کاربرد سوپر آلیاژها

کاربرد سوپرآلیاژها
قطعات سوپرآلیاژی کاربردهای متنوع و وسیعی در صنایع مختلف از جمله ایمپلنتها، صنایع زیردریایی، هوافضا و غیره دارند، اما کاربرد عمده سوپر آلیاژها، در پرههای توربینهای گازی است. این توربینها در سه وزارتخانه دفاع، نفت و نیرو دارای اهمیت فوقالعادهای میباشند. ساخت پرههای این توربینها نیاز به توانایی بالایی از لحاظ تکنولوژی دارد. دکتر سیروس عسگری، عضو هیات علمی دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی شریف در گفتگوی با شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران (ایتان) درباره تولید قطعات سوپرآلیاژی و وضعیت کنونی کشور در این زمینه مطالبی را بیان کرد که خلاصهای از آن، در زیر آورده شده است:
روشهای تولید
قطعات سوپرآلیاژی، به دو روش عمده تولید میشوند:
الف) روش ریختهگری دقیق: این روش، عمدتاً برای تولید پرههای ثابت و متحرک توربین استفاده میشود. به این دسته از محصولات، "قطعات سوپرآلیاژی ریختگی" (Cast Super alloy) میگویند.
ب) روش شکلدهی: این روش، شامل فرآیندهایی چون فورج و نورد است و محصولات آن از قبیل دیسک، ورق، میلگرد، لوله و مفتول میباشد. به این گروه از محصولات، "قطعات سوپرآلیاژی کارپذیر" (Wrought Super alloy) گفته میشود.
در روش ریختهگری، مهمترین تجهیزات مورد نیاز یک کوره تحت خلاء است، ولی در مورد روش شکلدهی، معمولاً تجهیزات پیچیدهتر است. البته در حال حاضر امکانات وسیع شکلدهی در سطح کشور وجود دارد و مشکل اصلی در این بخش، ضعف در دانش فنی است.
تولید قطعات سوپرآلیاژی به روش ریختهگری
برای تولید یک قطعه سوپرآلیاژی به روش ریختهگری بهخصوص پره توربین که مهمترین قطعه سوپرآلیاژی است، چهار مرحله باید انجام شود:
1- مهندسی معکوس (جهت تهیه نقشه و مشخصات فنی)
2- ساخت قالب و ریختهگری دقیق
3- ماشینکاری قطعات ریختهشده
4- پوششدهی
این چهار مرحله برای تولید پره، به خصوص "پرههای متحرک" ردیف اول و دوم باید انجام شوند. البته "پرههای ثابت" ممکن است بخش پوششدهی را نداشته باشند. همچنین پرههای متحرک در ردیفهای سوم و بالاتر در بعضی موتورها ممکن است از طریق فرایند فورجینگ تولید شده و پوشش نداشته باشند. همچنین برای ایجاد هر صنعت، سه عامل تجهیزات، نیروی انسانی ماهر و دانش فنی، لازم است که با توجه به این سه عامل، میتوان به بررسی وضعیت کشور در مورد مراحل چهارگانه فوق و نیز مشکلات آنها پرداخت:
1- مهندسی معکوس
در اینجا منظور از مهندسی معکوس فرایندی است که در آن از تعدادی نمونه موجود، مشخصات فنی و نقشههای مورد نیاز برای تولید و ساخت نمونههای مشابه بدست آید.
این فرایند شامل اندازهگیریهای ابعادی به وسیله CMM و دستگاههای مخصوص دیگر و سپس تهیه نقشه میباشد. تجهیزات لازم، تقریباً در کشور موجود بوده و CMM و نرمافزارهای مورد نیاز نیز موجود است. نیاز اصلی به نیروی انسانی متخصصی است که توانایی Surface modeling با دقت کافی را داشته باشد.
مشکلی که در تولید پرههای توربین وجود دارد، این است که پره، محصول نهایی نیست بلکه محصول نهایی "توربین" است و پرهها باید طوری دقیق ساخته شوند، تا وقتی تعداد زیادی پره در توربین نصب میشوند شرایط لازم را ایجاد نمایند. ممکن است قطعه تولید شده چیزی شبیه به پره اصلی باشد، اما رعایت تلرانسهای مجاز، بالاخص در نقاط حساس پره، نیازمند تجربه کافی است. تلرانسهای قسمتهای مختلف پره بالاخص در نقاط حساس بر توان خروجی موتور بویژه در موتورهای هوایی تا ثیر تعیینکنندهای دارد.
برای حل این مشکلات و تربیت نیروهای ماهر، باید انتقال دانش فنی لازم انجام شود و این دانش فنی باید از شرکتهایی انتقال یابد که دارای اعتبار بینالمللی در این زمینه هستند. معمولاً شرکتهایی توانایی این کار را دارند که از اطلاعات OEM بهرهمند باشند؛ یعنی با طراحی موتور آشنا بوده و تلرانسها را بدانند، حساسیتها را بشناسند و با پارامترهایی که باید از نظر ابعادی کنترل شوند، آشنایی داشته باشند.(رجوع شود به: نقد و بررسی روش انتقال تکنولوژی پره های توربین)
با توجه به مطالب بالا شاید این تصور پیش آید که بحث مهندسی معکوس منتفی است، چون نیازمند دانش طراحی و ساخت توربین است. اما باید توجه کرد که در قطعات با حساسیت کم و نیز توربینهایی که قدرت پایینی دارند، براحتی میتوان مهندسی معکوس را پیاده کرد. برای قطعات بزرگ و حساس و بهخصوص پرههای هوایی این نکات قابل چشمپوشی نیست و باید با شرکتی که توان کافی را دارا باشد، همکاری شود. فعالیتی که در این بخش در کشور انجام شده روی پرههای کوچک و ساده بوده که در آنها حفرههای خنککننده وجود ندارد.
2- ریختهگری دقیق
در ریختهگری دقیق، ابتدا قالب موم ساختهشده و سپس قطعات از جنس تزریق شده و پس از مونتاژ روی خوشه مومی پوسته سرامیک ایجاد میشود. در مرحله بعد موم تبخیر شده و پوسته سرامیکی بهعنوان قالب عمل کرده و ریختهگری انجام میگردد.
برای ساخت قطعات کوچک، دو کوره دوچمبره (Double chamber vim) موجود است. اما برای ساخت قطعات بزرگتر نیاز به کورههایی با ظرفیت بالاتر است. در حال حاضر برای ظرفیتهای بالا، در داخل کشور فقط دستگاه تکچمبره وجود دارد که معمولاً برای تولید شمش به صورت نیمهصنعتی بکار میرود. تاکنون چند قطعه بهصورت آزمایشگاهی ریختهگری شده است. در این راستا چند بازدید انجام شده و امکاناتی نیز وارد شده است ولی این امکانات جهت تولید انبوه جوابگو نیست.
موضوع حایز اهمیت دیگر این است که در فرایند ریختهگری پارامترهای بسیاری از جمله پارامترهای محیطی مثل رطوبت، دما و غیره دخیل است که تجهیزات خاصی را جهت کنترل نیاز دارد. در شرکتهای معتبر این پارامترها از طریق سیستم کنترل مرکزی تنظیم میشوند که باید روی این موارد کار شود. از نظر دانش فنی قلب فرایند ریختهگری ساخت قالب سرامیکی بویژه برای پرههای نازک و ماهیچهخور است.
از نظر نیروی انسانی، در این 10 سال خوب عمل شده است اما از نظر دانش فنی باید روی قطعات مورد نظر با دقت کار شود، چون تولید قطعات به این روش دشواری خاص خود را دارد.
البته برای تولید قطعات ساده و با ضخامتهای زیاد (توربینهای قدیمی و صنعتی) که از نظر تلرانسهای ابعادی حساسیت کمتری دارند، مشکل چندانی وجود ندارد. اما در مورد قطعات نازک و قطعات ماهیچهخور و سوراخدار پیچیدگیها و حساسیتهای خاص وجود دارد. از آنجا که در ریختهگری دقیق، دانش پایه آن موجود است، در بحث دانش فنی باید بیشتر به نکات پیچیده و ظریف توجه شود. یعنی بعد از این باید برای کسب دانش فنی قطعات نازک، قطعات پیچیده و قطعات بزرگ دارای حساسیت بیشتر، تلاش شود. قطعات پس از ریختهگری معمولاً باید تحت عملیات HIP قرار گیرند. به دلیل عدم وجود تجهیزات مورد نیاز در حال حاضر قطعات ریختگی در خارج از کشور HIP میشوند.
3- ماشین کاری
قطعات سوپرآلیاژی بعد از ریختهگری باید ماشینکاری شوند که نقشهها و دستورالعملهای لازم از طریق مهندسی معکوس آماده میشود. ماشین کاری سوپرآلیاژها صنعت مربوط به خود را دارد. سوپرآلیاژها و بهخصوص آنهایی که ریختهگری می شوند، بسیار سخت و محکم میباشند. در 10 سال گذشته برای تراشکاری های ساده، تجهیزات خوبی خریداری شده است و دانش فنی آن در حال تکمیل و توسعه می باشد و تقریباً در تراشکاری پره ریخته شده، مشکلی وجود ندارد.
اما تکنولوژی بعدی مورد نیاز در این قسمت، تکنولوژی سوراخکاری پرهها به روش الکتروشیمیایی جهت ایجاد سوراخهای خنککننده هوا روی پرهها می باشد. در این بخش فعلاً دانش فنی و تجهیزات لازم موجود نیست و وزارت نیرو در حال وارد کردن تکنولوژی آن است. در حال حاضر شرکت های داخلی برای سوراخکاری قطعات، آنها را به خارج از کشور ارسال می کنند.
4- پوشش دهی
برای پوشش دهی در کشور، دو مرکز خوب موجود است. یک مرکز در "صها" است که پوشش دهی پره های هوایی را انجام می دهد و با استانداردهای 30 سال پیش کار می کند. مشکل این مرکز، قطع ارتباط با صنعت مادر خود و عدم بهروزکردن استانداردهای خود است. مرکزی نیز در کرج وجود دارد که روی پوششدهی پره های صنعتی وزارت نیرو مشغول فعالیت است.
مطلب قابل توجه در اینجا، حرکت به سمت پوشش های جدید است. در حال حاضر قطعاتی در داخل کشور وجود دارند که با "پلاسما اسپری" تحت خلاء، پوشش داده می شوند. هرچند که تجهیزات آن قبلاً خریداری شده است، ولی به طور متمرکز روی آن کاری صورت نگرفته است، لذا برنامهریزی در این زمینه نیز ضروری است.
وضعیت کنونی کشور در رابطه با تولید توربین گازی
اقداماتی توسط وزارتخانههای نیرو و نفت، جهت تمرکز تولید توربین در حال انجام است. یکی از مشکلات مهم در بحث ساخت و تعمیر توربینها، تنوع آنها میباشد که در نتیجه توجیه اقتصادی از بین میرود. بنابراین در این وزارت خانهها تصمیم گرفته شد که تنوع، پایین آورده شود و انتقال دانش روی موتورهای خاصی انجام گیرد.
در این رابطه وزارت نیرو برای تولید 30 عدد توربین گازی "زیمنس" که با استفاده از شرکتهای داخلی ساخته خواهد شد، قراردادی با شرکت Ansaldo ایتالیا منعقد کرده است که در این راستا شرکت "توگا" تاسیس شده است. در این قرارداد، تکنولوژی تمامی بخشهای توربین بجز پرههای آن انتقال داده میشود و اخیراً برای تولید پرههای این توربینها با شرکتهای Non-OEM ارتباط برقرار شده است.
وزارت نفت نیز قراردادی با "Alstom" جهت ساخت 50 دستگاه توربین، برای انتقال دانش فنی به داخل کشور منعقد کرده است که البته در اینجا نیز پرهها جزء قرارداد نیست.
در بخش هوایی اطلاعات دقیقی در مورد برنامه کلان ساخت موتورهای توربین گازی در دسترس نیست. اما رشد صنعت پرههای هوایی در کشور نیاز مبرم به برنامهریزی کلان و تعیین اهداف درازمدت در این زمینه دارد.
معرفی تکنولوژی سوپرآلیاژ و میزان کاربرد آن در جهان و ایران
دکتر هاشمی مشاور سازمان گسترش و نوسازی صنایع ایران در زمینه معرفی مواد جدید مطالبی را به شبکه ارسال نموده است که قسمت اول آن مربوط به معرفی سوپر آلیاژها میباشد و در ذیل آمده است:
معرفی وکاربردها
سوپرآلیاژها در واقع آلیاژهایی مقاوم در برابر حرارت، خوردگی و اکسیداسیون میباشند که به لحاظ ترکیب شیمیایی شامل سه گروه پایه نیکل، نیکل-آهن و پایه کبالت میباشند. اولین استفاده از سوپرآلیاژها در ساخت توربینهای گازی، طرحهای تبدیل ذغال سنگ، صنایع شیمیایی و صنایعی که نیاز به مقاومت حرارتی و خوردگی داشتهاند بوده است. امروزه تناژ وسیعی از قطعات مصرفی در توربینهای گازی از جنس سوپرآلیاژها میباشند. در ذیل به بعضی از مصارف این قطعات اشاره شده است:
– توربینهای گازی هواپیما
– توربینهای بخار نیروگاه های تولید برق
– ساخت قالب های ریختهگری و ابزارهای گرمکار
– مصارف پزشکی و دندانپزشکی
– فضاپیماها
– تجهیزات عملیات حرارتی
– سیستمهای نوترونی و هستهای
– سیستمهای شیمیایی و پتروشیمی
– تجهیزات کنترل آلودگی
– تجهیزات و کورههای نورد فلزات
– مبدلهای حرارتی تبدیل ذغال سنگ
به منظور انتخاب سوپرآلیاژها جهت مصرف در کاربردهای فوق لازم است خواص فنی نظیر شکلپذیری، استحکام، مقاومت خزشی، استحکام خستگی و پایداری سطحی در نظر گرفته شوند.
تقسیم بندی سوپرآلیاژها برحسب روش تولید
با توجه به نحوه تولید میتوان سوپرآلیاژها را به چهار گروه کلی تقسیم بندی نمود که عبارتنداز:
1) سوپرآلیاژهای کارپذیر
سوپرآلیاژهای کارپذیر در حقیقت گروهی از سوپر آلیاژها هستند که قابلیت کار مکانیکی دارند و از روشهای مکانیکی میتوان به آنها شکلداد. به منظور تولید مقاطع معینی از سوپرآلیاژهای کارپذیر، اولین گام آن است که شمشهای سوپرآلیاژها به دلیل حضور عناصر فعال(عناصری که سریع در مجاورت هوا اکسید میشوند) در شرایط خاصی تهیه شوند. فرایندهای ذوب در خلاء در مورد تهیه سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن جزء ضروریات میباشد. اما در مورد سوپرآلیاژهای پایه کبالت امکان ذوب در هوا وجود دارد. این فرایند به طور خلاصه شامل ذوب القائی تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الکتریکی در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرایندهای ترمومکانیکی و متالورژی پودر میباشند.

