قالب ریخته گری کرد اما به دلیل مشکلاتی مانند دشوار بودن این روش، مسائل ایمنی و طولانی بودن زمان ریخته گری، عموماً از روش ریخته گری قالب پر شونده از کف استفاده می شود.
4-3- مروری بر ذوب القایی در خلاء (VIM) 13
4-3-1- در فرآیند ذوب القایی تحت خلاء در مقایسه با فرآیندهای ذوب در هوا، مقدار اکسیژن و نیتروژن مذاب به مقدار قالب توجهی کاهش می یابد. در نتیجه سوپرآلیاژهای تولید شده با VIM اکسیدها و نیتریدهای کمتری داشته و نسبت به سوپرآلیاژهای تولید شده به روش EAF/AOD تمیزتر هستند. بعلاوه عناصر دارای فشار بخار بالا (به ویژه سرب و بیسموت) که ممکن است از طریق قراضه وارد شده باشند، در طی فرآیند ذوب به این روش حذف می شوند. مجموع این عوامل باعث بهبود خواص خستگی و گسیختگی خزش سوپرآلیاژهای تولید شده با VIM در مقایسه با روش EAF/AOD می شوند.
کنترل عناصر آلیاژی در این روش خیلی دقیق تر از روش EAF/AOD است و تولید به روش VIM پر هزینه تر از روش EAF/AOD است. در فرآیند EAF/AOD اصلاح ترکیب شیمیایی (کاهش عناصری مانند Al,Si,S,Ti,C و …) صورت می گیرد ولی در فرآیند VIM ترکیب شیمیایی نهایی به ترکیب بار وارد شده به کوره بسیار نزدیک است. ممکن است در مقدار کربن کاهش جزئی صورت گیرد. در فرآیندهای VIM جدید مرحله گوگردزدایی نیز وجود دارد. در این روش ترکیب شیمیایی مذاب توسط ترکیب بار وارد شده به کوره تعیین می شود؛ به همین دلیل قیمت مواد اولیه فرآیند VIM در مقایسه با مواد اولیه استفاده شده در فرآیند EAF/AOD گران تر است.
4-3-2- تشریح فرآیند VIM
بار کوره عموماً دارای سه بخش است: بخش مواد خام که قبلاً در خلاء ذوب نشده اند، بخش دیرگداز که شامل عناصر خالصی است که اکسیدهای پایدار تشکیل می دهند و تمایل دارند قابلیت انحلال اکسیدها و نیتریدهای موجود در مواد خام را افزایش دهند. بخش آخر بار شامل قراضه های داخلی و خارجی است که قبلاً در خلاء ذوب شده اند. به خاطر اینکه امکان دارد قراضه ها در طی تولید آلودگی پیدا کرده باشند، لازم است دقت کافی در جدایش و آماده سازی آنها قبل از وارد شدن به فرآیند VIM انجام گیرد. ابتدا بخش مواد خام بار درون کوره VIM قرار داده می شود. این عمل ممکن است با باز شدن سقف کوره و یا بارگذاری توسط یک محفظه تحت خلاء نصب شده در بالای سر کوره انجام گیرد. کوره قابلیت ایجاد سریع خلاء کمتر از 100 (و اغلب کمتر از 10) را دارد. با ایجاد جریان القایی توسط سیم پیچ های مستقر در محیط بوته نسوز. مواد خام ذوب می شوند. پس از ذوب کامل، مواد گاززدائی می شوند. در اینجا ممکن است مقدار دیگری از مواد به بار ذوب شده اضافه شود تا وزن آن به مقدار برنامه ریزی شده برسد.
پس از کامل شدن ذوب یک نمونه ترکیب شیمیایی از آن گرفته می شود. بر اساس ترکیب شیمیایی نمونه، افزودنی های لازم به ذوب اضافه می شود، تا ترکیب شیمیایی آن به حد مورد نظر برسد. با توجه به اینکه در این فرآیند تغییرات قابل توجهی در ترکیب شیمیایی صورت نمی گیرد، لذا باید در تنظیم ترکیب شیمیایی ذوب بدست آمده دقت کرد تا در صورت نیاز بتوان مجدداً آن را تکرار نمود. پس از به پایان رسیدن مرحله اضافه کردن مواد افزودنی، دمای مذاب به دمای مناسب برده شده و به درون قالب ها ریخته گری می شود.
مذاب با وجود اینکه در خلاء تولید شده ولی مقدار قابل توجهی سرباره ایجاد شده از اکسیژن زدایی، گوگرد زدایی و ذرات نسوز کوره دارد. در حین ریخته گری مذاب تا حد ممکن سعی می شود که ذرات سرباره به داخل قالب راه پیدا نکنند. عموماً از سیستم ریخته گری برای هدایت فلز مذاب به قالب که دارای تعدادی تله برای به دام انداختن ذرات سرباره است، استفاده می شود. سیستم ریخته گری در نهایت به بار ریز ختم می شود. در بارریز همواره مقداری مذاب وجود دارد، تا ذرات سرباره راه یافته به آن شناور شده و از جریان مذاب ریخته گری حذف شوند. جریان مذاب از کف بارریز خارج می شود. زمان ریخته گری توسط قطر افشانک بارریز و دمای ریخته گری تعیین می شود.
سوپرآلیاژهای تولید شده به روش VIM به ندرت در شرایط ریخته استفاده می شوند و به کارگیری آنها در شرایط کار شده مناسب تر است. یکی از برتری های این روش استفاده از شمش های آن در عملیات ذوب مجدد برای بهبود ساختار آلیاژ و افزایش درجه تمیزی آن است. قالب های VIM می توانند برای ذوب مجدد به روش های VAR 14 و ESR 15 استوانه ای باشند یا برای ذوب مجدد به روش ESR تختال در نظر گرفته شوند. در اصطلاح فنی به محصولات ریخته تولید شده به این روش شمش گفته نمی شود، بلکه با عنوان الکترود شناخته می شوند، و این نام نشانگر آن است که مواد نیمه تمام بوده و از آنها در فرآیند ذوب بعدی استفاده خواهد شد.
4-4- عملیات ذوب القایی در خلاء
4-4-1- عملیات ذوب القایی در خلاء
بار VIM بر حسب ترکیب شیمیایی هدف محاسبه می شود. محاسبه انجام شده بر مبنای استفاده از سه نوع مختلف مواد به علاوه یک فاکتور تصحیح است. نوع اول مواد که با عنوان مواد خام یا تازه توضیح داده شدند، دارای عناصر خالص هستند. این مواد ممکن است دارای اکسیژن و نیتروژن حل شده باشند. اکسیژن در طی عملیات ذوب کاهش خواهد یافت. کاهش نیتروژن در فرآیند VIM با سرعت پایینی صورت می گیرد و باید در انتخاب مواد اولیه از مواد کم نیتروژن استفاده کرد. تفاوت اصلی بین مواد خام و بقیه مواد در این است که سطح گاز محلول آنها با عملیات ذوب در خلا قبلی کاهش نیافته است.
بر پایه این تعریف مواد خام از نظر اقتصادی نوع مهمی از تولیدات فرآیند EAF/AOD هستند. این مواد از بازیافت سوپرآلیاژهای برگشتی از خط تولید، فلز باقی مانده به دیواره کوره و براده های ماشین کاری و پوسته کنی با اندازه کوچک هستند، که می توان مستقیماً در کوره VIM از آنها استفاده کرد. بعضی از مواد با فرآیند EAF/AOD تولدی می شوند که دارای کربن و عناصر فعال کمی هستند. این مواد حتی اگر با VIM هم تولید شوند اکسیژن زیادی خواهند داشت و باید بدون توجه به روش تولید و اینکه قراضه فرآیند VIM هستند از آنها به عنوان مواد خام استفاده کرد.
دسته دوم تحت عنوان مواد فعال شناخته می شوند. مواد فعال عموماً مواد خالص هستند. این مواد عمدتاً Ti و Al اکسیدها و نیتریدهای پایداری تشکیل می دهند و قابلیت انحلال گازها را در بار کوره افزایش می دهند. این مواد باید توزین شده و جداگانه نگهداری شوند و فقط پس از گاززدایی کامل مذاب به آن افزوده شوند.
دسته سوم مواد برگشتی هستند. در طی فرآیندهای تولید سوپرآلیاژها مقدار زیادی قراضه تولید می شود. بازیافت این قراضه، هم قراضه داخلی (مانند قراضه ذوب) و هم قراضه خارجی (مانند قراضه مراحل ساخت و نصب قطعات) یک کار اقتصادی بسیار مهم در صنعت سوپرآلیاژهاست. قطعات بزرگ قراضه در طی فرآیند ذوب و مرحله شکل دادن سوپرآلیاژ تولید می شوند. این قطعات ممکن است مستقیماً به کوره VIM ریخته شوند. البته باید امکاناتی برای تشخیص ترکیب شیمیایی آنها وجود داشته باشد. یک منبع بزرگ دیگر قراضه های برگشتی براده های فرآیند ماشین کاری است.
