معرفی سوپرآلیاژها، انواع آن‌ها و فولادهای سوپرآلیاژی

ابرآلیاژ تصویر ذهنی متفاوتی برای انسان تداعی می‌کند، تصویر سوپرمن که در هوای بارانی روی یک صخره ایستاده است و قرار است به‌تنهایی شهر را نجات دهد، سوپرآلیاژ نیز چنین نقشی ایفا می‌کند، ابرآلیاژها نقش ناجی را در برابر خوردگی و حرارت‌های بالا بازی می‌کنند. البته چنین تعریفی هیچ جایگاه علمی ندارد و تعریف اصولی از سوپرآلیاژ نیست؛ اما می‌تواند بیانگر خاص و متفاوت بودن این ماده کاربردی باشد. سوپرآلیاژ یا superalloy آلیاژی پیچیده است که از نظر ترکیب شیمیایی از ترکیب چند فلز خاص به دست می‌آید.
تاریخچه تولید سوپرآلیاژ به بعد از جنگ جهانی دوم برمی‌گردد. زمانی که متخصصان به دنبال راهی برای افزایش قدرت پره‌های جت بودند، با پیشرفت شهرنشینی و حضور مردم در شهرها احتیاج به برق بیشتر از همیشه حس می‌شد؛ از این رو نیاز بود توربین‌های بزرگ‌تری ساخته شود تا انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل کند.
برای ساخت چنین توربینی به فلزی قوی‌تر از فولادهای معمولی احتیاج بود، لذا دانشمندان و طراحان با ترکیب مختلف عناصر موفق به ساخت فلزات گران‌بهایی دست پیدا کردند که سوپرآلیاژ نام گرفت. ابرآلیاژها مقاومت بیشتری در برابر نیروهای وارده به اجسام داشتند و بیشتر می‌توانستند ترکیب خود را حفظ کنند.
امروزه سوپرآلیاژها نقش بسیار مهم در صنعت ایفا می‌کنند، وسعت و تنوع این گروه از فلزات بسیار زیاد است و هر روز متخصصان در حال کشف سوپرآلیاژهای جدیدتری هستند. از ساخت مخزن شاتل‌های فضایی تا ساخت پروتزهای مخصوص پزشکی امروزه آلیاژها نقش اساسی بازی می‌کنند.

سوپرآلیاژها که از ترکیب چند فلز با یکدیگر به وجود می‌آیند، از نظر شیمیایی به سه گروه بر اساس فلز پایه که شامل آهن، نیکل و کبالت است، تقسیم می‌شوند. همه ابرآلیاژها ساختار شیمیایی کریستالی CCF دارند که همین موجب افزایش استحکام سوپرآلیاژها می‌شود.

سوپرآلیاژ چیست و انواع آن

سوپرآلیاژ یا آلیاژ دما بالا به آلیاژهایی گفته می‌شود که در کسری بالاتر از دمای ذوب خود نیز امکان فعالیت دارد، مقدار این کسر یک‌سوم دمای ذوب است. یعنی اگر دمای ذوب یک فلز ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد باشد، سوپرآلیاژ همین فلز تا دمای ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد نیز می‌تواند خواص فیزیکی خود را حفظ کند.
گروه هشتم جدول تناوبی شامل عنصری چون آهن است که به عنصر واسطه معروف است و می‌تواند با فلزات دیگر به‌راحتی ترکیب شود. معمولا از این عناصر برای کارکرد در محیط‌هایی با دمای بالا و اکسیدکننده استفاده می‌شود.
آهن یکی از فلزات این گروه است که عنصر اصلی در تولید فولاد به شمار می‌رود، آهن و کربن با یکدیگر ترکیب شده و فولاد به دست می‌آید.
فولاد یک آلیاژ آهنی است که از استحکام کمتری نسبت به فولادهای سوپرآلیاژی برخوردار است. استفاده از تیرآهن، فولاد و چدن در صنایع پایین‌دستی بیشتر کاربرد دارد و لذا نرخ فروش این فلزات مثل قیمت تیرآهن در داخل کشور انجام می‌شود؛ اما ابرآلیاژها یک بازار جهانی دارد که قیمت‌گذاری آن صرفا بر اساس نرخ جهانی تعیین می‌شود.
سوپرآلیاژها در طبیعت وجود خارجی نداشته و بیشتر آن‌ها اختراع شده‌اند، این سوپرآلیاژها که از ترکیب چند فلز با یکدیگر به وجود می‌آید بر اساس عنصر غالب شیمیایی شکل می‌گیرد. از لحاظ شیمیایی می‌توان سه گروه سوپرآلیاژ را دسته‌بندی کرد:

• سوپرآلیاژ نیکل
• سوپرآلیاژ کبالت
• سوپرآلیاژ آهن

ساختمان اتمی این سوپرآلیاژها یک ساختار کریستالی دارد که به شبکه مکعبی بوده و به آن ساختار مکعبی مرکزپر گفته می‌شود و با علامت اختصاری FCC نمایش داده می‌شود. در این ساختار کریستالی هر اتم به صورت یک مکعب در نظر گرفته می‌شود که در مرکز و وجوه آن یک اتم قرار می‌گیرد. چنین ساختار کریستالی موجب می‌شود تا فلزات دیرتر از هم گسیخته شده و مقاومت بالاتری در تنش‌های محیطی از خود نشان دهند.

 

انواع سوپرآلیاژ

سوپرآلیاژها مانند هر فلز دیگر به گروه‌های مختلف تقسیم می‌شود. متخصصین گروه‌بندی سوپرآلیاژ را به دو روش انجام می‌دهند.

گروه‌بندی شیمیایی

در این گروه‌بندی نوع ترکیب عناصر با یکدیگر مدنظر است و بر این اساس سوپرآلیاژ به سه گروه مختلف تقسیم می‌شود.

سوپرآلیاژ پایه نیکل: عنصر زمینه نیکل بوده و بسیاری از ترکیب‌های آلیاژی از این فلز ساخته می‌شود.
سوپرآلیاژ پایه کبالت: بر اساس کبالت آلیاژ شکل می‌گیرد کم‌ترین نوع سوپرآلیاژ مربوط به گروه کبالت است.
سوپرآلیاژ پایه آهن: آهن عنصر اصلی است و با ترکیب نیکل و کروم و گاه کبالت سوپرآلیاژهای فولادی به دست می‌آید.

گروه‌بندی از نظر روش تولید

هر کدام از سوپرآلیاژها به شکل متفاوتی تولید می‌شود که بسته به روش تولید به چهار گروه تقسیم می‌شود:

• کارپذیر
• متالورژی پودر
• پلی کریستال ریختگی
• تک کریستالی انجماد جهت‌دار

 

ابرآلیاژ آهنی چیست و ویژگی‌های آن

از جمله فلزات، که سطح وسیعی در جهان از آن استفاده می‌کنند فلز آهن است، امروزه کاربری آهن برکسی پوشیده نیست و می‌توان موارد زیادی را نام برد که آهن در ساخت آن نقش دارد، از این رو دستیابی به استحکام قوی‌تر آهن همیشه مدنظر بوده است.
فولاد و چدن از جمله آلیاژهای متداول در صنایع فلزی هستند که در ساختمان‌سازی و صنعت راهسازی استفاده می‌شود. با توجه به سرعت رشد علمی جهان که همواره ایده‌های جدید شکل می‌گیرد (گردش در فضا) نیاز است تا برای تحقق ایده‌ها از فلزات قوی‌تر استفاده شود.
سوپرآلیاژ آهن یکی از این عناصر است که با ترکیب فلزاتی چون کروم، نیکل و کبالت به دست می‌آید. سوپرآلیاژ آهن شاخه‌ای از فولاد زنگ‌نزن آستنیتی بوده که دارای ساختار کریستالی FCC است.
فولاد زنگ‌نزن آستنیتی اصولا از ترکیب سه‌تایی Fe-Cr-Ni تشکیل شده که در ساختار این ترکیب ۱۶-۲۰ درصد نیکل و ۷-۲۰ درصد کروم قرار گرفته است. آهن موجود در این ترکیب آهن فاز گاما نام دارد که به آستینت معروف است. در فشار آتمسفریک، سه آلوتروپی از آهن وجود دارد که عبارت است از:

• آهن آلفا: این آهن، در دمای پایین‌تر از ۹۱۲ درجه سانتی‌گراد به‌دست می‌آید و به آهن فریتی معروف است.
• آهن گاما: در زمان خنک‌شدن آهن تا دمای ۱۳۹۴ درجه سانتی‌گراد شکل می‌گیرد و به آهن آستنیتی شکل می‌گیرد.
• آهن دلتا: خنک شدن آهن مذاب در دمای درجه موجب آهن فاز دلتا می‌شود.

سوپرآلیاژ آهنی حاصل ترکیب آهن گاما با دیگر فلزات است. ابرآلیاژ آهنی با درجه حرارت بالا و مقاومت در برابر خمیدگی، کاهش اکسیداسیون و خوردگی یکی از پرکاربردترین سوپرآلیاژها در صنعت هستند.
از سوپرآلیاژ پایه آهن می‌توان به گروه اینکولوی اشاره کرد؛ باید توجه داشت که این ابرآلیاژ معمولا با گروه اینکونل اشتباه گرفته می‌شود. اینکولوی یک ابرآلیاژ آهنی است که از ترکیب آلیاژ نیکل_آهن_کروم تشکیل می‌شود و اینکونل یک آلیاژ نیکلی است که از ترکیب نیکل_کروم به دست می‌آید و مقاومت بالاتری در تنش حرارتی دارد. سوپرآلیاژ اینکولوی مقاومت عالی در برابر آب دریا دارد و می‌تواند در محیط‌های حاوی کلرید زیاد فعالیت کند. میدان‌های نفتی و گازی یکی از محیط‌های کلریدی است.

 

 

خواص سوپرآلیاژ آهنی

• این نوع از ابرآلیاژ در برابر دمای بسیار بالا بسیار چندان مقاوم نیست.
• مقاومت این فلزات در برابر خوردگی بسیار بالا است از سوپرآلیاژ آهن نیکل برای تولید فولاد زنگ نزن استفاده می‌شود.
• روش تولید سوپرآلیاژ آهنی نسبت به دیگر ابرآلیاژها کم هزینه‌تر است.

خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی سوپرآلیاژها

چرا باید خواص فیزیکی ابرآلیاژ را بدانیم یا چه لزومی دارد خواص شیمیایی سوپرآلیاژ را بدانیم؟ دانشمندان امروزه به فکر ساخت موشک‌های فضاپیما هستند که بتواند انسان را به تورهای گردشگری فضایی ببرد ساخت چنین دستگاهی نیازمند آن است که قطعاتی در ساخت فضاپیما انتخاب شود که از نظر تحمل فشار و دما، تاب‌آوری بالایی داشته باشد، لذا مهندس طراح لازم است با خواص فیزیکی مکانیکی و شیمیایی سوپرآلیاژها آشنا باشد و بتواند طبقه‌بندی ابرآلیاژ را به درستی انجام دهد؛ اما سوپرآلیاژها خواص یکسانی ندارند یعنی هر آلیاژ خواص فیزیکی شمیایی و مکانیکی منحصربه‌فرد خود را دارد، به طور مثال سوپر آلیاژ A286 که یک ابرآلیاژ آهنی است، خواص زیر را دارد.

خاصیت فیزیکی سوپرآلیاژ A286 عبارت است از:

• چگالی ۷/۹۱ گرم بر سانتی‌مترمکعب
• نقطه ذوب ۱۳۹۱ درجه سانتی‌گراد

جدول زیر خواص مکانیکی سوپرآلیاژ A286 را نشان می‌دهد.