پس از تهیه شمش آلیاژهای کارپذیر به یکی از روش های فوق عملیات شکلدهی صورت میگیرد. عملیات شکلدهی سوپرآلیاژها نیز میتواند توسط عملیات متداول کلیه آلیاژهای فلزی انجام پذیرد. سوپرآلیاژهای پایه آهن، کبالت و نیکل را میتوان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سیم و اشکال دیگر توسط فرایندهای نورد، اکستروژن و آهنگری تولید نمود. معمولاً عملیات شکلدهی در دمای بالا صورت میگیرد و تعداد کمی از سوپرآلیاژها را میتوان به صورت سرد شکل دهی نمود. ساختارهای یکنواخت و ریزدانهای که از شکل دهی سرد حاصل میشود نسبت به ساختارهای شکلدادن گرم ارجحیت دارند. عملیات ترمودینامیکی بر روی سوپرآلیاژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتیگراد انجام میشود که به این ترتیب در حین شکل دادن عملیات حرارتی نیز صورت میگیرد.
2) سوپرآلیاژهای متالورژی پودر
بسیاری از انواع آلیاژهای کارپذیر از طریق فرایندهای متالورژی پودر تولید میگردند. امروزه قطعات متالورژی پودر از جنس سوپرآلیاژ با دانسیته کامل از طریق روش های اکستروژن یا پرسکاری ایزواستاتیک گرم (HIP) تولید میگردند. مهمترین این قطعات قیچیها و سوزنهای جراحی میباشند. فرایندهای متالورژی پودر به دلیل داشتن مزایای زیر بر فرایندهای ریختهگری ترجیح داده میشوند هر چند که معایبی را نیز به همراه خواهند داشت:
– یکنواختی در ترکیب شیمیایی و ساختار کریستالی
– ریز بودن اندازه دانههای کریستالی
– کاهش جدایشها
– راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد
اما مشکلاتی نظیر حضور گاز باقیمانده، آلودگی کربنی و آخال های سرامیکی باعث میگردد که در برخی موارد نیز فرایندهای شمش ریزی و ترمومکانیکی متداول صورت پذیرند.
3) سوپرآلیاژهای پلی کریستال ریختگی
وجود محدودیت های تکنولوژیکی سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلیاژ می گردد و بنابراین با پیدایش فرایندهای جدید تولید، این صنعت نیز روز به روز توسعه مییابد.