براده ها باید جداگانه نگهداری شوند و به شکل فشرده باشند، تا بهتر به کوره بار شوند. هم چنین محلول آب و صابون و روغن به جای مانده از ماشین کاری آنها باید زدوده شود. قید و بندهایی که برای نگهداشتن قطعات در ماشین کاری استفاده می شوند، ممکن است دارای سرب و بیسموت باشند. چنانچه براده های ماشین کاری به این فلزات آلوده شده باشند، وجود سرب و بیسموت در سوپرآلیاژ تولید شده اثرات بسیار مخربی بر جای خواهد گذاشت. برای جلوگیری از این شرایط لازم است از هر توده براده نمونه کوچکی تهیه نموده و آن را ذوب کرد و سپس آنالیز شیمیایی آن را به دست آورد. با توجه به اینکه ممکن است آلودگی در توده براده ها یکنواخت توزیع نشده باشد. لذا نتایج آنالیز نمونه ممکن است. در پیش بینی مقدار آلودگی سرب و بیسموت گمراه کننده باشد. خوشبختانه چنانچه سطح این آلودگی ها در بار کوره پایین باشد، در طی فرآیند VIM مقدار خیلی زیادی از آنها حذف می شود، ولی اگر سطح آلودگی بالا باشد پس از ذوب در خلاء کاملاً حذف نمی شوند، مگر اینکه تشخیص داده شوند که در این صورت باید زمان فرآیند بیشتر از حد معمول در نظر گرفته شود و این حالت از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
قراضه برگشتی حتماً نباید ترکیب شیمیایی بار را داشته باشد. با محاسبه وزن مواد خام و اختلاف ترکیب شیمیایی آنها به راحتی می توان از قراضه های مختلف استفاده کرد.
عامل باقی مانده در محاسبه بار کوره VIM پیش بینی مقدار ماده ای است که قرار است از فرآیند ذوب گرفته شود. وقتی که مذاب VIM تخلیه می شود مقداری از فلز مذاب به دیواره بوته می چسبد. در فرآیند ذوب بعدی فلز باقی مانده مجدداً ذوب می گردد. به همین خاطر ترکیب های شیمیایی ذوب های متوالی در فرآیند VIM باید با یکدیگر مطابقت داشته باشند. به هنگام محاسبه بار یک عامل تصحیح بخاطر تغییر ترکیب شیمیایی به وجود آمده از مواد بر جای مانده از ذوب قبلی باید در نظر گرفته شود. این عامل تصحیح بر مقدار و نوع مواد خام اثر خواهد گذاشت. تحت بعضی شرایط قبل از شروع عملیات ذوب، بوته را با یک پاک کننده مواد باقی مانده برای ذوب ترکیب جدید آماده می کنند. ذوب های آماده ساز عموماً غیرآلیاژی بوده و اجزاء اصلی ذوب بعدی را تشکیل می دهند.
4-4-2- کوره القائی تحت خلاء
کوره دارای یک پوسته فولادی متصل به سیستم ایجاد خلاء سریع است. کوره ها از سقف یا بدنه باز می شوند و از این نظر طرح های مختلف کوره های VIM تفاوت کمی با یکدیگر دارند. بوته در مرکز کوره قرار دارد. ظرفیت بوته 4500 تا 22750 کیلوگرم است. نسوز دیواره بوته یکپارچه نیست و در آن از آجرهای نسوز (دو لایه آجر نسوز، یک لایه پشتیبان که از سیم پیچ القایی حفاظت می کند و یک لایه بیرونی که در تماس با فلز مذاب است) استفاده می شود. پس از مدتی ضخامت این لایه نسوز کاهش می یابد و آن را تعویض می کنند. یک عامل اصلی در کاهش عمر نسوز دیواره بوته انبساط و انقباض نسوز در طی چند ذوب متوالی است. آجرهای نسوز تجاری اکثراً به طور کامل تف جوشی نشده و در حین کار منبسط می شوند و ظرفیت کوره را پایین می آورند. در انتخاب آجرهای نسوز باید به مقاومت سایشی و انبساط کنترل کننده عمر لایه نسوز و مدت زمان عملیات VIM توجه نمود.
بعد از لایه نسوز، سیم پیچ های القایی هستند که از جنس لوله های مسی آبگرد می باشند. با عبور جریان القایی بار جامد ذوب می شود. پس از ذوب شدن کامل بار جریان القایی باعث تلاطم ذوب می شود. فرکانس بهینه در سیم پیچ القایی برای حرارت دادن بار با شکل، اندازه و حالت بار (جامد یا مذاب) تغییر می کند.
در تجهیزات قدیمی از یک فرکانس استفاده می شد اما تجهیزات جدید با فرکانس های مختلفی کار کرده و ذوب را سریعتر آماده می کنند. در بعضی از کوره های VIM سیم پیچ هایی در مقاطع مختلف کوره نصب شده اند. پس از آماده شدن ذوب از این سیم پیچ ها می توان برای به هم زدن مذاب استفاده کرد بدون اینکه انرژی اضافی برای این کار مصرف شود.
در اکثر کوره های ذوب القایی در خلاء یک محفظه بارگذاری تحت خلاء در بالای بوته نصب شده است. موادی که بعداً به ذوب اضافه می شوند از طریق این محفظه به درون بوته ریخته می شوند. نحوه کار بدین شکل است که مواد اضافه شونده درون یک طرف کف ریز قرار داده می شوند و سپس ظرف کف ریز و محتویات آن در داخل محفظه قرار می گیرند. درب محفظه بسته و در آن خلاء ایجاد می شود. دریچه هایی که محفظه بارگذار تحت خلاء را از کوره ذوب در خلا جدا می کنند، باز می شود. ظرف کف ریز تا نزدیکی سطح مذاب پایین می رود و کف آن باز می شود، تا مواد به داخل بوته ریخته شوند.
کوره های قدیمی ذوب القایی در خلاء با یک محفظه ساخته می شدند. در این نوع کوره ها قالب ریخته گری در داخل کوره ذوب القایی قرار می گرفت. یکی از معایب کوره های قدیمی این بود که پس از هر بار پر شدن قالب باید کوره باز می شد تا قالب پر شده را خارج کنند و قالب جدید کار گذاشته شود. در کوره های جدید یک محفظه تحت خلاء جداگانه برای قالب ها وجود دارد (کوره های دو محفظه ای). در هر نوع کوره قالب های آماده شده باید پس از آماده شدن ذوب به قسمت ریخته گری منتقل شوند. در شکل 4-2 طرح کوره VIM دو محفظه ای نشان داده شده است.
4-4-3- سیستم های ریخته گری
سیستم هایی که فلز مذاب را انتقال می دهند ناودانک نام دارند. ناودانک ها لوله های فولادی نسوزکاری شده ای هستند که در کوره های VIM دو محفظه ای از آنها استفاده می شود. اگر اندازه ناودانک بزرگ باشد، از آجرهای نسوز در آن استفاده می شود، ولی در ناودانک های کوچک از نسوزهای کوبیدنی یا تف جوشی شده استفاده می شود. در ناودانک ها موانع و تله هایی در مسیر جریان فلز مذاب به قالب ایجاد می کنند، تا از ورود سرباره به داخل قالب جلوگیری شود.
حذف نهایی سرباره توسط بارریز صورت می گیرد. مذاب پس از خروج از ناودانک در داخل بارریز ریخته می شود(در بعضی از سیسیتم های ریخته گری راحی شده مذاب مستقیماً از بوته به بارریز ریخته می شود). در بارریز ارتفاع فلز مذاب را به نحوی انتخاب می کنند که در ته آن یک جریان آرام برقرار شود. در ته بارریز افشانک قرار دارد و فلز مذاب توسط آن وارد قالب می شود. ممکن است در بارریز هم موانعی برای جذب ذرات سرباره وجود داشته باشد.
یکی از مهم ترین عوامل موجود در بارریز زمان قرارگیری مذاب در داخل آن است. این مدت زمان کنترل کننده مقدار سرباره شناور شده است. با تنظیم سرعت ورودی مذاب از ناودانک به بارریز ارتفاع فلز مذاب در بارریز ثابت نگه داشته می شود. با ثابت ماندن دمای فلز مذاب و ارتفاع آن در بارریز سرعت خروج مذاب از افشانک بارریز ثابت باقی می ماند.
قالب های ریخته گری عموماً از مواد فلزی (معمولاً چدن) هستند، ولی استفاده از فولاد آهنگری شده نیز افزایش یافته است. عمر قالب و قیمت تمام شده آن تعیین کننده نوع قالب ریخته گری هستند. خستگی حرارتی مهم ترین عامل از کار افتادگی قالب ها است. مقاومت شکست فولادهای آهنگری شده بیشتر از چدن است، عوامل دیگری نیز در فرسوده شدن قالب ها موثر هستند، از جمله برخورد مستقیم جریان مذاب به دیواره قالب که در این حالت قالب های ارزان چدنی مناسب تر هستند. دیواره قالب ها برای کمک به خارج شدن الکترود جامد از درون قالب شیب کمی دارد. انقباض الکترود منجمد شده آن را از دیواره قالب جدا می کند، به نحوی که به نیروی زیادی برای جدا کردن الکترود از قالب نیاز نیست.
4-4-4- عملیات ذوب القایی در خلاء
مراحل ذیل نحوه تولید مذاب در کوره VIM دو محفظه ای را نشان می دهد. اکثر مراحل عملیات VIM از این روش پیروی می کنند ولی جزئیات بعضی از عملیات های ویژه مانند اندازه گیری های تحت خلاء متفاوت هستند.