حال همین ویژگی‌ها در سوپرآلیاژ هستلوی C276 که آلیاژی برپایه نیکل است بررسی می‌شود.

 

خاصیت فیزیکی سوپرآلیاژ C276 عبارت است از:

• چگالی ۸/۹۱ گرم بر سانتی‌مترمکعب
• نقطه ذوب ۱۳۲۵ درجه سانتی‌گراد

جدول زیر خواص مکانیکی سوپرآلیاژ C276 را نشان می‌دهد.

 

همان‌طور که مشاهده می‌شود ساختار سوپرآلیاژها با یکدیگر کاملا متفاوت است و نمی‌توان خاصیت یکسانی برای آن‌ها به طور دقیق ذکر کرد، ضمن‌ آن‌که داده‌های فوق نیز در هر کشور متفاوت است، داده‌های فوق برحسب استاندارد آمریکا بیان شده است؛ اما این احتمال دارد که در استاندارد دیگر خصوصیات فیزیکی و مکانیکی با یکدیگر متفاوت باشد، برای همین اگر قرار بر نوشتن خواص ابرآلیاژها باشد می‌توان به خواص پارامتری مشترک اشاره کرد.

• همه سوپرآلیاژها ساختار شیمیایی کریستالی CCF دارند که همین موجب افزایش استحکام سوپرآلیاژها می‌شود.
• یکی از عوامل مهم در استحکام ابرآلیاژها استحکام خزشی است. زمانی که سوپرآلیاژ در دمای بالا قرار می‌گیرد، فلز دچار ازدیاد طول می‌شود و اگر این ازدیاد طول بیشتر از حد باشد. گسیختگی بوجود می‌آید. برای همین اگر ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژها به درستی شکل بگیرد، استحکام خزشی زیاد می‌شود. ترکیب شیمیایی صحیح سوپرآلیاژها در مرحله تولید اتفاق می‌افتد که برای تولید سوپرآلیاژ با استحکام خزشی بالا از ریختگی استفاده می‌شود.

فولادهای سوپرآلیاژی و انواع آن

فولاد از ترکیب آهن و کربن به دست می‌آید، اما همه فولادها خواص قابل قبول برای کاربری در بخش‌های مختلف صنعت و ساختمان را ندارد و باید از استحکام بیشتر و خوردگی کمتری برخوردار باشند، به‌خصوص فولادی که در بخش‌های دریایی به کار می‌روند.
لذا متخصصان متالورژیست برای رفع عیوب فولادهای نرم عناصر دیگری را به کار گرفتند تا فلزاتی مانند فولاد به دست آید. سوپرآلیاژهای فولادی که از ترکیب نیکل و کروم به دست می‌آید و برخی محصولاتی که بر پایه تیتانیوم تولید می‌شود، همگی جزیی از سوپرآلیاژهای فولاد هستند. این سوپرآلیاژها از جمله به روش‌های مختلف تولید می‌شوند و خواص متفاوتی نیز دارند.

 

فولاد سوپرآلیاژی مارایجینگ ۳۵۰ با روش ذوب تحت خلا با استفاده از قوس الکتریکی VAR و ذوب القایی VIM به دست می‌آید یکی از این سوپرآلیازها است. اینکونل ۶۰۰ نوع دیگری از فولاد سوپرآلیاژی است که به روش نورد سرد تولید می‌شود. روش‌های متفاوت، ترکیب شیمیایی متفاوت منجر به تولید ابرآلیاژهای متفاوت می‌شود.

انواع فولاد سوپرآلیاژی

 

فولاد سوپرآلیاژی اینکونل (Inconel): زمانی که استفاده از فولاد زنگ‌نزن ثمری ندارد از اینکونل استفاده می‌شود. ترکیب شیمیایی این ابرآلیاژ نیکل، کروم، مولیبدن و نیوبیوم است. نیکل موجود در این سوپرآلیاژ از گروه نیکل آستنیتی است که برای استفاده در دمای بالا مناسب است. گروه اینکونل به اکسیداسیون و فوق‌العاده در برابر خوردگی مقاوم هستند. نیوبیوم موجود در ترکیب اینکونل باعث استحکام بیشتر می‌شود. فلز نیوبیوم در روش تولید پیرسختی در محلول آلیاژ رسوب کرده و موجب استحکام سوپرآلیاژ می‌شود.