تعداد زیادی از فرایندها را میتوان در تولید قطعات سوپرآلیاژ با اندازه نزدیک به قطعه نهایی مورد استفاده قرار داد اما اساساً این قطعات توسط فرایند ریختهگری دقیق تولید میگردند. محدوده ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژهای ریختگی بسیار گستردهتر از سوپرآلیاژهای کارپذیر بوده و بنابراین خواص متنوعتری نیز از این طریق قابل حصول خواهند بود هر چند که انعطاف پذیری و مقاومت به خستگی در فرآیندهای کار مکانیکی بهتر از ریختهگری خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآیندهای جدید ریختهگری و انجام عملیات حرارتی متعاقب، خواص سوپرآلیاژهای ریختگی نیز افزایش یافته است.
4) سوپرآلیاژهای تککریستالی انجماد جهتدار
به منظور توسعه توربینهای گازی مصرفی در هواپیماها و افزایش دماهای کاری و کارآیی موتورها، به طور مداوم روشهای تولید سوپرآلیاژها در حال بهبود است. قسمت های بحرانی توربینها معمولاً شامل پرههای تحت فشار بالا، هواکشها و دیسکها میباشند. در طول 15 سال گذشته تحقیقات بسیاری در زمینه افزایش راندمان توربینها صورت گرفته است و عمده این تحقیقات بر امکان افزایش دمای ورودی، فشارکاری و کاهش هزینههای تولید استوار بوده است. توسعه فرایند انجماد جهتدار به منظور تولید تک کریستالی های ریختگی سبب شده تا بتوان از این طریق پرههای توربین را با دانههای جهتدار در راستای اعمال تنش تولید نمود و به این ترتیب علاوه بر خواص پایدار حرارتی، استحکام خستگی، استحکام خزشی و انعطاف پذیری نیز افزایش یابند. با توسعه این تکنولوژی، امروزه در توربینهای مصرفی در نیروگاه های برق نیز از قطعات تک کریستال از جنس سوپرآلیاژها استفاده به عمل میآید. در سالهای اخیر شرکت هواپیمایی PWA یکی از پیشگامان تولید سوپرآلیاژها می باشد و تولید آلیاژهای PWA 1480 به صورت تک کریستال توسط این شرکت، سبب افزایش عمرکاری هواپیمای جنگی F-100 گردیده است.
تقسیم بندی سوپرآلیاژها برحسب ترکیب شیمیایی
به طور کلی این آلیاژها شامل سه گروه پایه نیکل، پایه آهن و پایه کبالت میباشند که بسته به درجه حرارت کاربردی مورد استفاده قرار میگیرند.
1) سوپرآلیاژهای پایه نیکل
امروزه آلیاژهای نیکل در حالت های "تک فازی"، "رسوب سختی شده" و "مستحکم شده توسط رسوبات اسیدی و کامپوزیتها" در مصارف صنعتی مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. سوپرآلیاژهای پایه نیکل پیچیدهترین ترکیباتی میباشند که در قطعات دمای بالا به کار میروند. در حال حاضر 50 درصد وزن موتورهای هواپیماهای پیشرفته از جنس این آلیاژها میباشد. خصوصیات اصلی آلیاژهای نیکل، پایداری حرارتی و قابلیت مستحکم شدن میباشد. بسیاری از این آلیاژها حاوی 10 الی 20 درصد کرم، حداکثر 8 درصد آلومینیوم و تیتانیم، 5 تا 15 درصد کبالت و مقادیر کمی مولیبدن، نیوبیم و تنگستن میباشند. دو گروه اصلی از آلیاژهای آهن- نیکل که میزان نیکل آنها بیشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهIncoloy 706 و Inconel 718 میباشند. این آلیاژها معمولاً حاوی 3 تا 5 درصد نیوبیم میباشند و در ردیف آلیاژهای پایه نیکل قرار میگیرند. آلیاژهای پایه نیکل معمولاً تا دمای 650 درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ میکنند. اما در دماهای بالاتر به سرعت استحکام خود را از دست میدهند.
2) سوپرآلیاژهای پایه آهن
سوپرآلیاژهای پایه آهن نشات گرفته از فولادهای زنگ نزن آستینتی میباشند که دارای زمینهای از محلول جامد آهن و نیکل بوده و برای پایداری زمینه نیاز به حداقل 25 درصد نیکل است.
.
– گروه های متعددی از این آلیاژها تاکنون مشخص گردیدهاند که هر یک با مکانیزمهای خاصی مستحکم میشوند. برخی از این آلیاژها نظیر 57-V و 286-A حاوی 25 تا 35 درصد وزنی نیکل میباشند و استحکامشان به دلیل حضور آلومینیوم و تیتانیم می باشد.
– گروه دوم آلیاژهای پایه آهن که آلیاژهایX750 و Incoloy901 نمونههای آن میباشند، حداقل 40 درصد وزنی نیکل داشته و همانند گروههای با نیکل بالاتر استحکام بخشی توسط سختی رسوبی صورت میگیرد.
– گروه دیگر این آلیاژها بر پایه آهن- نیکل- کبالت میباشند و استحکام این گروه در محدوده 650 درجه سانتیگراد مناسب بوده و ضریب انبساط حرارتی آنها پایین میباشد. این آلیاژها شامل Incoloy با شمارههای 903، 907، 909، 1-1- PyrometCTX و 3-PyrometCTX و غیره میباشند.
3) سوپرآلیاژهای پایه کبالت
سوپرآلیاژهای کارپذیر پایه کبالت برخلاف سایر سوپرآلیاژها مکانیزم استحکام بخشی متقاوتی دارند و خواص حرارتی خوبی در دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد خواهند داشت. سوپرآلیاژهای پایه کبالت حاوی کرم، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون خوبی داشته و هم چنین قابلیت جوشکاری و مقاومت به خستگی حرارتی آنها نسبت به آلیاژهای پایه نیکل بالاتر میباشد. از طرف دیگر امکان ذوب و ریختهگری این آلیاژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزیت دیگری نسبت به سایر سوپرآلیاژها که نیاز به خلاء دارند میباشد.
سه گروه اصلی آلیاژهای پایه کبالت را میتوان به صورت ذیل در نظر گرفت:
– آلیاژهایی که در دماهای بالا در محدوده 650 تا 1150 درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار میگیرند که شامل آلیاژهایS-816، 25HAYNES، 188 25HAYNES، 55625HAYNES، 50UMCO میباشند.
– آلیاژهایی که تا حدود 650 درجه سانتیگراد به کار میروند نظیرTN3MP، 159 MP
– آلیاژ مقاوم به سایش B 6 Stellite
آلیاژ 2525HAYNES بیشترین کاربرد را در میان آلیاژهای کارپذیر پایه کبالت داشته اشت و در ساخت قطعات گرمکار نظیر توربینهای گازی، اجزاء راکتورهای هستهای، ایمپلنت های جراحی و غیره مورد استفاده قرار گرفتهاند. آلیاژهای گروه پایه کبالت که شامل کرم- تنگستن- کربن میباشند معروف به آلیاژهای Satellite بوده که به شدت مقاوم به سایش میباشند. این گروه معمولاً در مواردی که مقاومت سایشی در درجه حرارت های بالا مورد نیاز باشد به کار میروند. در واقع سختی این مواد در دمای بالا حفظ شده و در مواقعی که نمیتوان در حین کار روغنکاری انجام داد به خوبی مورد استفاده قرار میگیرند.
بازار سوپرآلیاژها
شاید بتوان گسترش بازار سوپرآلیاژها را در دنیا مربوط به صنایع هوا _ فضا در نظر گرفت که با توجه به رشد روزافزون این صنعت و قطعات یدکی آن در سطح جهان پیش بینی میگردد که تنها بازار قطعات یدکی هواپیماها بالغ بر 4،5 میلیارد دلار باشد، بررسیها حاکی از آنست که تا سال 2015 تعداد 16000 فروند هواپیمای جدید با موتورهای توربین گازی وارد بازار میشوند که نیمی از وزن این موتورها از جنس سوپر آلیاژ خواهد بود.

بر اساس آمارهای تخمینی موجود در ایران، سوپرآلیاژها سالانه به میزان 80 میلیون دلار در سه وزارتخانه نفت، نیرو و دفاع مورد استفاده قرار میگیرند.
جایگاه آلیاژهای نوین
دکتر تمیزی فر: دستیابی به تکنولوژی راهبردی سوپرآلیاژ را نباید از معدن و تولید مواد خام شروع کرد.
آلیاژهای نوین (سوپرآلیاژها) گروهی از مواد جدید هستند که علاوه بر موارد صنعتی، در پزشکی نیز کاربرد دارند و این عمومیت کاربرد، اهمیت آنها را دوچندان کرده است. دکتر تمیزیفر عضو هیئت علمی دانشکده مواد دانشگاه علم و صنعت، در مصاحبه با شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران به بیان بعضی از کاربردهای این مواد و لزوم توجه به آنها پرداخته است:
آلیاژهای نوین (سوپرآلیاژها) در دنیا جایگاه بسیار ارزشمندی دارند و به دلیل کاربردهای خاص آنها در صنایع مختلف و پزشکی از اهمیت ویژهای برخوردار هستند. سوپرآلیاژها، آلیاژهایی هستند که دارای خواص زیر باشند:
انعطافپذیری و شکلپذیری بالا
استحکام بالا
مقاومت به حرارت بالا
خواص مکانیکی عالی مثل مقاومت زیاد به خزش و خستگی
این خواص باعث میشود تا ما بتوانیم از این آلیاژها در دمای بالا برای تحمل بارگذاریهای مختلف استفاده کنیم و بدون اینکه افتی در خواص آنها ایجاد شود و دچار شکست گردند، انحناهای خاص، اشکال ظریف و دندههای ریز روی آنها ایجاد نماییم. سه گروه اصلی از این آلیاژها، آلیاژهای پایه نیکل، پایه کبالت و پایه تیتانیم میباشند. نیکل علاوه بر استفاده در ساخت این آلیاژها، در آبکاری، فولادسازی و زیورآلات بدلی نیز کاربرد دارد. سالانه حدود 10 تن نیکل برای کاربردهای مختلف خصوصاً ریختهگری دندان وارد کشور میگردد. کبالت به خاطر محدود بودن منابع آن، استفاده کمتری دارد و تولید کننده اصلی آن کشور کنگو (زئیر) میباشد که به علت اوضاع سیاسی این کشور قیمت ثابتی ندارد و به یک عنصر استراتژیک تبدیل شده است. در ایران نیز ذخایری از کبالت در معدن سنج کرج وجود دارد که قبل از انقلاب تحت بهرهبرداری بود ولی از وضعیت فعلی آن اطلاع دقیقی در دست نیست. تیتانیم علاوه بر کاربرد در صنایع نظامی و موتور هواپیماها کاربرد زیادی در پزشکی دارد و میتوان از آن بجای بافت استخوانی بدن استفاده نمود. در حال حاضر حدود 7 الی 8 تن تیتانیم در سال به کشور وارد میشود. در کشور ما نیز منابع غنی ای از تیتانیم را می توان یافت از جمله معدن کهنوج و کوه چمخاله. تیتانیم به صورت رسوب Tio2 در باتلاقهای انزلی نیز یافت میشود. اما استخراج تیتانیم به علت ضایعات محیط زیستی و هزینه بالای استخراج آن برای کشور ما مقرون به صرفه نمیباشد. با توجه به کاربردهایی که گفته شد میتوان به اهمیت این گروه از مواد برای کشور پی برد. استفاده پزشکی از این آلیاژها، نیاز مبرم بیماران به استفاده از این آلیاژها برای جایگزینی استخوان و دندان، ارزش افزوده بالای تولیدات این تکنولوژی و چشمانداز کاربردها و جایگزینیهایی آینده آن، دستیابی به تکنولوژی این مواد نوین را به عنوان یک ضرورت ملی برای کشور گوشزد مینماید.

کاربردهای پزشکی
قطعات تیتانیمی برای جایگزینی استخوان در بدن کاربرد فراوان دارند. از نیکل و آلیاژهای آن نیز میتوان برای ساخت و کاشتن دندان و یا استخوان مصنوعی استفاده نمود. تعداد زیادی از افراد جامعه ما احتیاج به این خدمات دارند؛ چه افرادی که در سوانح مختلف دچار شکستگی استخوان شده و احتیاج به جایگزینی آن با تیتانیم دارند و چه ضایعاتی که در اثر عدم توجه به بهداشت دهان و دندان متوجه دندانها میگردد. امروزه در کشور ما برای کاشت یک دندان حدود 700 تا 800 هزار تومان باید پرداخت در حالیکه اگر ما این ایمپلنتها را در داخل کشور بسازیم و قدری هزینههای پزشکی را پایین بیاوریم میتوانیم این رقم را به حدود 100 هزار تومان کاهش دهیم. در این صورت خیلی از افراد جامعه که نیازمند این قبیل خدمات هستند، قطعاً استقبال گستردهای خواهند کرد. محققین از دولت انتظار توجه و مساعدت لازم به این مسئله را دارند و قطعاً انتظارات مردم بیشتر خواهد بود.