پس از کامل شدن عملیات ذوب قبلی محفظه ذوب از محفظه قالب جدا می شود. مقدار خلاء محفظه ذوب یادداشت می شود. تمام دریچه های خلاء بسته می شوند و پس از مدتی در حدود 3 دقیقه افت خلاء محفظه ثبت می شود. افت خلاء به خاطر وجود نشت در کوره به وجود می آید. پمپ های بزرگ استفاده شده در کوره های VIM می توانند خلاء زیادی ایجاد کنند، که افت خلاء ناشی از نشست را جبران می کند. بلافاصله پس از اطمینان از اینکه خلاء لازم در کوره ایجاد شده است، افزودن بخش مواد خام از محفظه بارگذار شروع می شود. در شروع ذوب توان کامل ذوب به کارگرفته می شود وقتی که کل بار ذوب شد، دمای آن کنترل می گردد و برای عملیات گاززدایی تنظیم می شود. سرعت تخلیه محفظه افزایش پیدا می کند، زیرا گازهای خارج شده از بار ذوب شده باید به بیرون کوره منتقل شوند. با کاهش فشار جزئی گاز در محفظه گاز بیشتری از ذوب خارج می شود به طور مثال کربن وجود دربار با اکسیژن ترکیب شده و به صورت CO آزاد می شود. پیشرفت گاززدایی با اندازه گیری سرعت تخلیه در زمان های مختلف پی گیری می شود. وقتی که سرعت تخلیه ثابتی برقرار شد بدین معنی است که گاززدایی مذاب خاتمه یافته است.
کنترل دما در طی فرآیند با دماسنج های نوری انجام می شود. ممکن است گفته شود که استفاده از دماسنج های نوری نتایج خیلی دقیقی به همراه ندارد. باید خاطرنشان ساخت که استفاده از دماسنج نوری وقتی که سطح مذاب شروع به سرد شدن می کند، با دقت زیادی دمای مذاب را اندازه گیری می کند و کنترل های بعدی دما نیز برای اندازه گیری فوق گداز مورد نیاز انجام می شود.
پس از گاززدایی کامل ذوب، افزودن بخش قراضه های برگشتی بار شروع می شود. عناصر نسوز یا قسمتی از آن ممکن است به همراه این بخش افزوده شود. مقداری آلومینیوم برای اکسیژن زدایی و کلسیم نیز برای گوگردزدایی ذوب به آن افزوده می شود. برای افزودن کلسیم عموماً از افزودنی های نیکل – کلسیم، آهک یا ترکیبی از این دو استفاده می شود. CaS تشکیل شده به سرباره تبدیل می شود و بخشی جزیی از آن به دیواره بوته می چسبد. برای اطمینان از عدم برگشت CaS چسبیده به دیواره باید مقداری آلومینیوم در مذاب وجود داشته باشد.
باید خاطر نشان ساخت که استفاده اولیه از VIM در سوپرآلیاژها بدون استفاده از مواد سرباره ساز بوده است. با شناخت اثرات مخرب گوگرد بر خواص سوپرآلیاژهای دما بالا، نیاز به کاهش مقدار گوگرد و اصلاح ترکیب شیمیایی مذاب برای بهبود خواص مکانیکی پیدا شد. هم اکنون همه ذوب های VIM دارای ترکیبات سرباره ساز و نیز ترکیبات اکسیدی شناور بر روی سطح مذاب هستند. برای جلوگیری از ورود این مواد به داخل الکترودهای ریخته باید دقت کافی به عمل آید.
وقتی که ذوب قراضه های برگشتی، کنترل گوگرد و افزودن مواد نسوز به انجام رسید و ذوب آماده شد، یک نمونه ترکیب شیمیایی از آن تهیه می شود. بر مبنای آنالیز به دست آمده از روی این نمونه، مقدار وزنی افزودنی های آلیاژی برای رساندن انالیز به دامنه ترکیب شیمیایی مورد نیاز محاسبه می شود. افزودنی های مورد نیاز به مذاب اضافه می شوند. در صورتی که مقدار مواد افزودنی زیاد باشد، نمونه دوم انالیز شیمیایی برای اطمینان از درستی ترکیب شیمیایی برداشته می شود. پس از آماده شدن ذوب ناودانک از میان دریچه بین دو محفظه عبور کرده و بر روی بارریز قرار می گیرد. بارریز قبلاً پیش گرم شده است.
قبل از ریخته گری، دمای ذوب با دماسنج نوری کنترل می شود و صحت آن توسط اندازه گیری دما با ترموکوپل کنترل می شود. کنترل دمای ریخته گری به دلیل اینکه سیال بودن مذاب و سرعت ریخته گری از افشانک بارریز را تحت تاثیر قرار می دهد، اهمیت دارد. دمای ریخته گری باید به حد کافی بالا باشد، تا مذاب به دیواره افشانک نچسبد و آنقدر بالا نباشد، که TiN تشکیل شده بتواند در مذاب حل شود. اغلب برای اطمینان از گوگردزدایی کامل، منیزیم به صورت نیکل – منیزیم به مذاب اضافه می شود. در این صورت گوگرد موجود در سوپرآلیاژ کار شده نهایی به صورت MgS در خواهد آمد. MgS به صورت ذرات کروی تشکیل می شود (برخلاف سایر سولفیدها که به صورت لایه های نازک مرزدانه ای ظاهر می شوند). MgS تشکیل شده به نحو قابل ملاحظه ای انعطاف پذیری آلیاژ را افزایش می دهد. عنصر منیزیم دارای فشار بخار بالایی است و تحت خلاء جزئی یا کامل نمی تواند در مذاب باقی بماند و تبخیر می شود. به همین دلیل آرگن به محفظه خلاء وارد می کنند، تا فشار محیط افزایش یافته و تبخیر منیزیم کنترل شود. به رسوب گرد و غبار منیزیم بر روی دیواره های کوره از نظر ایمنی باید توجه کرد، زیرا آتش زا است و غبار منیزیم نیز ممکن است در اثر جرقه منفجر شود.
قبل از ریخته گری، نمونه نهایی از ترکیب شیمیایی گرفته می شود. با خم شدن بوته، فلز مذاب زیر سرباره به آرامی در ناودانک جریان پیدا می کند. در ابتدا به منظور پر کردن سریع بارریز، سرعت جریان ریزش مذاب از بوته و ناودانک زیاد است. وقتی که بارریز تا سطح مطلوب پر شد، زاویه چرخش بوته کاهش می یابد، تا سطح مذاب در بارریز در ارتفاع ثابتی نگه داشته شود. شروع ریخته گری با بارریز قرار گرفته در بالای سر قالب انجام می گیرد، به همین لحاظ اندکی قبل از رسیدن بارریز به ظرفیت کامل ریخته گری شروع می شود. با پر شدن هر یک از قالب های الکترود قالب بعدی در زیر جریان مذاب قرار داده می شود (جریان مذاب معمولاً پیوسته است). آخرین مذاب موجود در بوته در یک قالب جداگانه ریخته می شود. احتمال وجود ذرات سرباره در آخرین قالب وجود دارد. به همین دلیل از آن به عنوان الکترود استفاده نمی شود.
با شرع عملیات ذوب بعدی الکترودهای ریخته نیز در محلی نگه داشته می شوند، تا زمانی که انجماد آنها کامل شود. سپس از قالب ها بیرون کشیده می شوند. در بسیاری از آلیاژها الکترودهای ریخته قبل از ذوب مجدد تابکاری می شوند و ممکن است الکترودها مستقیماً به کوره تابکاری منتقل شوند. محصولات ریخته گری استاتیکی شده دارای جدایش مثبت بالایی هستند و ذوب مجدد آنها برای بدست آوردن ساختار ریخته گری مطلوب باید کنترل شده باشد. انجماد الکترودها از دیواره قالب شروع شده و به طرف مرکز پیشروی می کند و به همین دلیل مک های انقباضی در خط مرکزی الکترود متمرکز می شوند. به این عیوب "مک های ثانویه" گفته می شود. مک های اولیه نیز در اثر تغییر حجم ناشی از انجماد در محل سه الکترود، به وجود می آیند. انقباض اولیه با بکار بردن پوشش گرمازا روی سطح فوقانی الکترود حذف می شود. پوشش گرمازا ماده ای است که سطح فوقانی الکترود را نسبت به سطوح پایین تر آن برای مدت زمان طولانی تری در حالت مذاب نگه می دارد. در این صورت مذاب باقی مانده در داخل حفره های انقباضی نفوذ کرده و آنها را تغذیه می کند. قسمت فوقانی الکترود بعداً بریده شده و حفره های انقباضی اولیه حذف می شوند. مقدار ماده هدر رفته در این ناحیه ناچیز است. دانستن این موضوع اهمیت دارد که با افزایش نسبت طول به قطر حفره های انقباضی، پوشش گرم سر الکترود نمی تواند همه حفره های انقباضی را حذف کند. این نسبت در یک الکترود به قطر cm 43 و طول cm 380 تقریباً 9 بر 1 است.
4-5- مروری بر ذوب مجدد
4-5-1- ریخته گری استاتیکی فرآیندی است که برای ریخته گری حجم زیادی از فلز مذاب به درون قالب انجام می شود. کنترل انجماد توسط طراحی قالب و تغذیه فلز برای حذف مک صورت می گیرد. در قطعات بزرگ ریخته سرعت انجماد پایین است و عیب جدایش مثبت شکل می گیرد. به همین خاطر تولید سوپرآلیاژها به روش های EAF/AOD یا VIM معمولاً با ریخته گری استاتیکی آلیاژ در الکترودها برای استفاده در عملیات ذوب بعدی تحت شرایط کنترل شده انجام می شود.