فولاد سوپرآلیاژی ماراجینگ (Maraging): این سوپرآلیاژ فولادی که از ترکیب نیکل و آهن به دست می‎آید، در ترکیب شیمیایی آن از فلزاتی چون کبالت، مس، آلومینیوم و تیتانیوم استفاده می‌شود. این آلیاژ از فولادهای کربن‌پایین بوده که به دلیل کربن کم بسیار انعطاف‌پذیر است. فولاد مارایجینگ از روش ذوب و ریختگری، پیرسازی و نورد گرم به دست می‌آید.

فولاد سوپرآلیاژی هاستلوی (Hastelloy): یکی دیگر از سوپرآلیاژهای فولادی هستلوی است. این آلیاژ نیز برپایه نیکل بوده و در ترکیب شیمیایی آن از موادی چون نیکل کروم و آهن استفاده می‌شود. اصولا سوپرآلیاژهای پایه نیکل به دلیل وجود نیکل دارای خصوصیات متفاوتی چون مقاومت در دمای بالا و در برابر خوردگی از خود بروز می‌دهند. این ابرآلیاژ به روش پیرسختی تولید می‌شود.

فولاد سوپرآلیاژی داپلکس (Duplex): این سوپرآلیاژ به steel2205 معروف است و عنصر کروم در این سوپرآلیاژ بیشتر از نیکل است و کلا این ابرآلیاژ بر پایه آهن است. داپلکس به دلیل داشتن کروم بالا برای تولید قطعاتی که در آب به کار می‌روند بهتر است. این فولاد در برابر اسیدفرمیک و اسیداستیک مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی دارد.

فولاد سوپرآلیاژی نایمونیک (Nimonic): یک سوپرآلیاژ ساخته شده توسط شرکت Special Metals Corporations است. ترکیب شیمیایی این سوپرآلیاژ ۵۰ درصد نیکل و ۲۰ درصد کروم است و از فلزاتی دیگر نیز مثل تیتانیوم در ترکیب آلیاژ استفاده می‌شود. کاربرد این ابرآلیاژ در ساخت قطعات هواپیما، ابزارهای کارگرم، دریچه‌های خروجی موتورهای جت است.

کاربردهای سوپرآلیاژ

ابرآلیاژ هستلوی X یک سوپرآلیاژ بر پایه نیکل است که ریزساختار آستنیتی دارد و در زمینه آن ذرات ریزکارپید توزیع شده است، از این سوپرآلیاژ در موارد زیر استفاده می‌شود.

• کوره‌ها صنعتی
• لاینر احتراق
• تجهیزات پتروشیمی
• اگزوز توربین

ابرآلیاژ اینکونل ۶۰۰ نیز یک سوپر آلیاژ دیگر بر پایه نیکل است که برای تقویت در برابر خواص اکسایشی استفاده می‌شود از این سوپرآلیاژ در صنعت هوافضا و قطعات موتور و بدنه هواپیما استفاده می‌شود.
هدف از طرح مطلب بالا، بیان این مطلب بود که نمی‌توان یک کاربرد برای ابرآلیاژها نوشت و نمی‌توان نگاه کلی به آن داشت. مثلا در زمینه اینکنول ۶۰۰ تنها در یک بخش موتور هواپیما از آلیاژ اینکونل استفاده می‌شود و همان یک قطعه اگر فلز دیگر جایگزین شود، احتمال عدم تاب‌آوری بسیار زیاد است.
برای همین در این مقاله از ذکر کاربری عام برای سوپرآلیاژ صرفه‌نظر کرده و صرفا کاربرد چند سوپرآلیاژ معروف نوشته می‌شود.