ارزش افزوده بالای سوپرآلیاژ
هزینه مواد اولیه نقش چندانی در قیمت تمام شده سوپر آلیاژها و قطعاتی که از سوپر آلیاژها تهیه میشوند، ندارد. بر خلاف آنچه در سایر صنایع مشاهده میشود، آنچه باعث افزایش قیمت این قطعات میگردد، فناوری شکلدهی و تولید قطعات میباشد که قیمت آنرا افزایش میدهد. در یک ایمپلنت دندانی 4 تا 6 گرم تیتانیم استفاده میشود که اگر تیتانیم کیلویی 150 دلار هم باشد، بهای ماده خام آن حداکثر یک دلار میشود و این درحالی است که خود این قطعات با قیمتی حدود 300 دلار وارد کشور میگردند که بیانگر نقش ویژه فناوری و کار مهندسی در بالابردن ارزش افزوده مواد اولیه می باشد. ما هر تن فولاد ساختمانی را حدود 200 دلار صادر میکنیم، می بینیم که صادرات یک ایمپلنت دندانی که وزنی کمتر از 20 گرم دارد، با احتساب هزینه بستهبندی و حملونقل ناچیز، برابر با فروش 1.5 تن فولاد در سال میباشد و این تنها ناشی از ارزش دانش فنی، فکر، تجربه، انحصار استاندارد و غیره است. ما باید این سدها را برداریم. حتماً نباید تیتانیم را تولید کنیم چرا که علیرغم داشتن دانش فنی لازم، هزینه تولید تیتانیم خیلی بالا است. در صورتی که الان تیتانیم را با قیمت مناسب و بدون متحمل شدن مشکلات استخراج، میتوان خریداری کرد و با انجام کار تحقیقاتی بر روی آن ارزش افزوده بالایی ایجاد کرد. به این ترتیب از یک راه میانبر، با صرف حداقل هزینه، حداکثر سود اقتصادی، اجتماعی و حتی سیاسی را می توان به دست آورد. بر خلاف تصورات هیچ تحریمی در زمینه خرید مواد اولیه نیز وجود ندارد و به راحتی میتوان این اقلام را از خارج کشور تهیه نمود.
تولید مواد اولیه یا تولید محصولات تکنولوژیبر؟
با گذشت زمان، تکنولوژیها پیشرفت میکنند و مواد با یکدیگر جایگزین میشوند. چنانچه گفته شد برای دستیابی به تکنولوژی بهره گیری از سوپر آلیاژها نیز نباید از معدن و استخراج مواد خام شروع کرد چون هزینه زیادی باید صرف نمود؛ همچنین در طی زمانی که ما صرف دستیابی به تکنولوژی تولید این مواد می نماییم، که حداقل 10 سال ممکن است طول بکشد، به احتمال زیاد این مواد با مواد دیگری جایگزین میشوند و کاربری آنها تغییر میکند. مثلاً الان ترکیبات بینفلزی تیتانیم و آلومینیوم مطرح است که ممکن است جایگزین پرههای پایه نیکلی و کبالتی شود چون مقاومت به خزش خوبی دارند و در قسمت داغ موتور با راندمان بالاتری کار میکند که باعث بالا رفتن راندمان موتور نیز میگردد. یک تا پنج سال دیگر اینکونلها و رنهها که پایهنیکل هستند در صنایع هوایی جای خود را به اینترمتالیکها و تککریستالهایی از آلیاژهای دیگر خواهند داد. در صنایع هوایی اگر چه هواپیماهای ما متعلق به 20 سال پیش است. اما وقتی میخواهیم هواپیما طراحی کنیم (که در حال انجام دادن این کار هستیم)، باید به فکر تکنولوژیهای جدید و مواد جدید جایگزینشده باشیم. پس امروز بهتر است تلاش کنیم به تکنولوژی های بهره گیری از سوپرآلیاژها دست پیدا کنیم و با کار مهندسی، ارزش افزوده بالایی را از رهگذر تولید محصولات تکنولوژیبر ایجاد کنیم. در مجموع اهمیت این تکنولوژی و اثراتی که دستیابی به آن در بعد اقتصادی و اجتماعی دارد، توجه به آن به عنوان یک ضرورت ملی را مورد تاکید قرار میدهد.سرمایهگذاری در بخشهای تولیدی باید از توجیهی مناسب از لحاظ اقتصادی برخوردار باشد. در غیر این صورت تنها عاملی که میتواند حرکت به سوی یک تکنولوژی را توجیه کند، استراتژیک بودن آن تکنولوژی است. دکتر عسگری عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی شریف، در گفتگو با شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران، به بررسی علل توجیهی حرکت به سمت تولید شمشهای سوپرآلیاژ در کشور پرداخته است:
سوپرآلیاژها گروه مهمی از آلیاژها هستند که کاربردهای حساس و استراتژیکی نظیر قطعات توربینهای گازی دارند و به همین دلیل درصنعت هوافضا، صنعت برق و صنایع نفت و گاز از اهمیت ویژهای برخوردار هستند. سوپر آلیاژها بر حسب ترکیب شیمیایی به پایه نیکل، کبالت و بعضاً آهن تقسیمبندی میشوند. گروهی از آلومینایدها نیز که شامل ترکیبات بین فلزی از قبیل نیکل و آلومینیوم هستند، به سوپرآلیاژها معروف میباشند. البته گاهی به اشتباه آلیاژهای پایه تیتانیم نیز جزء سوپرآلیاژها محسوب شدهاند.
تقسیمبندی صنعت سوپرآلیاژ
صنایع مرتبط با ساخت سوپرآلیاژها را میتوان به دو گروه زیر تقسیم بندی نمود:
الف) صنایعی که در ساخت شمش سوپرآلیاژ فعالیت دارند. (مواد اولیه ساخت قطعات سوپرآلیاژی)
ب) صنایعی که به ساخت قطعاتی از جنس سوپرآلیاژها مشغولند.
این دو صنعت از نظر تجهیزات و دانش فنی مورد نیاز تفاوتهای عمدهای با یکدیگر دارند. آنچه در این مبحث میخواهیم به آن بپردازیم، موضوع ساخت مواد اولیه قطعات سوپرآلیاژی (شمشهای سوپرآلیاژ) میباشد.
شمشهای سوپرآلیاژ
شمشهای سوپرآلیاژ از تکنولوژی ساخت پیچیدهای برخوردار هستند و توسط تعداد محدودی شرکت در دنیا ساخته میشوند. علت این پیچیدگی را میتوان در دقتهای بسیار بالا(در حد PPM) برای اجزاء و نیاز به حذف ناخالصیها جستجو نمود.
به این منظور باید مواد اولیه ساخت شمشها به دقت از لحاظ ناخالصیها کنترل شوند و فرایند ساخت نیز باید تحت خلا صورت گیرد. البته آلیاژهایی که عمدتاً پایه کبالت هستند، ساخت آنها در هوا امکانپذیر است. ولی به هر حال، فرایند کنترل مذاب از پیچیدگی زیادی برخوردار است.
شمشهای سوپرآلیاژ را بسته به نوع کاربرد میتوان در دو گروه زیر تقسیمبندی نمود:
1) شمشهایی که مواد اولیه قطعات ریختهگری هستند.
2) شمشهایی که برای ساخت قطعات از طریق شکلدهی مکانیکی مورد استفاده قرار میگیرند.
تولید شمش سوپرآلیاژ در ایران
در ایران سابقهای در تولید شمش سوپرآلیاژی نداریم و فقط در حد آزمایشگاهی اقداماتی انجام شده است ولی چنانچه میدانیم تولید انبوه و تولید آزمایشگاهی کاملاً با هم متفاوت میباشند.
برای دستیابی به این صنعت (تولید شمش سوپرآلیاژ) چون هیچ سابقهای نیز از آن نداریم، باید در ابتدا توجیهی برای دستیابی به آن بیان کرد. این توجیه میتواند اقتصادی یا استراتژیک باشد. در دنیا و در شرایط عادی توجیه اقتصادی حرف اول را میزند ولی با توجه به شرایط ویژهای که کشور ما دارد، گاهی توجیه استراتژیک بر توجیه اقتصادی غلبه پیدا میکند.
آیا تولید شمشهای سوپر آلیاژ در کشور اقتصادی است؟
در شرایط فعلی و با توجه به بررسیهایی که انجام شده است، به نظر نمیرسد که حرکت به سمت ساخت شمشهای سوپرآلیاژی اقتصادی باشد. عوامل موثر در اقتصادی نبودن ساخت این شمشها را میتوان به صورت زیر بیان نمود:
– با توجه به هزینههای بالای مواد اولیه و تجهیزات مورد نیاز و نیز بازار داخلی، میزان مصرف در حال حاضر به اندازهای نیست که سرمایهگذاری را توجیه کند.
– سطح تکنولوژی، نیروی انسانی و دانش فنی که در این زمینه در کشور وجود دارد به حدی نیست که در فاصله کوتاهی در این صنعت به نتیجه برسیم.
– تنوع شمشهای مصرفی عامل دیگری میباشد که به تنوع موتورها و توربینهایی که خریداری کردهایم برمیگردد. البته در زمینه کاهش تنوع قطعات مصرفی در داخل، اقدامات خوبی از طریق وزارتخانههای نیرو و نفت صورت گرفته است.
کشور در تامین مواد اولیه ساخت شمشهای سوپرآلیاژی از طریق منابع داخلی نیز مشکل دارد. معادن مواد اولیه در کشور وجود ندارد یا اینکه فراوری نمیشود. عناصری از قبیل نیکل، کبالت، کرم و مولیبدن که از مواد اولیه اصلی این شمشها هستند، باید از درجه خلوص بالایی برخوردار باشند که این مساله باعث افزایش هزینهها میشود. البته شرکتهای دیگری نیز که این شمشها را در دنیا تولید میکنند همه مواد اولیه را ندارند و معمولاً مواد اولیه مورد نیازشان را وارد کنند. به این ترتیب تامین مواد اولیه، مانعی بر سر راه تولید این شمشها در کشور نخواهد بود.