دو فرآیند عمده برای ذوب مجدد وجود دارد که عبارتند از فرآیندهای VAR و ESR. در هر دو فرآیند الکترود در یک بوته آبگرد قرار داده می شود. سطح الکترود تا درجه حرارت ذوب گرم می شود. قطرات فلز مذاب چکیده از الکترود در بوته جمع شده و به سرعت منجمد می شوند. با مصرف شدن الکترود، سطح ذوب شونده به بوته نزدیکتر می شود تا فاصله یکنواختی بین سطح ذوب شونده و محل انجماد فلز مذاب برقرار شود. با وجود این وجوه اشتراک عمومی، روش های بسیار متفاوتی برای ذوب سطح الکترود وجود دارد. متفاوت بودن این روشها، به تفاوت سرعت انجماد و طبیعت عیوب بوجود آمده در ذوب مجدد اشاره دارد.
4-5-2- تشریح فرآیند ذوب مجدد در خلاوء با قوس الکتریکی (VAR)
در روش VAR الکترود در محفظه خلاء که در آن بوته آبگرد قرار دارد، ذوب مجدد می شود. یک جریان برق مستقیم از میان الکترود و پایه بوته عبور می کند. با بیرون کشیده شدن الکترود قوسی بین پایه بوته و نوک الکترود ایجاد می شود. حرارت ایجاد شده توسط قوس سطح انتهایی الکترود را ذوب می کند و قطرات فلز مذاب بر روی پایه مسی ریخته و منجمد می شوند. با افزایش حجم فلز روی پایه مسی (شمش) یک حالت تعادل بین شمش جامد، ناحیه خمیری و ناحیه مذاب ایجاد می شود. به خاطر اینکه در شرایط تعادلی انتقال حرارت از طریق دیواره های جانبی سریع تر از انتقال حرارت توسط شمش و پایه مسی است، نواحی خمیری و مذاب در نزدیکی دیواره ها نسبت به مرکز شمش نازک تر هستند. همان گونه که در بخش انجماد گفته شد، ضخامت ناحیه خمیری و زاویه رشد عوامل تعیین کننده پیدایش عیب جدایش مثبت ناشی از ترکیب شیمیایی مایع بین دندریتی هستند.
ضخامت ناحیه خمیری در مرکز شمش VAR، به وسیله میزان انتقال حرارت، قطر بوته و سرعت ذوب شدن سطح الکترود کنترل می شود. سرعت ذوب الکترود به وسیله مقدار جریان عبوری از میان الکترود تعیین می شود. عوامل کنترل کننده دیگری که در ساختار انجماد نقش مثبت دارند، فاصله بین سطح ذوب شونده و سطح حوضچه مذاب و فاصله الکترود از بوته هستند.
زمانی که سطح الکترود ذوب می شود، قطرات مذاب فوراً تحت تاثیر وزن خود سقوط می کنند و به همین دلیل VAR فرآیندی است که در آن فوق گداز وجود ندارد. همچنین قابلیت انتقال حرارت بالا روش VAR را به روش تجاری برای تولید شمش هایی با قطر بالا از آلیاژهایی که تمایل به جدایش دارند، تبدیل کرده است. به علاوه وجود قطرات ریز مذاب در محیط خلاء، امکان حذف عناصر دارای فشار بخار بالا مانند سرب و بیسموت که در روش VIM امکان حذف کامل آنها نبود را فراهم ساخته است. متاسفانه عناصر مفید دارای فشار بخار بالا مانند منیزیم نیز به این طریق حذف می شوند. بی عیب بودن شمش های تولید شده با VAR قابل تضمین نیست. قوس الکتریکی منشاء تعدادی از عیوب موجود در شمش است. یکی از این عیوب عبارت است از جدایش منفی که اثرات آن به اندازه جدایش مثبت بر روی خواص آلیاژ مخرب نیست. این عیوب به صورت منفصل و ناپیوسته دیده می شوند و ممکن است وجود آنها در طراحی قطعات در نظر گرفته شود.
4-5-3- تشریح فرآیند مجدد با سرباره الکتریکی (ESR)
ذوب مجدد با سرباره الکتریکی در خلاء انجام نمی گیرد. منبع حرارتی که سطح الکترود را ذوب می کند، سرباره مذاب متشکل از CaF2 و افزودنی های اکسیدی دیگر است. در این روش از جریان برق متناوب استفادهمی شود. جریان الکتریکی از میان الکترود، پوشش سرباره، شمش در حال انجماد و پایه مسی عبور می کند. در روش VAR قطرات فلز مذاب از میان خلاء می گذرند ولی در روش ESR از میان سرباره مذاب عبور می کنند. تماس فلز با سرباره در طی زمان عبور آن از میان سرباره اجازه می دهد که واکنش هایی بین این دو صورت گیرد. در اثر واکنش فلز مذاب با CaF2 به مقدار بسیار زیادی گوگردزدایی انجام می شود. کاهش مقدار عناصر سودمند دارای فشار بخار بالا نیز به اندازه روش VAR نیست. در ESR شمش تمیزتر و کم گوگردتر از روش VAR تولید می شود.
عمق غوطه وری الکترود در سرباره نقش مشابه طول قوس در روش VAR دارد. در اینجا نیز قطر الکترود و قطر بوته تعیین کننده عمق غوطه وری است. سرعت ذوب شدن مشابه روش VAR توسط توان ورودی تعیین می شود و با کنترل جریان می توان سرعت ذوب را کنترل کرد. فرآیند VARبرخلاف روش ESR، حجم زیادی سرباره دارد و به همین دلیل فرآیند ESR حساسیت شدیدی به تغییرات توان ورودی ندارد.
به خاطر وجود سرباره به عنوان منبع حرارتی در ESR روابط بین ضخامت ناحیه خمیری و فاصله از دیواره بوته آبگرد تغییر یافته است. در اولین تقریب می توان گفت که در یک سرعت ذوب ثابت و قطر بوته یکسان، عمق حوضچه مذاب ESR نسبت به VAR بیشتر است یعنی ESR در مقایسه با VAR نسبت به تشکیل جدایش مثبت حساس تر است، به بیان دیگر حداکثر قطر شمش قابل دسترس با ESR نسبت به VAR کمتر است. یک مزیت دیگر ESR توانایی آن برای تولید اشکال ساده است. حجم زیادی از سوپرآلیاژهای ورقه ای یا صفحه ای شکل را می توان به صورت الکترودهای تختال ریخته گری کرد و سپس آنها را در داخل قالبهای ESR به صورت شمش های تختال بزرگتری درآورد. روش VAR معمولاً برای تولید شمش های گرد استفاده می شود.
4-6- عملیات ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی
4-6-1- کوره VAR
در شکل 4-3 ساختمان کوره VAR نشان داده شده است. بوته VAR در یک تانک آب سرد شناور است. برای محدود کردن ضخامت جریان آبی که در سطح بیرونی بوته جریان دارد، اغلب از یک لوله که بوته را احاطه می کند، استفاده می شود. این عمل باعث افزایش سرعت جریان آب و افزایش انتقال حرارت از سطح بوته می شود. این لوله ها هادی آب نامیده می شوند. در پایه بوته مجراهایی برای ورود گاز خنثی (معمولاً هلیم) پیش بینی شده است. وقتی که شمش در بوته منجمد می شود، به تدریج با سرد شدن شمش از دیواره بوته جدا می شود. در نتیجه انتقال حرارت از طریق دیواره بوته کاهش می یابد. برای اینکه انتقال حرارت در شمش منجمد شده به حداکثر رسانده شود گازی با ظرفیت حرارتی بالا مانند هلیم به داخل شکاف ایجاد شده بین شمش و دیواره دمیده می شود.
در بالای بوته، درپوش کوره VAR، لوله های خلاء و نگه دارنده الکترود قرار دارند. وظیفه نگهدارنده الکترود هدایت آن به سمت بوته با ادامه مصرف الکترود است. منبع توان الکتریکی از نوع DC است. اکثر کوره های VAR دارای دو ایستگاه (محل قرارگیری بوته) هستند. در یکی از این ایستگاه ها الکترود در حال ذوب شدن است و ایستگاه بعدی برای شروع عملیات ذوب بعدی آماده می شود. وقتی که عملیات ذوب تمام شد، درپوش VAR در صفحه افقی چرخیده و بالای سر الکترود و بوته دوم قرار می گیرد. الکترود از طریق یک رابط که بر روی الکترود جوشکای شده است، به نگهدارنده متصل می شود. در طراحی های جدید، نگهدارنده الکترود توانایی حرکت در صفحات افقی و عمودی را دارد. در این صورت امکان تنظیم صحیح الکترود در مرکز بوته فراهم می شود. همچنین در صورتی که رابط جوشکاری شده بر روی الکترود کاملاً در امتداد آن نباشد، در این صورت نگهدارنده می تواند به نحوی حرکت کند، که دیواره الکترود با دیواره بوته کاملاً موازی شود.
4-6-2- عملیات ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی
آماده سازی الکترود تاثیر مهمی در کیفیت عملیات VAR دارد. وجود اکسید ها در الکترود VAR نامطلوب است، زیرا ذرات اکسید را وارد سیستم می کند. بعضی از اکسیدها در دماهای بالا پایدار نیستند. ترکیبات اکسیدی تبخیر شونده یونیزه می شوند و قوس الکتریکی را ناپیدار می کنند. در نتیجه پیوستگی فرآیند از کنترل خارج می شود. به همین خاطر اکسیدهای سطحی الکترودها را با سنگ زنی حذف می کنند. هوای کوره با پمپ خارج شده و سطح خلاء اندازه گیری می شود. سطح خلاء ایجاد شده متغیر است و در محدوده 10-1/0 قرار دارد. تنها اثر شناخته شده خلاء بالا بهبود مقاومت قوس در برابر ناپایداری است.