 

وضعیت ساخت سوپرآلیاژها در ایران

تولید فولاد در جهان سالانه حدود یک میلیون تن است، در حالی که تولید سوپرآلیاژها ۰/۲۸ میلیون تن می‌باشد؛ با وجود میزان سرمایه کسب شده در صنعت فولاد به میزان یک میلیارد دلار در جهان، درآمد سوپرآلیاژها در جهان ۴ میلیارد دلار است. این اعداد اهمیت درآمد سوپرآلیاژ را به ما نشان می‌دهد.
سهم ایران در بازارهای جهانی سوپرآلیاژها بسیار ناچیز است و تولید سوپرآلیاژهای ایرانی تنها کفاف کشور خود را می‌دهد. این درحالی است که به شکل خوش‌بینانه میزان نیاز کشور به ابرآلیاژها تا سال ۲۰۳۰ بیشتر از ۲/۵ کیلوتن بوده که امروزه تولید ایران بسیار کمتر از حد معمول است، لذا باید به دنبال توسعه این زیرساخت حیاتی بود.
برنامه توسعه ششم که دیدگاه کاملا صادراتی نگارش شده، یکی از اولویت‌های خود را بر روی صادرات محصولات معدنی فرآوری شده گذاشته است. با توجه به اینکه تولید ابرآلیاژ در یک واحد کوچک صنعتی نیز امکان‌پذیر است و با توجه به حضور شرکت‌های دانش‌بنیان در کشور، انتظار می‌رود در سال‌های آینده تولید سوپرآلیاژ در کشور بیشتر از حد معمول شود.
برای رسیدن به تولید ایده‌آل نیاز است چند اتفاق در کشور شکل بگیرد:

1. بومی‌شدن صنعت متالورژی تحت خلا جهت ارتقای تکنولوژی تولید مواد اولیه
2. کامل نمودن چرخه تولید ابرآلیاژ از ماده اولیه تا محصول در کشور
3. کشف و استخراج معادن Mo و Re

دایر نمودن یک خط تولید سوپرآلیاژ در کشور نیازمند سرمایه‌گذاری ۳۵ میلیون دلاری است که با توجه به درآمد هنگفت این محصول صرفه اقتصادی بسیار بالایی دارد و طبق محاسبات متخصصان سوددهی این سرمایه‌گذاری بالای ۵۰ درصد است.
امروزه دو شرکت فولاد اسفراین و شرکت وابسته به وزارت دفاع تولید سوپرآلیاژهای فولادی را به عهده گرفته‌اند که با توجه به تنوع و استفاده زیاد از این سوپرآلیاژها می‌توان چشم‌انداز روشنی برای این صنعت انتظار داشت.

کلام پایانی

ابرآلیاژ گستره زیادی در صنعت دارد و می‌تواند بسیاری از مشکلات ساخت را حل کند، تولید دستگاه‌هایی که بشر به خاطر عدم مواد اولیه آن را تا امروز اجرایی نکرده است، می‌توان با سوپرالیاژ آن را اجرایی کرد. امروزه ده کشور صنعتی تولیدکننده بزرگ ابرآلیاژ در جهان هستند و بازار این محصول را در اختیار دارند یکی از مشکلات امروز ایران در ساخت هواپیماهای جنگی دسترسی نداشتن به ابرآلیاژ است.
کشور ما امروزه برای خرید فولاد سوپرآلیاژی دچار مشکل است و به دلیل تحریم نمی‌تواند این فلزات را وارد کشور کند و برای همین ناچار به واردات تجهیزات از دیگر نقاط جهان هستیم. عده زیادی اطلاع کافی از این تحریم‌ها نداشته و نمی‌دانند که کشور از چه امکاناتی محروم شده است. اگر شما درباره تحریم و عدم دسترسی به ابرآلیاژ اطلاع دارید، دانش و اطلاعات خود را با دیگران به اشتراک بگذارید.