تولید شمشهای سوپرآلیاژ از دیدگاه استراتژیک
ولی از دیدگاه استراتژیک ما مجبور هستیم به سمت تولید این شمشها برویم و طبیعتاً در بعضی موارد دید استراتژیک، دید اقتصادی را تحتالشعاع قرار میدهد. به عنوان مثال ما در خرید مواد اولیه ساخت قطعات نظامی معمولاً مشکل داریم و اگر بخواهیم به صورت آزاد تهیه کنیم، برای خرید این نوع مواد باید چندین برابر قیمت واقعی هزینه کنیم.
دلایل توجیه تولید شمشهای سوپرآلیاژ در کشور:
اما تولید این شمشها، در آینده نزدیک، هم از لحاظ استراتژیک و هم از بعد اقتصادی منافع زیادی برای کشور به دنبال خواهد داشت. زیرا:
1- وقتی شرکتهای خارجی متوجه شوند که کشور به ساخت قطعاتی که آنها کشور را تحریم کردهاند، نزدیک شده است، بازار را به روی کشور ما باز خواهند کرد، قیمتها کاهش محسوسی خواهند یافت و قدرت چانه زنی در خرید بالا خواهد رفت.
2- با توجه به روند رو به رشد استفاده از این قطعات خصوصاً به صورت ریختهگری شده در کشور و با توجه به بازاری که در آینده نزدیک ایجاد خواهد شد، این اقدام کاملاً اقتصادی خواهد بود.
3- در تاریخ توربینهای گازی، رشد این صنعت بیش از بهبود در طراحی، مدیون ابداع سوپرآلیاژهای جدید بوده است. اگر آلیاژی ساخته شود که با استفاده از آن بتوان 50 درجه دمای کارکرد توربین را بالاتر برد، تحولی در صنعت توربین ایجاد خواهد شد. زیرا در این صورت با بالا بردن دمای عملکرد توربین، بازده افزایش یافته و مصرف سوخت به مقدار قابل توجهی کاهش مییابد. به همین دلیل شرکتهای طراح و سازنده توربینهای گازی همواره در تلاش برای ابداع سوپرآلیاژهای جدید بودهاند و نقاط عطف در صنعت توربینهای گازی در اغلب موارد، محصول ابداع سوپرآلیاژهای جدید بوده است. با ارائه یک آلیاژ جدید تا محدوده زمانی امتیاز ثبت (PatentRight) آن طی نشود، خرید و تهیه آن بسیار مشکل خواهد بود. در این موارد اگر خودمان دانش فنی تولید را در اختیار داشته باشیم، میتوانیم به آلیاژ مورد نظر زودتر دست پیدا کنیم یا اینکه لااقل در قیمت خرید تاثیرگذار خواهد بود.
4- نوساناتی که در قیمت شمشها و زمان تحویلدهی داریم، انگیزه دیگری جهت حرکت به سمت تولید این شمشها میباشد. گاه ممکن است در اثر نوسانات بازار تا 20 درصد افزایش قیمت داشته باشیم و زمان تحویلدهی نیز بسیار طولانی شود. بطور نمونه در سال قبل بحران تانتالم رخ داد که قیمت بعضی از انواع شمشها به طور ناگهانی افزایش زیادی پیدا کرد و زمان تحویلدهی به شش ماه افزایش یافت. اگر خودمان دانش فنی تولید را داشته باشیم، میتوانیم راحتتر بحران را پشت سر بگذاریم.
چگونه میتوان تکنولوژی تولید شمش سوپرآلیاژ را به کشور وارد کرد؟
حال اگر بخواهیم این تکنولوژی را وارد کنیم و صنعت مربوط به آنرا در کشور ایجاد نماییم، مانند هر صنعت دیگری ملزومات خاص خود را میطلبد و باید امکانات و مهارتهای لازم برای ایجاد و توسعه آن را فراهم نمود. برای ایجاد هر صنعت عوامل زیر لازم است:
1) تجهیزات
2) نیروی انسانی ماهر
3) دانش فنی
سه عامل فوق، اجزاء اساسی ایجاد یک صنعت میباشند. اگر از این منظر صنعت تولید شمش سوپرآلیاژی را در کشور مورد بررسی قرار دهیم، خواهیم دید که:
اولاً تجهیزات را نداریم و خریدار آن میباشیم که ممکن است در این راه با مشکلاتی روبرو شویم.
ثانیاً نیروی انسانی ماهری نداریم، البته نباید فراموش کرد که خاستگاه صنعت سوپرآلیاژ در دنیا صنعت فولاد است و کسانی که روی فولاد و خصوصاً فولاد آلیاژی کار میکردند کار خود را گسترش داده و به سوپرآلیاژها پرداختهاند. در کشور در زمینه فولادهای آلیاژی کار شدهاست و آمادگیهای خوبی وجود دارد. بنابراین میتوان آمادگی اولیه نسبتاً خوبی از نظر نیروی انسانی در زمینه سوپرآلیاژها، انتظار داشت. البته این نیروها باید آموزش داده شوند و دانش فنی به آنها منتقل شود تا بتوانند در این زمینه کار کنند.
ثالثاً در زمینه دانش فنی، نیازمند انتقال آن هستیم. زیرا تجربه نشان داده است که در فرآیندهای پیچیده و صنایع High_Tech چون پارامترهای تولید پیچیده و متعدد میباشند، حرکت سعی و خطایی کار اشتباهی است. سعی و خطا در سطوحی از تکنولوژی مناسب است که دستیافتنی باشد و از پیچیدگیهای خیلی زیادی برخوردار نباشد. در تکنولوژیهای پیچیده، حرکت سعی و خطایی فرایندی زمانبر است و هزینهها را به شدت بالا میبرد.
روش متداول در انتقال این تکنولوژیها، خرید لیسانس و دانش فنی است که امکان دستیابی به بازارهای بینالمللی از طریق شرکتهای صاحب تجربه در این زمینه را فراهم مینماید.

نتیجهگیری
با توجه به آنچه گفته شد تولید شمشهای سوپرآلیاژی در کشور اگر چه هنوز اقتصادی نیست، اما ضرورتهای استراتژیک ایجاب میکند که به سمت تولید این شمشها در داخل برویم؛ هر چند در آینده نزدیک با توجه به روند رو به رشد ساخت قطعات سوپرآلیاژی در داخل کشور، لااقل در زمینه شمشهای سوپرآلیاژی که برای مصارف ریختهگری استفاده میشوند، این اقدام توجیه اقتصادی نیز پیدا خواهد کرد. برای این منظور باید اقدامات لازم جهت تهیه تجهیزات، تربیت نیروی انسانی و انتقال دانش فنی صورت گیرد.
یک سوپرآلیاژ پایه نیکل استراتژیک برای نخستین بار در کشور تولید شد
ایسنا:یک دانشجوی دکتری متالورژی دانشگاه صنعتی شریف در تحقیقات رساله اش با تولید و بررسی رفتار سوپرآلیاژ پایه نیکل Rene-80 برای نخستین بار به تهیه نقشه های تغییر شکل پلاستیکی این آلیاژ در درجه حرارت های بالا موفق شد. دکتر جواد صفری، دانش آموخته دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی شریف در گفت و گو با خبرنگار "پایان نامه" خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا) اظهار داشت: سوپرآلیاژ Rene-80 که تاکنون از خارج کشور وارد شده و تولید آن تاکنون در انحصار معدودی از کشورهای پیشرفته بوده، به صورت قطعات داغ در پره های ثابت و متحرک توربین ها کاربرد دارد که در حال حاضر امکان تولید این آلیاژ استراتژیک در کشور فراهم شده است.وی خاطرنشان کرد: در این روش که با هدف بررسی مکانیزم های تغییر شکل و تغییرات زیرساختاری سوپر آلیاژ پایه نیکل Rene-80 در درجه حرارت های بالا پرداخته شده، رفتار این سوپر آلیاژ از طریق بررسی ریزساختار، تغییرات آن در حین فرایند عملیات حرارتی و پیرسازی همدما (Thermal Exposure)، همچنین تغییرات زیرساختار در حین مراحل مختلف خزش در درجه حرارت ها و تنش های متفاوت و مکانیزم های تغییر شکل در درجه حرارت های بالا مطالعه شد.
دکتر صفری درباره نتایج این بررسی، گفت: نتایج آزمایشات خزش مطابق با رابطه خزش توانی Power Law بوده و با استفاده از منحنی های به دست آمده دو مقدار مشخص و متفاوت برای توان تنش و دو مقدار مشخص و متفاوت برای انرژی محرکه خزش، بدست آمد که موید آن بود که بر اساس نتایج بررسی های TEM، در محدوده درجه حرارت ها و تنش های آزمایش شده، دو مکانیزم کنترل کننده تغییر شکل خزشی وجود دارد.
وی خاطرنشان کرد: مکانیزم اول، مکانیزم کنترل کننده، مکانیزم فرایند صعود و لغزش (Glide and Climb) نابجایی ها بوده و مکانیزم دیگر، شامل برش ذرات به دست آمد. پیرسازی در درجه حرارت های بالا کاهش خواص کششی و خزشی را باعث شد.
دستیابی به تکنولوژی حساس قطعات سوپرآلیاژی، نه به روش
قطعات سوپرآلیاژی، دسته ای از قطعات آلیاژی هستند که دارای بازار مصرف بزرگی در صنایع نفت و گاز و نیرو و صنایع نظامی کشور هستند. به همین دلیل اقداماتی جهت ساخت و تولید اینگونه قطعات در کشور صورت گرفته است. متن زیر حاصل گفتگوی شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران (ایتان) با مهندس چراغزاده, مدیر خط تولید پره توربین شرکت موادکاران در همین زمینه است:
روشهای دستیابی به تکنولوژی قطعات سوپرآلیاژی
با توجه به زمینههای موجود در کشور, برای کسب تکنولوژی ساخت و تولید قطعات سوپرآلیاژی دو روش عمده وجود دارد:
اولین روش, بدست آوردن تکنولوژی با استفاده از تواناییها و امکانات موجود در کشور است؛ یعنی بدون انتقال تکنولوژی از خارج کشور و تنها با تکیه بر تحقیقات و پژوهش های داخلی تکنولوژی مورد نظر را کسب کنیم. این روش کاملاً درونزا بوده و به خرید و انتقال تکنولوژی از خارج کشور اعتقاد ندارد.

نزدیک به 8 دهه است که در دنیا سوپرآلیاژها, وارد صنعت شده است. اما در کشور ما حدود یکدهه در این زمینه کار شده است. برای رسیدن به حد مطلوب جهانی نیاز به تجهیزات و فعالیت های بسیار زیادی است که با توجه به محدودیت زمانی و سرعت پیشرفتی که دنیا در این زمینه دارد، اگر به روش درونزا عمل شود، این روش نمیتواند برای رفع احتیاجات کشور پاسخگو باشد. بعضی از کشورهای شرقی مثل چین نیز به روش فوق عمل کردند و خیلی موفق نبودند. دومین روش, انتقال تکنولوژی است؛ به این ترتیب که تکنولوژی که در خارج از کشور وجود دارد به داخل انتقال مییابد. این روش سریعتر از روش فوق بوده و راه میانبری برای دستیابی به تکنولوژی است. البته انتقال تکنولوژی نیز صورتهای مختلفی دارد. در مورد تکنولوژی قطعات سوپرآلیاژی در کشور در بعضی واحدها به روش "کلید در دست" انتقال تکنولوژی انجام شده است. به این صورت که کارخانه تولیدی با تمام تجهیزات, از خارج کشور خریداری شده و در داخل نصب گردیده است. تجربه نشان داده است که این روش خوبی برای انتقال تکنولوژی نیست و نتیجه مورد نظر را در بر نخواهد داشت. با توجه به اینکه در کشور در زمینه ساخت قطعات سوپرآلیاژی بستر مناسبی از لحاظ نیروی انسانی و دانش فنی موجود است, میتوان با استفاده از نیروهای متخصص به بررسی راههای مختلف انتقال تکنولوژی در این زمینه پرداخت و با هزینه کمتر به تکنولوژی های جدیدتر در این حوزه دست یافت.
نیاز کشور به تکنولوژی قطعات سوپرآلیاژی و توانایی های موجود
علت رویکرد کشور به ساخت قطعات سوپرآلیاژی، تحریمهای اعمال شده به کشور در زمینه پره توربین است بهطوری که در اوایل جنگ ایران و عراق، وزارت نیرو برای یکسال در تامین بعضی پرههای مورد نیاز خود از شرکتهای خارجی دچار مشکل جدی شد. به همین دلیل عدم توانایی در ساخت قطعات سوپرآلیاژی بهعنوان تهدیدی برای صنایع مهم کشور درآمد.