قوس الکتریکی بین الکترود و پایه مسی ایجاد می شود. برای برقراری قوس پایدار توان ذوب (شدت جریان الکتریکی) افزایش می یابد. اغلب برای گسترش سریع حوضچه مذاب در شروع، از قوس با آمپراژ بالا استفاده می شود. در ابتدا شکل حوضچه مذاب به نحو قابل ملاحظه ای با بقیه نواحی شمش متفاوت است، زیرا در شروع فرآیند انتقال حرارت زیادی از طریق پایه مسی صورت می گیرد.
4-6-3- کنترل ذوب مجدد در خلاء با قوس الکتریکی
سه عامل اصلی موثر در فرآیند ذوب عبارتند از: قطر شمش و الکترود. طول قوس الکتریکی و سرعت ذوب. قطر شمش و الکترود لقی بین بوته و الکترود را تعیین می کند. اگر لقی بین این دو به خاطر انتخاب نادرست فاصله یا خارج از مرکز بودن الکترود کافی نباشد، بخشی از جریان الکتریکی از الکترود به دیواره بوته منتقل خواهد شد. انتخاب قطر شمش میزان انتقال حرارت و در نتیجه سرعت ذوب را کنترل می کند. در نتیجه برای ممانعت از جدایش مثبت در شمش، در انتخاب قطر شمش باید دقت کرد. البته این انتخابها بلند مدت هستند و نمی توان آنها را روزانه کنترل کرد، زیرا نوع قالبها و بوته های خریداری شده را تعیین می کنند. طول قوس فاصله بین سطح ذوب شونده الکترود و سطح فوقانی شمش منجمد شده می باشد. طول قوس مورد استفاده، mm5/12-5/2 است. قطر سطح ذوب شده الکترود نیز، mm4/25-8/18 است.
ذوب مجدد در خلاء یک مدار با جریان مستقیم است. طول قوس را می توان به عنوان مقاومت این مدار فرض کرد. وقتی که شدت جریان ثابت باشد، افزایش یا کاهش مقاومت مدار (تغییرات طول قوس) ولتاژ را تغییر خواهد داد. در نتیجه با ثابت نگه داشتن ولتاژ می توان طول قوس ثابتی را بر روی حوضچه مذاب برقرار کرد. در سیستم های مدرن کنترل قوس، برای این منظور از اندازه گیری فرکانس ریزش قطرات مذاب در کوتاه مدت (DSF) 16 استفاده می شود.
مشخص شده است که فرکانس ریزش قطرات (معمولاً بر حسب دقیقه/ قطره) با پهنای قوس ارتباط دارد. این ارتباط خطی نیست، اما می توان از آن به عنوان وسیله مفیدی در اندازه گیری و کنترل قوس استفاده کرد. با افزایش DSF طول قوس کاهش می یابد و در نتیجه فرکانس ریزش قطرات مذاب افزایش پیدا می کند. با تغییرات جریان الکتریکی، ارتباط بین قوس و DSF تغییر می کند. با افزایش جریان (افزایش سرعت ذوب) قطرات بزرگتری با فرکانس کم بوجود می آیند. افزایش جریان نیازمند کاهش DSF است، تا قوس تعادلی برقرار نگه داشته شود.
سرعت ذوب شدن الکترود عامل مهم دیگری است که باید کنترل شود. سرعت ذوب شدن به شدت جریان الکتریکی بستگی دارد. بعضی از تولید کنندگان از یک شدت جریان ثابت در طول فرآیند ذوب استفاده می کنند. بعضی دیگر نیز در داخل کوره VAR از ابزار اندازه گیری وزن الکترود و تغییرات آن برای محاسبه سرعت ذوب شدن استفاده می کنند. اندازه گیری های سرعت ذوب نیز مانند اندازه گیری های DSF تفاوت های زیادی با یکدیگر دارند. طراحی و نصب بارنماها از عوامل مهم در کنترل سرعت ذوب آلیاژ هستند. فرآیند با آمپراژ بالا شروع می شود و پس از آن ذوب شدن الکترود بر حسب سرعت ذوب مورد نظر تنظیم می شود. به خاطر داشته باشید که تغییرات ولتاژ و DSF مستقل از یکدیگر نمی باشند. در پایان مرحله ذوب اگر الکترود کاملاً مصرف شود، جریان به طور ناگهانی قطع شده و حوضچه مذاب منجمد خواهد شد. در اثر انجماد ناگهانی حوضچه حفره های انقباضی در مرکز شمش تشکیل خواهد شد. این حفره ها و مک ها باید با عملیات برشکاری سر شمش حذف شوند. برای اینکه مقدار دور ریز برشکاری به حداقل برسد، بهتر است در پایان عملیات ذوب قبل از اینکه الکترود کاملاً مصرف شود (هنگامی که حدود mm 4/25 از الکترود باقی مانده است)، جریان الکتریکی را کاهش داده و به حوضچه مذاب جازه داده شود که حرارت خود را به آرامی به لایه های پایین تر انتقال دهد، تا اینکه حوضچه کاملاً منجمد شود. در این صورت مک های انقباضی در سطح بیرونی شمش منجمد شده باقی مانده و نمی توانند به درون آن نفوذ کنند. این اقدام یک عمل اقتصادی است نه یک کار کیفی زیرا ناحیه مک دار بعداً برشکاری می شود.
4-7- عملیات ذوب مجدد با سربار الکتریکی (ESR)
4-7-1- کوره ESR
برخلاف بوته VAR که در داخل و خارج دیواره آن سیستم خنک کننده آبگرد به کار برده شده است، یک پایه آبگرد بر دیواره نصب شده تا کف بوته را تشکیل دهد. صفحه مطلع بین کف (پایه) و دیواره بوته قرار داده می شود. در بوته هایی که از سرباره مذاب برای شروع فرآیند استفاده می کنند، ممکن است کف بوته دارای سوراخی باشد که سرباره مذاب از آن به درون بوته تزریق شود. برخلاف کوره VAR سقف بوته بسته نیست، بلکه در معرض هوا کار می کند.
در سقف کوره ESR نگه دارنده الکترود و سلول های بار قرار دارند. این قسمت به صورت الکتریکی توسط 4 میله عمودی که در اطراف بوته و زاویه 90 درجه با یکدیگر نصب شده اند، به پایه بوته وصل شده است. سقف کوره می تواند قبل از شروع عملیات ذوب، برای تنظیم و استقرار الکترود در مرکز بوته، در صفحه افقی X-Y حرکت کند. توان ورودی کوره از نوع AC است. اکثر کوره های ESR دو ایستگاه ذوب دارند. وقتی که الکترود در کوره ای در حال ذوب شدن است، ایستگاه دیگر برای عملیات ذوب آماده می شود. وقتی که یک ذوب تمام می شود، سقف کوره ESR بصورت افقی حرکت کرده و در ایستگاه دوم قرار می گیرد. (الکترود از طریق میله رابط که به آن جوش داده شده است به نگه دارنده وصل می شود).
4-7-2- عملیات کوره ذوب مجدد با سرباره الکتریکی
برخلاف کوره VAR آماده سازی الکترودهای ESR از نظر کیفیت فرآیند و عملیات خیلی حساس نیست، زیرا اکسیدهای سطح الکترود به سرباره منتقل می شوند. به همین خاطر سطح الکترودهای ESR سنگ زنی نمی شوند، به استثناء مواردی که در آن استفاده کننده نهایی طبق مشخصات خود و برای اطمینان از عدم وارد شدن آلودگی آهن ناشی از قالبهای ریخته گری الکترود، درخواست سنگ زنی سطح الکترودها را کرده باشد. همچنین مک های سر شمش مشکلی به بار نمی آورند و می توان شمش را از طرف سر آن ذوب نمود. بنابراین الکترودهای ESR همواره با فرآیند VIM تولید نمی شوند و نیاز به برش ابتدای آنها نیست. میله رابط در بیرون کوره به الکترود جوشکاری می شود. میله رابط اغلب به شکل لوله است. الکترود در داخل بوته قرار می گیرد، و به سقف کوره متصل می شود. از حرکت در صفحه X-Y برای استقرار الکترود در مرکز بوته استفاده می شود.
در اینجا دو روش برای شروع عملیات ذوب وجود دارد. شروع سرد و شروع گرم. در شروع سرد، سرباره و ذرات ریزی از آلیاژ (معمولاً براده های ماشین کاری) در روی صفحه شروع قرار داده می شود. الکترود به داخل مخلوط سرباره و فلز رانده شده و سپس عقب کشیده می شود، تا یک قوس ایجاد شود. توان بالایی برای ذوب در مرحله شروع به کار گرفته می شود. قوس ایجاد شده مخلوط سرباره و براده های آلیاژ را ذوب می کند. در این موقع سر الکترود پایین آورده شده و در داخل سرباره غوطه ور می شود. از این به بعد ذوب الکترود توسط سرباره صورت می گیرد. همچنین توان الکتریکی شروع ذوب باید بالا باشد تا از جوش خوردن (ذوب شدن و چسبیدن) صفحه شروع کننده به شمش جوانه زده اطمینان حاصل شود. این موضوع از این نظر اهمیت دارد که انتقال جریان الکتریکی از الکترود به سرباره و سپس به شمش و پس از آن به صفحه آغازین و در نهایت به پایین صورت می گیرد.