با توجه به اینکه پره توربین یکی از نیازهای اساسی وزارت نیرو بود و نیز با توجه به کاربرد فراوان این تکنولوژی, در سایر صنایع مانند نفتوگاز و حملونقل, پروژه تولید پره توربین در شرکت موادکاران تعریف شد. در آن زمان امکانات و اطلاعات محدودی در این زمینه وجود داشت. بهعلت وجود این ضرورت پروژههای بسیاری در قالب پروژه دکترا و کارشناسیارشد در زمینه ساخت پره توربین به اجرا در آمد و در نهایت به تولید آزمایشگاهی این پرهها انجامید. در حال حاضر تولید این پرهها به صورت نیمه صنعتی در کشور شروع شده است و چندین مرکز در این زمینه به فعالیت مشغول هستند. البته هنوز ضعفهای زیادی در این زمینه وجود دارد و تنها شرکت تولیدکننده این پرهها در مقیاس نیمهصنعتی (موادکاران) نیز راه دشواری تا تولید کردن پرههای سنگین و با ماهیچهخورهای پیچیده در پیش رو دارد.

ایجاد joint venture با شرکتهای خارجی راهحلی برای دستیابی به تکنولوژی
با توجه به اینکه بستر مناسبی از لحاظ نیروی انسانی و تجهیزات در کشور وجود دارد میتوان با همکاریهای بینالمللی در این زمینه بصورت joint venture و قراردادهای تحت لیسانس، تکنولوژیهایی که در زمینه ساخت قطعات سوپرآلیاژی در کشور وجود ندارند را انتقال داد و به موفقیتهای خوبی در این زمینه دست یافت. تشکیل joint بهمنظور کوتاه شدن زمان تولید و رفع نیاز سریع متقاضیان, استفاده از دانش فنی سازندگان اصلی و جلب اعتماد مصرفکنندگان در مورد قطعات حساس, ارتقا سطح تکنولوژی صنعت کشور و نهایتاً تولید قطعات با کیفیت برابر تولیدات خارجی و قیمت بسیار پایینتر از قیمت خرید خارج صورت میگیرد. البته همانطور که اشاره شد انجام چنین فعالیتی نیاز به بستر مناسب تکنولوژی دارد و در صورت عدم وجود چنین بستری, هم هزینه انجام و قراردادهای مربوطه بسیار بالاتر خواهد بود و هم نتایج موردنظر کاملاً قابل دسترسی نخواهد بود.
افزایش دمای عملکرد سوپرآلیاژها در موتور های هواپیما
دو بزرگترین سازنده موتور هواپیما در آمریکا یعنی کمپانی Whitney & pratt و کمپانی تولید موتور هواپیمای GE، یک تلاش تحقیقاتی وسیع پنجساله را پشتیبانی میکنند. این پروژه به صورت فایناس جزئی توسط دولت، جهت بهبود قابلیت دمایی سوپرآلیاژهای پایه نیکل طراحی شده است. یک سوپرآلیاژ بسیار پرمصرف در صنعت هوافضا، آلیاژ N07718 (آلیاژ 718) است که شامل 52 درصد نیکل است. در موتور هواپیماهای کمپانی GE این سوپرآلیاژ در قسمتهای گردشی حساس، ایرفویلها، سازههای نگهدارنده و وسایل تحت فشار استفاده میشود.برای مثال سوپرآلیاژ 718، 34 درصد از وزن کل موتور CF6 را در برمیگیرد. همچنین این سوپرآلیاژ در 56 درصد از قطعات گردشی و سازههای فورجشده این کمپانی در سال 2000 استفاده شده است. سوپرآلیاژ 718 از زمان پیدایش آن در سال 1963 به عنوان یک آلیاژ مطلوب برای صنعت هوافضا درآمده است. مزایای کلیدی این سوپرآلیاژ عبارتند از:
سینتیک رسوب مطلوب، قابلیت ریختهگری و جوشکاری بهبودیافته، قیمت کم و تولید آسان است.

دانیلپائولونیز از کمپانی Pratt & Whitney در پانزدهمین سمپوزیوم بینالمللی سوپرآلیاژهای 718، 615 و 706 که در ژوئن 2001 در پیتسبورگ برگزار شد، گفت: "سوپرآلیاژ 718، 57 درصد (یا 760 کیلوگرم) از وزن موتور PW 4000 این کمپانی را شامل میشود.' با این وجود طراحان قصد دارند کارایی کمپرسور و توربین را با افزایش دمای عملکرد آنها بالا ببرند. بنابراین برای حفظ موقعیت بازار آلیاژهای پایه نیکل لازم است، قابلیت دمایی و رفتار شکست وابسته به زمان (خزش) این آلیاژها بهبود پیدا کند. تلاشهای زیادی در این رابطه با افزودن کبالت و تانتالیم صورت گرفته که چندان موفقیتآمیز نبوده است. آقای اسکفریک میگوید: "تلاش برای یافتن یک جایگزین مناسب برای سوپرآلیاژ 718 با عملکرد دمایی بالا ثابت کرده است که نمیتواند چندان امیدوار کننده باشد.' اسکفریک و پائولونیز هر دو عقیده دارند که به منظور تهیه یک سوپرآلیاژ دمابالای مطلوبتر، شرایط مختلفی باید مورد توجه قرار گیرد. که شامل استفاده موثر از مواد پیشرفته روزافزون، ابزارهای مدلسازی فرآیند، مدلهای فیزیکی مناسب و کنترل رشد ترک وابسته به زمان از جمله آنهاست.
تحلیل:
سوپرآلیاژها، علاوه بر کاربرد هوافضایی که در بالا اشاره شد، در توربینهای گازی در صنعت برق و صنعت نفتوگاز استفاده گستردهای دارند. مهمترین ویژگی در مورد این سوپرآلیاژها دمای کارکرد و طول عمر آنهاست. در کشورهای غربی روی افزایش دمای کارکرد سوپرآلیاژهای مذکور تلاشهای زیادی صورت میگیرد و حتی مراکز تحقیقاتی خاص این موضوع در دانشگاههای مختلف وجود دارد. هر شرکتی که بتواند به طور مثال دمای کارکرد سوپرآلیاژی را 50 درجه بالاتر ببرد، بازار آن دسته از سوپرآلیاژها را قبضه خواهد کرد. اگرچه در کشور ما شاید توجیه اقتصادی زیادی در این زمینه وجود نداشته باشد، ولی بهدلیل استرتژیک بودن زمینههای کاربرد این سوپرآلیاژها و مشکلاتی که در انتقال دانش فنی آنها وجود دارد لازم است مراکزی به صورت هدفمند جهت تحقیق در زمینههای مورد نیاز کشور و پرورش نیروی انسانی ماهر بهوجود آید. حداقل دستاورد این مراکز میتواند این باشد که ما در خرید محصول یا تکنولوژی از خارج میتوانیم با اشراف به آن تکنولوژی قدرت چانهزنی بیشتری داشته باشیم و با شناخت از بازار و تولیدکنندگان در این زمینه بهترین گزینه را با کمترین هزینه ممکن بدست آوریم.سوپرآلیاژ پایه نیکل یکی از مناسب ترین مواد برای خواص مورد نیاز در اجزاء توربین, بخصوص پره ها می باشند. ریزساختار پره ها در حین کارکرد در اثر ترکیب دمای بالا و بارگذاری های زیاد دچار تغییراتی می گردد که بستگی به عواملی مانند زمان کل کارکرد پره ها، شرایط کاری توربین و هم چنین ویژگیهای پره تولیدی دارد. در این تحقیق به بررسی تاثیر حرارت دهی طولانی مدت در دمای بالا بر روی ساختار و خواص مکانیکی پره سوپرآلیاژIN738 که کاربرد وسیعی در قطعات دمای بالا دارد, پرداخته شده است. نمونه های انتخاب شده پس از عملیات حرارتی استاندارد برای مدت زمانهای 100 , 500 و 1000 ساعت در دمای 850 درجه سانتی گراد قرار داده شدند. با بررسی ریز ساختار توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی و انجام تست های میکرو سختی ویکرز و تنش- گسیختگی تاثیر حرارت دهی در زمانهای مختلف بر روی ساختار , خواص مکانیکی سوپر آلیاژ مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. تغییرات ساختاری ایجاد شده شامل تجزیه کاربیدها و درشت شدن رسوبات گاماپریم بود. نتایج نشان داد که عمر خزشی نمونه ها در شرایط تست تنش 152 مگا پاسکال و دمای 982 درجه سانتی گراد برای زمانهای طولانی تر افت بیشتری را از خود نشان می دهد. میکروسختی نمونه ها با شیب یکنواختی کاهش یافته است. با بررسی نتایج بررسیهای ریز ساختاری و ارتباط آن با خواص مورد نیاز در دمای بالا , مانند مقاومت خزشی می توان گفت که خواص پره ها در دماهای بالا و برای مدت زمانهای طولانی نسبت به دمای محیط افت نموده و کارکرد پره ها را کاهش می دهد.
آلیاژهای سبک وزن و مقاوم به حرارت پایه TiAl به عنوان نسل بعدی مواد ساختاری بحساب آمده و تحقیقات بسیاری روی آنها انجام میشود. تنها کاربرد تجاری که اخیرا برای آن پیشنهاد شده است در توربوشارژرهای اتومبیلهای سواری است. بدلیل آنکه توربینهای سبک وزن کارایی (قدرت واکنش بهتر) را بهبود میدهند، این کاربرد مستقیما از سبکی آلیاژ Ti – Al استفاده میکند. علاوه بر آن، خواص ماده مورد نیاز در این کاربرد تقریبا همانند آلیاژ جایگزین شده است. اما این آلیاژ در زمینههای دیگر هنوز مورد استفاده پیدانکرده است. دلایل اصلی این امر قیمت بالا و قابلیت اطمینان بوده، مضاف بر اینکه خواص آلیاژهای Ti – Al خیلی بهتر از آلیاژهای کاربردی متداول نیست؛ و هنگامی که نمیتوان از خاصیت سبک وزنی این آلیاژ، مانند حالت توربوشارژر، بهرهبرداری مستقیم کرد، به این نتیجه میرسیم که باید خواص این آلیاژ را در مقایسه با آلیاژهای رایج بهبود بخشید. استحکام یکی از خواص اصلی آلیاژهای TiAl است که باید اصلاح شود؛ استحکام دمای بالای آنها، تقریبا مشابه سوپرآلیاژها بوده (حتی اگر بر حسب استحکام مخصوص مقایسه شود) و در دمای پایین یا متوسط، حتی استحکامی کمتر از آلیاژهای پایه تیتانیوم مقاوم به حرارت و سوپرآلیاژ آلفا – ۲ دارند و بدین ترتیب نیازی به جایگزینی با این آلیاژها احساس نمیشود. میدانیم که کاهش اندازه دانه و فواصل لایهها در ساختار لایهای در افزایش استحکام آلیاژ TiAl موثر است. خنک کردن با هوا از منطقه دما بالای آلفا برای کاهش فواصل لایهها مفید بوده و تغییر شکل در دمای بالا نیز اندازه دانه را کاهش میدهد. بعبارت دیگر، فورجینگ (آهنگری) داغ که فرایند شکلدهی معمول در اکثر فلزات عادی است، باید موجب افزایش استحکام آلیاژ Ti-Al شود. نکته جالب توجه آن است که هیچ نمونه کاربرد عملی برای Ti – Al کاملاً لایهای شده وجود ندارد. این موضوع به دلیل بالا بودن تنش سیلان این ماده و قابلیت شکلپذیری پایین آن در تغییر شکلهای سریع است. بنابراین تولید صنعتی قطعات بزرگ و پیچیده از این آلیاژ با استفاده از فورجینگ داغ به دلیل محدودیت تجهیزات و احتمال ایجاد ترک در ماده و … دشوار است. برا ی یافتن کاربرد عملی آلیاژ Ti-Al شکل داده شده با فورج داغ، کاهش تنش سیلان و بهبود شکلپذیری لازم و ضروری بنظر میرسد. بهترین راه برای رسیدن به موارد فوق، وارد کردن فاز بتا است. اگر در حین فورج داغ، تک فاز آلفا به فاز دوتایی آلفا + بتا تبدیل شود، شکلپذیری دمای بالای آلیاژ به میزان قابل توجهی افزایش مییابد. همچنین، با تبدیل شدن فاز آلفا به یک فاز لایهای در حین سرد شدن، نسبت بهینه بین فازهای آلفا و بتا در دمای بالا با کنترل ترکیب آلیاژ منجر به ریزساختاری میشود که در آن ساختار لایهای غالب خواهد بود. یکی دیگر از زمینههای تحقیقاتی، فاز گامای آلیاژهای TiAl است. آلیاژهای پایه گاما به دلیل استحکام بالا و مقاومت به اکسیداسیون در دمای بالای ۹۰۰ درجه سانتیگراد و همینطور چگالی کم، به عنوان نسل بعدی مواد دما بالا به حساب میآیند. اما مهمترین مانع بکارگیری مهندسی آنها، انعطافپذیری دمایی ضعیف و محدود است. تاکنون تحقیقات بسیاری در این زمینه صورت گرفته است . چندین آلیاژ پایه Ti-(۴۷_۴۹)Al توسعه داده شدهاند. انعطافپذیری دمای اتاق آنها به ۵/۳ درصد رسیده و چقرمگی شکست و مقاومت به خزششان به میزان قابل توجهی بهبود یافته است.
در حین توسعه نسل دوم و سوم آلیاژ Ti-Al کشف شد که عنصر نایوبیم، عنصر مهمی در بهبود خواص مکانیکی در دمای بالا بحساب میآید. نتایج تجربی بیانگر آن است که اضافه کردن مقادیر زیاد از نایوبیم نقطه ذوب را زیاد کرده و دمای کاربردی ماده را تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد افزایش میدهد. پس از تحقیقات بسیار بدست آمد که آلیاژهای TiAl حاوی مقادیر زیاد Nb استحکام بیشتری داشته و در دمای بالا تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد در برابر اکسیداسیون مقاوم است. آزمایشات نشان میدهد که فورج ایزوترمال یکی از مهمترین مراحل اصلاح انعطافپذیری محدود آلیاژهای فوق است. آلیاژهای آلومیناد تیتانیم با فازهای پایه گاما و آلفا -۲ نیز از شکست ترد در دمای بالا رنج میبرند. بنابراین کیفیت و متالورژی شمشها برای تولید و قابلیت اطمینان قطعه باید مورد توجه قرار گیرد. مواردی که باید کنترل شوند عبارتند از: تخلخل انقباضی، جدایش عناصر آلیاژی، ریزساختار درشت (اندازه دانه درشت) و بافت. در نتیجه رسیدن به یکنواختی در ترکیب شیمیایی و ریز کردن دانه برای کاربرد مهندسی لازم و ضروری بنظر میرسد. در این زمینه تحقیقات گستردهای بر روی شمشهای این آلیاژها صورت گرفته است. اصلیترین فاکتورهای مورد توجه در کارگرم این آلیاژها بقرار زیر هستند:
۱) آنایزوتروپی پلاستیک زیاد ماده به دلیل نبود سیستم لغزش مستقل که این مسئله در حالت تغییر شکل منعکس میشود.
۲) تحرک اندک نابجاییها
۳) تحرک مرز دانهای و نفوذ کم که بازیابی و تبلور مجدد را به تاخیر میاندازد.
۴) پیوستگی مجدد دینامیکی و استحاله فازی توام که میتواند در توسعه بافت موثر باشد.
۵) انعطافپذیری محدود و حساسیت به رخ شکست که حالت شکست را تحت کارگرم تعیین میکند.
این عوامل در عملیات کارگرم نقش مهمی ایفا میکنند اما هنوز اطلاعات پیرامون مکانیزمهای مربوط به آنها اندک و محدود است. نیاز به استحکام بالا همراه با مقاومت به اکسایش خوب منجر به توسعه خانواده جدیدی از آلیاژهای TiAl گاما با ترکیب خطی پایه زیر شد:
Ti – ۴۵ Al – (۵ – ۱۰) Nb + X
که X در آن مقادیر عناصر آلیاژی فلزی یا غیر فلزی دیگر میباشد. توجهات ویژهای به این آلیاژها معطوف شده است زیرا قابلیت گسترش دامنه کاربرد آلیاژهای TiAlقدیمی را دارد. ویژگی مشخصه آلیاژ جدید میزان اندک آلومینیم و افزایش میزان نایوبیم است . در سیستم Ti-Al افزودن Nb عموماً دمای بتا و آلفا (استهاله یافته) را کاهش داده و به فاز آلفا میرسد. این بهسازی در پایداری فاز منجر به پالایش عمده ساختار میشود که بدون شک مهمترین عامل استحکام تسلیم بالای ماده است. البته ذکر این نکته نیز ضروری است که هرگونه تغییر در نسبت آلومینیم باعث تغییر خواص مکانیکی میشود.
اطلاعات اندکی در رابطه با رفتار تغییر شکل فاز آلفا – ۲ در آلیاژهای ( گاما و آلفا – ۲) وجود دارد. تودههای پلیکریستالی آلفا – ۲ در دماهای پایین و محدود، چقرمگی و انعطافپذیری کمی دارند. در دماهای بالای ۸۰۰ درجه سانتیگراد در فاز آلفا – ۲ از آلیاژهای دو فازی، وجود نابجاییهایی با مولفه c شناسایی شده و تصور میشود که آنایزوتروپی پلاستیک آلفا – ۲ را کاهش میدهد. اطلاعات پیرامون ویژگیهای تغییر شکل آلفا غنی از آلومینیم اندک است، مخصوصا هنگامی که این فاز در تعادل با گاما باشد. هیچ اطلاعات دیگری نیز در مورد تغییر شکل فاز بتا و فاز همتای منظم شده آن B۲ هنگام همراهی با فازهای گاما و آلفا – ۲ وجود ندارد. بنظر میرسد تبلور مجدد و کروی شدن ریزساختار با افزایش زیاد Nb به تاخیر بیافتد که حداقل به سه عامل مربوط میشود. Nb به میزان زیادی فضاهای اتمی تیتانیم را در فازهای گاما و آلفا – ۲ اشغال میکند. بنابراین آلیاژهای حاوی نایوبیم در اینجا معادل آلیاژهای Ti-۴۵Al در نظر گرفته میشوند. در چنین آلیاژهای غنی از تیتانیم، عموما تبلور مجدد دینامیکی بنابر دلایلی که همگی مشخص نیستند، به کندی انجام میشود. بعلاوه، در آلیاژهای حاوی نایوبیم بالا، تبلور مجدد بخاطر ضریب نفوذ کمتر به تاخیر میافتد. یکی از ویژگیهای خاص آلیاژهای حاوی Nb این است که اغلب حاوی کسر حجمی قابل توجهی از فاز بتا میباشند که ساختار فرعی نفوذکننده در ماده تشکیل میدهد. انتظار میرود که این فاز تحت شرایط کار داغ استحکام تسلیم نسبتا کمی داشته و عهدهدار بخش اعظم تغییر شکل باشد. در نتیجه، میزان انرژی کرنشی سهم فازهای گاما و آلفا – ۲ نسبتا اندک بوده و بنابراین نیروی محرک تبلور مجدد در این اجزاء کاهش مییابد. به نظر میرسد اعوجاج فاز بتا بسیار بیشتر از دو فاز دیگر گاما و آلفا – ۲ باشد. در کرنشهای بالا، باندهای برش در طول فاز بتا که شامل دانههای بسیار ریز و هممحور میباشد، گسترش مییابند. بنابراین تغییر شکل میتواند توسط لغزش مرزدانهها اتفاق بیافتد. این نوع تقسیم کرنش بین فاز بتا و دیگر فازها، یقینا منجر به تنشهای درونی زیاد میشود. اغلب باندهای برش کل قطعه کار را میپیمایند، در قطعات بزرگ این موضوع منجر به ایجاد تنشهای کششی خارجی و شکست نابهنگام میشود. بر این اساس در یکی از تحقیقات انجام شده، آلیاژ Ti-۴۲Al-۱۰V انتخاب شد. این آلیاژ با آلیاژهای Ti-Al معمولی کاملا متفاوت بوده و در دمای بالا منطقه دو فازی (آلفا + بتا) بزرگی داشته و در دماهای متوسط و پایین دارای منطقه دو فازی (گاما و بتا – ۲) است. ظاهر خارجی آلیاژ بعد از تست اکسترود داغ نشان میدهد که اگرچه سطح غلاف روی قطعه کنده کنده شده است اما درون ماده سالم و بیعیب بوده و نشاندهنده قابلیت شکلپذیری بهتر این آلیاژ نسبت به غلاف از جنس فولاد کم آلیاژ است.ظاهر خارجی آلیاژ بعد از فورج داغ در قالب بسته با ماده اضافی نشان میدهد که موقعیت ترک در ماده اضافی و در مکان جوش با غلاف است. ریزساختار آن نیز نشان میدهد که هیچ ترک درونی وجود ندارد؛ سیلان پلاستیک نیز در حد مطلوب است.
▪ خواص ماده:
ریزساختار ماده بعد از فورج داغ و اکسترود داغ هر دو یکنواخت و عالی است. در این ریزساختار فاز سفید بتا و فاز سیاه گاما بوده و سطح خاکستری ساختار لایهای را نشان میدهد اما چون فواصل لایهها نازک است ساختار لایهای بخوبی مشخص نیست. آنچه که در تصاویر ریزساختار نشان داده میشود بیانگر آن است که فاز آلفا بر فاز گاما غالب بوده و این میتواند به دلیل رسوب فاز گاما از آلفا باشد. اندازه دانه و فاصلههای لایهها در این آلیاژ کوچکتر از آلیاژهای Ti-Al معمولی هستند. این موضوع نتیجه کرنش پلاستیک بیشتر در حین اکستروژن و همینطور سرعت سرد کردن بالا است. عامل دیگر اندازه دانه کوچکتر فاز آلفا در حین نگهداری در دمای بالا قبل از فورج داغ در نظر گرفته میشود که به دلیل حضور بتا اتفاق میافتد. کسر سطحی لایهها این آلیاژ در حدود ۷۰ درصد بوده که بطور واضح کمتر از آلیاژهای کاملا لایهای است اما در هر حال بخش اعظمی را اشغال کرده است. به نظر میرسد مشخصات ریزساختاری لایهها خواص آلیاژ را کنترل میکند.
▪ خواص مکانیکی:
استحکام کششی دمای اتاق آلیاژ اکسترود داغ شده بسیار زیاد است زیرا اندازه دانه و فواصل بین لایهها بسیار اندک است. با استفاده از فرمول هال-پیچ داده شده در مقاله با اندازه دانه ۹ میکرون تنش تسلیم باید ۱۴۸۱ مگاپاسکال شود اما استحکام اندازهگیری شده ۱۲۶۵ مگاپاسکال است، از مقدار پیشبینی شده کمتر، اما این مقدار با توجه به این واقعیت که کسر سطحی لایهها ۷۰ درصد است، قابل قبول میباشد. یعنی استحکام بالای آلیاژ اکسترود داغ شده در نتیجه ساختاری با لایههای نازک بدست آمده است. استحکام در دمای ۵۰۰ و حتی ۷۰۰ درجه سانتیگراد نیز هنوز بالا و نزدیک استحکام دمای اتاق این آلیاژ است. نتیجه تست ضربه چارپی نیز برای یک آلیاژ TiAl قابل قبول و رضایت بخش بوده و نشاندهنده استحکام بالای این آلیاژ است. معمولا انرژی جذب چارپی مقاومت ماده به جوانهزنی و رشد ترک را نشان میدهد که این امر نیز به استحکام بستگی دارد. برای مواد فلزی انعطافپذیرتر این انرژی رشد بیشتر است و میتوان نتیجه گرفت که حتی انرژی جذب مواد با استحکام پایین نیز میتواند زیاد باشد. در هر حال چون انرژی جوانهزنی ترک در آلیاژ TiAl بسیار کوچک است پس انرژی جذب به مقدار زیادی به انرژی رشد ترک وابسته است. البته باید توجه شود برای همه فازهای حاوی ترکیبات بین فلزی مقاومت در برابر رشد ترک وجود ندارد. استحکام خزشی این آلیاژ نیز بیشتر از استحکام آلیاژ تیتانیم مقاوم حرارتی، سوپرآلیاژ آلفا – ۲ یا سوپرآلیاژ پایه نیکل فورج شده اما کمتر از سوپرآلیاژ پایه نیکل ریخته شده، بدست آمد. دلیل آنکه چرا استحکام گسیختگی خزشی این آلیاژ به میزانی نیست که از استحکام بالای آن انتظار میرود، میتواند اندازه دانههای کوچک و وجود فاز بتا باشد. بنابراین فورج داغ این آلیاژ میتواند جایگزین فورج دیگر آلیاژهای متداول شود و در مواردی که به سبکی و استحکام بالا در دماهای بالا تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد نیاز باشد، بکار رود. با توجه به تصاویر مشاهده شده از ریزساختار مشخص است که در فورج کمتر از دمای ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد ساختار لایهای تنها خمیده میشود اما در تغییرفرمهای در دمای بالاتر ساختار لایهای میشکند و ریزساختار به دلیل تبلور مجدد، همگن و یکنواخت میشود. پارامترهای مناسب در فرایند فورج آلیاژ TiAl خاص گفته شده با نایوبیم بالا، نرخ کرنش ۰۰۱/۰ و دمای تغییرشکل ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد پیشنهاد میشود.
ویژگیهای خاص در کار داغ آلیاژهای حاوی نایوبیم با تغییر ساختاری بعد از شکلدهی داغ توسط ترکیب فشار و پیچش مشخص میشود. در هنگام استفاده از نمونههای تست کوچک برای تعیین خواص کار داغ، رفتار تغییر شکل فاز بتا اغلب قابلیت کارپذیری پایین آلیاژهای حاوی نایوبیم بالا را تحتالشعاع قرار میدهد. بافت کریستالوگرافی در آلیاژهای TiAl کار داغ شده به دلیل ایجاد انعطافپذیری کششی اندک و چقرمگی شکست متوسط باید مورد توجه قرار گیرند. بافت (Texture) نه تنها بر خواص مکانیکی دمای پایین ماده بلکه بر توزیع کرنش و سیلان پلاستیک در حین شکلدهی ثانویه نیز تاثیر میگذارد.
▪ تاثیر تبلور مجدد و استحاله فاز:
بعد از کار داغ ماده بطور کامل مجددا متبلور میشود. در مشاهدات میکروسکوپ الکترونی بخوبی مشخص است که تبلور مجدد دینامیکی در فصل مشترک دوقلوییها یا دوقلوییهای غیر متحرک شروع میشود. کارسختی آلیاژهای پایه گاما در دماهای پایین و متوسط به واکنشهای الاستیک بزرگ که منجر به تشکیل اتصالات و حفرات چندگانه زیانبرجا میشوند، نسبت داده میشود. این فرایندها یقینا میزان انرژی کرنشی ذخیره شده را افزایش داده و برای تبلور مجدد مفید خواهند بود. اما برای تکامل ساختار تغییر شکل فاز گاما، پخش نابجاییهای معمولی با بردارهای برگرز قائم بسیار با اهمیت میباشد. به علاوه تغییرات حاصل از ترکیب آلیاژی نیز باید در نظر گرفته شود. بطور کلی در شکلدهی آلیاژهای TiAl توجه به موارد زیر ضروری به نظر می رسد:
۱) توسط اکستروژن داغ یا فورج در قالب بسته در یک مرحله رسیدن به کار زیاد بدون ترک امکانپذیر است.
۲) توسط اندازه دانه متوسط ۹ میکرومتر و فواصل لایهای متوسط ۴۰ نانومتر که ۷۰ درصد کسر حجمی را تشکیل داده است در آلیاژ Ti-۴۲Al-۱۰V اکسترود داغ شده، ساختاری بسیار لایهای با لایه های نازک تشکیل میشود.
۳) ا اثر دانه رهای ریزتر استحکام کششی را افزایش میدهد.
۴. بر پایه شبیه سازی تغییر شکل آلیاژ TiAl حاوی نایوبیم بالا، پارامتر مناسب فورج برای این نوع آلیاژها دمای ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد و نرخ کرنش s-۱ ۰۰۱/۰پیشنهاد میشود.
۵) در آلیاژهای TiAl حاوی مقادیر زیاد
Nb توسط کار داغ و تبلور مجدد همراه آن به ساختاری بسیار ریزدانه دست مییابیم.
۶) ارتباط نزدیکی بین ترکیب شیمیایی، شرایط کار داغ و تکامل ریزساختار وجود دارد.
۷) توسعه ریزساختار و بافت در حین عملیات توسط حالات تغییر شکل کنترل میشود.