در شروع گرم، سرباره در بیرون کوره توسط قوس در بوته گرافیتی ذوب می شود. سپس سرباره از طریق یک سوراخ در کف بوته به آن وارد می شود. الکترود پایین آورده می شود و در سرباره مذاب غوطه ور می شود و ذوب شدن آغاز می گردد. اگر چه توان الکتریکی بالایی برای ذوب شدن مورد نیاز نیست، ولی در آغاز برای اطمینان از ذوب شدن شمش جوانه زده و صفحه آغازین و انتقال الکتریکی کامل، از توان بالا استفاده می شود.
همانند فرآیند VAR، استفاده از توان بالا در شروع عملیات ذوب از نظر برقراری تعادل در انتقال حرارت توسط پایه و ایجاد شرایط پایدار ذوب در لحظات شروع فرآیند ذوب، مفید است.
4-7-3- کنترل ذوب مجدد با سرباره الکتریکی
سه متغیر اصلی تعریف کننده یک فرآیند ذوب عبارتند از:
– قطر شمش و الکترود (مانند فرآیند VAR).
– عمق غوطه وری الکترود در سرباره.
– سرعت ذوب (نرخ ذوب).
انتخاب قطر شمش و الکترود مقدار لقی بین بوته و الکترود را تعریف می کند. در فرآیند شروع با سرباره سرد که در آن ممکن است مخلوط سرباره- براده به هوا برخاسته و در فاصله لقی آویزان شوند، به لقی ناکافی عموماً به عنوان یک مشکل نگاه می شود. ولی یک لقی بسته ممکن است نتیجه اش توزیع حرارتی یکنواخت تر در سطح مذاب باشد. در این مورد اطلاعات منتشر شده ای برای اثبات این ادعا وجود ندارد، از این رو مقدار لقی بیشتر از VAR است.
عموماً فکر می شود غوطه وری الکترود، عمق نفوذ الکترود در داخل سرباره است. روش تعریف شده ای برای اندازه گیری مقدار غوطه وری وجود ندارد، ولی طبق مشاهدات تجربی پیشنهاد شده است که این مقدار بیش از 604 میلی متر نباشد. درجه غوطه وری بر کیفیت شمش تولید شده تاثیر دارد ESR یک فرآیند با جریان AC است و غوطه وری الکترود به علاوه ضخامت پوشش سرباره را می توان به عنوان مقاومت این جریان در نظر گرفت (امپدانس). تغییر وزن سرباره در سیستم یا تغییر ترکیب شیمیایی آن، امپدانس مدار و نیز آمپراژ و ولتاژ مورد نیاز برای برقراری توان ورودی داده شده (در یک ساعت ذوب ثابت) را تغییر می دهد. ضخامت پوشش سرباره تعیین کننده اصلی است و میزان غوطه وری الکترود 10 تا 20 درصد آمپدانس را تشکیل می دهد. اندازه گیری تغییرات این مقاومت یا تغییرات ولتاژ مربوط به آن می تواند برای کنترل غوطه وری الکترود در سرباره مذاب مورد استفاده قرار گیرد. سرعت ذوب الکترود متغیر مهم دیگری است که کنترل می شود. سرعت ذوب به جریان الکتریکی ذوب بستگی دارد ولی بعضی از فرآیندهای VAR در جریان ثابت انجام می گیرند، تا سرعت ذوب بهتر کنترل شود. متغیر بعدی در ESR که کیفیت ذوب را کنترل می کند، انتخاب نوع و حجم سرباره مورد استفاده است. مقاومت پوشش سرباره مذاب به مقاومت سرباره و ضخامت پوشش سرباره که جریان الکتریکی از میان آن باید عبور کند، وابسته است. مقاومت سرباره با واکنشهایی که سرباره با فلز مذاب می دهد نیز تغییر می کند.
یادآوری می گردد که تغییرات ولتاژ در اثر تغییرات آمپراژ است. مانند فرآیند VAR اگر در انتهای ذوب شدن، الکترود کاملاً مصرف شده باشد، یا توان به یکباره قطع شده باشد، مک های انقباضی ایجاد شده که گاه طول آن به چندین سانتی متر می رسد، منجمد خواهد شد. این مک ها باید در مرحله بعدی عملیات تولید حذف شوند. برای کم کردن مقدار ماده ای که باید بریده و دور انداخته شود، بهتر است در انتهاب مرحله ذوب قبل از اینکه الکترود تمام شود، جریان الکتریکی به تدریج کاهش داده شود، تا اینکه جریان کاملاً قطع گردد، در این صورت مک های انقباضی تشکیل نمی شوند. در این روش حدود 25 میلی متر از الکترود ذوب نمی شود.
4- انتخاب سرباره
همه سرباره های ESR دارای CaF2 هستند. اکسیدها ممکن است برای افزایش مقاومت الکتریکی (ایجاد سهولت در ذوب فلز) و یا برای اصلاح ترکیب شیمیایی ذوب به واسطه واکنشهایی که بین آنها می تواند صورت گیرد، به سرباره اضافه شوند. روش نامگذاری ترکیب سرباره به این صورت است، که درصد اجزاء تشکیل دهنده آن را به صورت متوالی کنار هم می نویسند مانند: CaF2/MgF2/CuO/MgO/Al2O3. یک سرباره با ترکیب پایه Al2O3 20% و CuO20% و CaF2 60% را به صورت 60% / 20% / 20% نیز می توان نوشت. متاسفانه این سیستم به ندرت در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد و نامگذاری فوق به صورت 20/20/60، به کار می رود. Zr و Ti عناصر آلیاژی هستند که اغلب در طی فرآیند ESR با سرباره واکنش می دهندو به سرباره منتقل می شوند. برای ممانعت از تلف شدن این عناصر در سرباره در طی ذوب، به این سرباره ها افزودنی TiO2 و ZrO2 اضافه می شود. تلف شدن به واسطه اکسید شدن عنصر فلزی و منتقل شدن به سرباره صورت می گیرد. مشکل عمومی سوپرآلیاژهای دارای تیتانیوم این است که سرباره ساز CaF2 تجاری است و حاوی SiO2 است. در طی فرآیند SiO2, ESR به Si احیاء می شود و به مذاب منتقل می شود. Ti نیز اکسید شده و به TiO2 تبدیل شده و به سرباره می رود. در نتیجه مقدار Ti مذاب کاهش می یابد. این پدیده یک شیب غلظتی Ti در شمش به وجود می آورد، زیرا SiO2 در همان اول کار مصرف می شود. وقتی که از سرباره ESR مجدداً در فرآیند ذوب استفاده می شود، به خاطر اینکه قبلاً SiO2 آن به مصرف رسیده، واکنش فوق اتفاق نمی افتد. سرباره همواره سعی دارد با فلزات مذاب در دمای سرباره به تعادل شیمیایی برسد. لذا در صورت استفاده مکرر از یک سرباره برای یک ترکیب شیمیایی ثابت، سرباره هایی ایجاد می شوند که نسبت به افت عناصر ذوب به صورت خنثی در می آیند و در افت عناصر تاثیر نمی گذارد. متاسفانه افت سرباره (به صورت پوسته ای از سرباره بر روی الکترود در طی فرآیند) عموماً مانع بازیابی 100% سرباره می شود و به همین لحاظ همیشه مقداری سرباره تازه برای فرآیند ESR مورد نیاز است.
4-8- محصولات ذوب سه مرحله ای
4-8-1- تعدادی از تولید کنندگان قطعات چرخاندن بحرانی در صنعت توربین گاز، استفاده از یک فرآیند ذوب دو مرحله ای را پذیرفته اند ذوب اولیه با فرآیند VIM که با الکترود کم اکسیژن و ترکیب شیمیایی دقیق و به دنبال آن ذوب مجدد یا فرآیند ESR انجام می شود. الکترود ESR تمیز و سالم بوده و ساختار عاری از جدایش نهایی با استفاده از فرآیند ذوب سوم و با ذوب شمش ESR به روش VAR به دست می آید.
4-8-2- ‏فرآیند ذوب سه مرحله ای شمش
شمش ESR (گاهی با علامت Ingode نشان داده می شود زیرا شمشی است که در ذوب مجدد به عنوان الکترود به کار می رود). می تواند به یکی از دو روش زیر ذوب شود. مستقیم ترین فرآیند، یک فرآیند ذوب سه مرحله ای است. این فرآیند (ذوب- ذوب- ذوب) نیازمند افزایش اندازه الکترود از VIM به ESR و سپس به VAR است. به همین خاطر قطر VAR طوری انتخاب می شود که ساختار عاری از جدایش مثبت به دست آید. به عنوان نمونه برای آلیاژ IN-718 اندازه های متوالی قطر شمش فرآیندهای VAR-ESR-VIM به ترتیب می تواند 6/35-2/43-8/50 سانتی متر باشد. وزن یک الکترود فرآیند نهایی VAR می تواند 2950 کیلوگرم باشد.