منبع:
www.aceranir.com

فهرست مطالب
کاربرد سوپرآلیاژها 1
روشهای تولید 1
تولید قطعات سوپرآلیاژی به روش ریختهگری 2
وضعیت کنونی کشور در رابطه با تولید توربین گازی 7
معرفی تکنولوژی سوپرآلیاژ و میزان کاربرد آن در جهان و ایران 8
معرفی وکاربردها 9
تقسیم بندی سوپرآلیاژها برحسب روش تولید 10
1) سوپرآلیاژهای کارپذیر 10
2) سوپرآلیاژهای متالورژی پودر 11
3) سوپرآلیاژهای پلی کریستال ریختگی 12
4) سوپرآلیاژهای تککریستالی انجماد جهتدار 13
تقسیم بندی سوپرآلیاژها برحسب ترکیب شیمیایی 14
1) سوپرآلیاژهای پایه نیکل 14
2) سوپرآلیاژهای پایه آهن 15
3) سوپرآلیاژهای پایه کبالت 16
بازار سوپرآلیاژها 17
جایگاه آلیاژهای نوین 18
دکتر تمیزی فر: دستیابی به تکنولوژی راهبردی سوپرآلیاژ را نباید از معدن و تولید مواد خام شروع کرد. 18
کاربردهای پزشکی 20
ارزش افزوده بالای سوپرآلیاژ 21
تولید مواد اولیه یا تولید محصولات تکنولوژیبر؟ 22
تقسیمبندی صنعت سوپرآلیاژ 24
شمشهای سوپرآلیاژ 25
تولید شمش سوپرآلیاژ در ایران 26
تولید شمشهای سوپرآلیاژ از دیدگاه استراتژیک 28
نتیجهگیری 32
دستیابی به تکنولوژی حساس قطعات سوپرآلیاژی، نه به روش 34
روشهای دستیابی به تکنولوژی قطعات سوپرآلیاژی 34
نیاز کشور به تکنولوژی قطعات سوپرآلیاژی و توانایی های موجود 36
ایجاد joint venture با شرکتهای خارجی راهحلی برای دستیابی به تکنولوژی 37
افزایش دمای عملکرد سوپرآلیاژها در موتور های هواپیما 38
تحلیل: 40
منبع: 52

10