اگر یک الکترود با قطر بزرگتر (با وزن 4950 کیلوگرم) استفاده شود، شمش های ESR بزرگترین باید به دست آید. برای به دست آوردن قطر مورد نظر شمش برای فرآیند VAR شمش ESR با قطر بزرگتر آهنگری شده و اندازه مورد نظر به دست می آید، سپس سنگ زنی شده، پوسته های اکسیدی و آهنگری آن زدوده شده و انتهای آن برشکاری می شود. این فرآیند که ذوب- ذوب- آهنگری- ذوب نامیده می شود، دارای قطرهای پس از ESR, VIM آهنگری و VAR یعنی 2/43، 8/50، 2/43، 8/50 سانتی متر است. انجام فرآیند ذوب – ذوب – آهنگری- ذوب نیازمند زمان است. اما می توان با استفاده از شمش های بزرگتر، راندمان تولید بالاتری به دست آورد. همچنین قطعات خیلی بزرگ که نیازمند مواد اولیه ورودی زیادی هستند، تنها با فرآیند ذوب – ذوب- آهنگری- ذو قابل دستیابی هستند. شمش- الکترود سالم و تمیز (به دست آمده از فرآیند قبلی) به وسیله VAR ذوب مجدد می شود.
تمیزی و بی عیبی بهبود یافته الکترود، کنترل فرآیند VAR را آسان می سازد. محصولات ذوب سه مرحله ای نسبت به محصولات ذوب های دو مرحله ای VIM+VAR دارای نقاط آلوده سفید کمتری هستند. همچنین سالم بودن الکترود در قطرهای بزرگتر، کنترل عدم تشکیل جدایش مثبت را تسهیل می سازد. ولی حتی در ذوب های سه مرحله ای نیز نقاط سفید آلوده دیده می شوند و وجود آنها باید در طراحی قطعه در نظر گرفته شود.
4-9- تبدیل شمش و محصولات نورد
4-9-1- عملیات کارگرم اولیه با تبدیل شمش ریخته به محصول نوردی صورت می گیرد. محصولات نوردی به دو گروه تقسیم می شوند: محصولات طویل شمشال ها و میله ها و محصولات تخت (ورق و صفحه).
در نتیجه فرآیند ذوب در همه سوپرآلیاژها، جدایش در درجات مختلف بوجود خواهد آمد. ترکیب های شیمیایی می توانند در اثر قرار گرفتن در معرض دمای بالای فرآیند کارگر، به سادگی همگن شوند. ترکیب های شیمیایی پیچیده تر ممکن است برای از بین رفتن شیب های غلظتی به وجود آمده در شمش، به دماهای بالاتر و زمان های طولانی تر قبل از کارگرم، نیاز داشته باشند.
عملیات اصلی استفاده شده برای تبدیل شمش عبارتند از: آهنگری، نورد و اکستروژن. اکستروژن با آهنگری و نورد تفاوت دارد، زیرا در آن تمام تغییر شکل در یک عبور اتفاق می افتد. در فرآیند کار بر روی سوپرآلیاژها تعدادی از سیکل های حرارتی- مکانیکی مانند گرم کردن و تغییر شکل اتفاق می افتد. علاوه بر این ممکن است حالت دهی میان شمش نیز مورد نیاز باشد. به خاطر اینکه سوپرآلیاژها به پیشیه فرآیند حساس هستند، سیکلهای حرارتی – مکانیکی می توانند، اثر مهمی برخواص نهایی قطعه آلیاژی داشته باشند. مراحل نهایی فرآیند (آهنگری یا نورد و عملیات حرارتی بعدی) پس از تبدیل مقطع شمش، به وجود آورندگان اولیه ساختار و خواص هستند. ولی همه مراحل حرکت از شمش تا محصول کار شده نهایی، در نتایج بدست آمده مشارکت دارند.
بعضی از محصولات نورد شده به ویژه محصولات طویل ممکن است برای شکل دادن آنها به صورت قطعه نهایی بعداً تحت کارگرم قرار گیرند (معمولاً آهنگری). به خاطر عواملی نظیر دمای پایین آهنگری، تغییر شکل غیر همگن، تبرید قالب، اصطکاک و غیره ریز ساختار آهنگری شده در مناطقی می تواند، دارای ریز ساختار باقیمانده از مراحل قبل باشد. آهنگری هم دما (فوق مومسان) در به حداقل رساندن بعضی از اثرات مفید است. ولی با اهمیت پیدا کردن خواص خستگی برای قطعات آهنگری شده، اندازه دانه محدود شده، یکنواختی ریز ساختار و الزامات کیفی وضع شده اند. این خواسته ها گاهی با مشخصات و گاهی به وسیله توافقات بین سازنده و مشتری انجام می گیرد. بهبودهای زیادی که در فن آوری ذوب و استفاده از تجهیزات کنترل اتوماتیک تبدیل شمش و کنترل اندازه دانه انجام شده است، ریز ساختار و کیفیت را در شمشال یا محصول نورد تولید شده از شمش ارتقاء داده است. علاوه بر کنترل های ساختار داخلی یک شمش یا شمشال، در طی تبدیل مقطع، بهبود کیفیت سطح تمام شده جهت ایجاد شرایط مناسب برای بازرسی صوتی صورت گرفته است.
4-9-2- همگن سازی توزیع عنصر محلول در شمش ها
مشکل توزیع غیر یکنواخت عنصر محلول در نواحی بین دندریتی شمش های ریخته، باید در طی فرآیند تبدیل شکل در نظر گرفته شود. برای آلیاژهای دارای عنصر محلول کم مراحل حرارت دادن استفاده شده در تبدیل شمش ریخته به محصول کار شده، یک ساختار نسبتاً یکنواخت (از نظر شیمیایی) ایجاد خواهد کرد. ولی برای مواد پر آلیاژ مانند IN-718, U-720 و Waspaloy زمانهای طولانی تر و دماهای بالاتر از دمای آهنگری برای همگن کردن محصول ریخته مورد نیاز است. در بعضی از آلیاژها این دماها ممکن است از دمای ذوب بعضی از نواحی بین دندریتی بیشتر باشد دماهای همگن سازی oC1204 غیر معمول نیستند، در حالی که زمان های مربوط به این دماها گاهی به چهار روز می رسد.
علی رغم زمان های طویل المدت و دماهای بالا ممکن است بعضی از شیب های غلظتی محلول حذف نشوند. اختلاف بین مقادیر حداقل و حداکثر نیوبیوم 7/0% است. در ترکیب های شیمیایی کار شده، مقدار کربن عموماً از آنچه که در همان آلیاژ با ریخته گری دقیق یافت می شود، خیلی پایین تر است. بنابراین ساختار شمش ریخته برای آلیاژ کار شده دارای کاربیدهای قابل توجهی نیست. کربن در نواحی بین دندریتی متمرکز شده و در طی عملیات همگن سازی به کاربیدها تبدیل می شود. دمایی که در آن کاربیدها تشکیل می شوند عامل اولیه ای برای کنترل اندازه کاربید است. در معرض دماهای خیلی بالا و زمان های طولانی بعدی قرار گرفتن ممکن است کاربیدها را درشت کند. اما کاربیدهای درشت و خشن تا وقتی که دمای آلیاژ به نزدیکترین نقطه ذوب نرسد، دیده نمی شوند. ناحیه تشکیل کاربیدها همان ناحیه تشکیل دهنده بین دندریتی است. بنابراین تا کار بعدی کاربیدها به صورت تیغه های موضعی که در آن فاصله بین تیغه ها نشان دهنده، فاصله بین دندریتها است، ظاهر می شوند.
دومین پدیده ای که باید به آن توجه کرد و در طی همگن سازی اتفاق می افتد، پیدایش مک در شمش است. خیلی از سوپرآلیاژها اثرات کرکندال قوی (اتمهای عناصر با سرعت های مختلفی حرکت می کنند و حفره های اندازه اتمی پشت سر گذاشته شده می توانند با هم پیوند شوند). را بین ناحیه دندریتی و زمینه دندریتی نشان می دهند. بنابراین شمش های همگن شده نوعاً سطح بالایی از مک دارند. کار مکانیکی این شمش ها باید به حد کافی باشد، تا مک ها بسته شوند. تغییر شکل ناکافی یا تشکیل ناحیه مرده در طی تبدیل شکل، می تواند باقی مانده موجود در محصولات نوردی را به وجود آورد.
4-9-3- آهنگری محصول نیمه تمام
تبدیل شکل چند مرحله ای شمش ها، به سطح مقطع های کوچکتر یا با طول بیشتر آهنگری محصول نیمه تمام نامیده می شود. آهنگی محصول نیمه تمام در برگیرنده کارگرم بر روی شمش با پرس های آهنگری بزرگ است (نورد ممکن است برای همان کار استفاده شود ولی در اصطلاح فنی به آن نرود شمشه گفته می شود). هدف عملیات آهنگری محصول نیمه تمام خرد کردن ریز ساختار ریخته به وسیله کار و حرارت دادن چند مرحله ای ماده می باشد. فرآیند آهنگری محصول نیمه تمام ساختار دانه را ریز می کند. در سال های اخیر نیاز به افزایش قابلیت بازرسی شمشال ها و میله ها موجب شده که کنترل اندازه دانه در شمش و شمشال صورت گیرد. برای عملیات نورد یا آهنگری بعدی گفته شده است که آهنگری محصول نیمه تمام با فرآیندهای آهنگری شعاعی مانند آهنگری دوار شباهت هایی دارد، ولی شمش های آهنگری محصول نیمه تمام با شمش های آهنگری شعاعی تفاوت دارند. چند نکته در ارتباط با فرآیند آهنگری محصول نیمه تمام وجود دارد:
– پرس باید ظرفیت کافی و سرعت ایجاد نیروی آهنگری محصول نیمه تمام مورد نیاز در زمان هر چه کوتاه تر، برای به حداقل رساندن سطح تماس تبرید شده را داشته باشد. نیروی ایجاد شده باید برای ایجاد کرنش در داخل شمش کافی باشد.
– شعاع قالب آهنگری باید برای جلوگیری از نیاز به سنگ زنی بعدی کاملاً طراحی شده باشد.
– چنانچه نمی توان محصول گرد تولید کرد، آهنگری نیمه تمام چهارگوش مربع مستطیلی مطلوب است.
– قالب هایی از سوپرآلیاژهای استحکام بالا، برای به حداقل رساندن سایش ابزار ارجحیت دارند.
– استفاده از اتوماسیون بسیار مطلوب است.
به آهنگری محصول نیمه تمام شمشال، به ویژه با در نظر گرفتن مدل سازی فرآیند توجه زیادی می شود. ولی مقالات موجود درباره آهنگری محصول نیمه تمام (اکستروژن، نورد، کشش سیم و …) سوپرآلیاژها خیلی محدود است.
4-9-4- آهنگری محصول نیمه تمام آلیاژ IN-718
آلیاژ IN-718 یک سوپرآلیاژ پایه نیکل استحکام بالا است که در دماهای متوسط استفاده می شود. همان طور که قبلاً گفته شد، این آلیاژ پرکاربردترین سوپرآلیاژ است و استفاده هایی در توربین های گاز هواپیماهای نظامی و تجاری، توربین های گاز زمینی و قطعات موتورهای شاتلهای فضایی دارد.
عموماً ریز ساختار ریخته همگن سازی شده شامل دانه های خیلی درشت است که باید به ساختار دانه ریز یکنواخت شکسته شود. آهنگری محصول نیمه تمام فرآیندی است ه روی وجوه شمش چهار گوش انجام گرفته و در طول شمش چند بار پرس کوتاه صورت می گیرد تا کرنش مورد نیاز به آن اعمال شود. در هر بار پرس، قطر شمش به طور موضعی کاهش می یابد.
در مقاطع بزرگ شمش های امروزی که در حدود cm2 1935 یا بیشتر است، به سختی می توان در هر بار پرس کوتاه کرنش لازم را در شمش بوجود آورد. وقتی که کل طول شمش تحت کار قرار گرفت، فرآیند باید دوباره تکرار شود و این کار تا رسیدن به اندازه نهایی و ساختار ریز دانه انجام می شود. بنابراین همانگونه که قبلاً اشاره شد، آهنگری محصول نیمه تمام آلیاژ IN- 718 با آهنگری فشاری شروع شده و با گرم کردن مجدد برای مرحله بعد آهنگری خاتمه می یابد. دمای کوره برای آهنگری محصول نیمه تمام با کاهش اندازه مقطع تغییر می کند. ابتدا کوره در دمای oC1121 قرار داده می شود، ولی با کاهش سطح مقطع، دمای کوره تا زیر دمای انحلال فاز که تقریباً oC1010 است، پایین آورده می شود. این کاهش دما اجازه می دهد که فازهای کروی در مرز دانه ها شکل بگیرد و از رشد دانه ها در طی عملیات آهنگری محصول نیمه تمام جلوگیری کند. عملیات آهنگری محصول نیمه تمام نهایی، گرد کردن لبه های محصول آهنگری شده و ماشین کاری (پوسته کنی) محصول نیمه تمام برای تولید شکل مناسب جهت بازرسی با امواج فراصوت است.
4-9-5- اکستروژن
اکستروژن برای فشردن پودرها استفاده شده است و اکثر قطعات متالورژی پودر از شمشال های اکسترود شده شروع می شوند. اکستروژن برای تولید لوله های بی درز نیز استفاده شده است. اکستروژن زمانی در آلیاژهایی نظیر Astroloy برای تبدیل شمش به شمشال استفاده شد.
اکستروژن می تواند از روش های جدید برای مدل سازی استفاده کند. از اکستروژن می توان برای تولید اشکال محصول مشابه به مقاطع نورد مانند میله استفاده کرد. اکستروژن آلیاژهایی نظیر U-700 با قرار دادن شمش در یک محفظه فولادی زنگ نزن شروع می شود. این مرحله ممکن است به ممانعت از تبرید سطح شمش در اثر تماس با دیواره محفظه و سطح قالب و ایجاد ترک ناشی از آن نیاز داشته باشد. اگر از آلیاژی با دامنه کار گرم گسترده تر از U-700 استفاده می شود ممکن است قرار دادن در محفظه مورد نیاز نباشد، ولی به قالب ویژه ای نیاز است. روغن کاری کافی باید در تمام موارد صورت گیرد و یک پرس اکستروژن فشار بالا باید وجود داشته باشد. میله اکسترود شده ممکن است برای تولید پره های هوای توربین کار شده استفاده شود اما اکنون اکثر قطعات پره هوا در ناحیه داغ به صورت ریخته هستند.
4-9-6- نورد
سوپرآلیاژها به ویژه سوپرآلیاژهای نیکل مشکل ترین مواد برای نورد کردن هستند. نورد اولیه این مواد معمولاً در دمایی نزدیک به نقطه ذوب انجام می شود و بسیاری از نوردهای خشن طوری طراحی شده اند که تنش زیادی در طی کارگرم به این آلیاژها اعمال می شود. سوپرآلیاژهای پایه نیکل دارای محدوده دمایی کارگرم کوچکی هستند. محصولات نورد شامل میله، ورق و اشکال هستند. زمانی از میله ها برای پره های هوای ناحیه داغ توربین های گاز استفاده می شد. به عنوان مثال آلیاژ U-700 در شکل کار شده برای بعضی از قطعات استفاده شده است. شکل دادن با نورد یا آهنگری آلیاژها در تولید تیغه ها به کار گرفته شده است. بعضی از آلیاژهای استحکام بالا مانند B-1910 (نوع کار شده- B-1900) به طور موفقی به صورت تیغه ها به کار برده شدند، اما بعداً از آنها به صورت ریخته در پره های هوا توربین پر فشار استفاده شد.
ورق ها و محصولات نیمه تمام دیگر مانند مقاطع گرد، چهارگوش و میله های شکل دار به وسیله نورد تولید شده اند. چندبار حرارت دادن و آماده سازی سطح ممکن است نیاز باشد. محصولات به شکل ورق استفاده هایی در توربین های گاز پیدا کرده اند که در آنها به شکل پذیری و مقاومت اکسیداسیون دما بالا و استحکام نیاز است. به ویژه محصولات ورق سوپرآلیاژهای کبالت و نیکل برای مشعل توربین های گاز عالی هستند. بعضی از آلیاژها مانند Hastelloy X, HA-188, C-263 و IN-617 در طول سالیان گذشته به کار گرفته شده اند.
Hastelloy X ارزان ترین آنها است. HA-188 سوپرآلیاژ پایه کبالت است که به عنوان جایگزین Hastelloy X کاربردهایی در دماهای بالاتر پیدا کرده است. HA-188 در ناحیه داغ موتور F-100 که در هواپیمای F-15 استفاده شده، کاربرد دارد. جدول 4-2 تعدادی از کاربردهای آلیاژ HA-188 را در موتور F-100 آورده است.
4-9-7- دسترسی به محصولات نورد
محصولات نورد بنا به ترکیب شیمیایی آلیاژ برای طیف گسترده ای از آلیاژها و اندازه های مفتول، میله، صفحه، ورق و لوله های بی درز در دسترس هستند. ورق هایی به پهنای حداکثر 45/2 متر تولید شده اند. نوار بعضی از آلیاژها به شکل کلاف تا وزن kg3636 وجود دارند. همه سوپرآلیاژهای کار شده قابل دستیابی نیستند یا اینکه به تولید آنها در شکل محصولات نورد نیاز نمی باشد. آلیاژهای حال حاضر که به صورت محصولات نورد تولید شده اند عبارتند از:
– سوپرآلیاژهای کبالت مانند: HA-31, (L-605)HA-25 و HA-188
– سوپرآلیاژهای پایه نیکل مانند: HA-214, IN-X750,C-263, IN-617, HastelloyX، Waspalloy, IN-718, rENE-41 و U-720
– سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل مانند: A-286
اگرچه تبدیل شکل شمش به تغییر شکل گرم نیاز دارد ولی بعضی از محصولات نورد را می توان با کار سرد بدست آورد. عموماً ساختار کار سرد شده برای کار در دماهای بالا مناسب نیست. ولی در مواردی که سوپرآلیاژ در دماهای پایین تر استفاده می شود، ساختار کارسرد شده خواص استحکام کوتاه مدت را افزایش داده و انعطاف پذیری و چقرمگی را کاهش می دهد.

1 – Poly Crystalline
2 – Directionally- Solidified
3 – Columnar Grain Directionally Solidified
4 – Single- Crystal Directionally Solidified
5 – Low cycle Fatigue
6 – Oxide- Disdersion- Strengthened
7 – Thermal Mechanical Fatigue
8 – Thermal Mechanical Fatigue
9 – Geometrically Closed Packed
10 – Inconel
11 – Yttrium
12 – Topologically Close- Packed
13 – Vacuum Induction Melting (VIM)
14 – Vacuum Arc Remelting (VAR)
15 – Electro Slag Remelting (ESR)
16 – Drip Short Frequency
—————

————————————————————

—————

————————————————————

1

82