فایل ورد کامل کاربردهای اصلی نیکل در صنایع مختلف

فهرست
فصل اول-متالوژی نیکل   
۱-مصارف مهم نیکل   
۲-تهیه فولادهای نیکلی ضدزنگ وآلیاژهایش   
الف)انرژی الکتریکی و هسته ای   
ب)کاتالیزور   
ج)حفاری   
د)ضایع دریایی   
هـ)کاربردهای دیگر   
۳-تاریخچه نیکل وآلیاژهای آن   
۴-مشخصات  کلی آن   
۵-کانی های نیکل   
الف)کانی های سولفیدی   
ب)پیرونیت نیکل دار   
۶-معرفی وکاربردها سوپر آلیاژها   
۱-سوپر آلیاژهای کارپذیر   
۲-سوپر آلیاژهای متالوژی پودر   
۳-سوپر آلیاژهای پلی کریستال ریختگی   
۴-سوپر آلیاژهای تک کریستالی انجماد جهت دار   
الف) سوپر آلیاژهای پایه نیکل   
ب)سوپر آلیاژهای پایه آهن   
ج)سوپر آلیاژهای پایه کبالتی   
۷-بازار سوپر آلیاژها    
فصل دوم
۱-آلیاژهای بکار رفته در پره های توربین ها   
۲-خلاصه ای از مشخصات سوپر آلیاژهای پایه نیکلی   
۳-ترکیبات شیمیایی سوپر آلیاژهای پایه نیکلی   
۴-میکروساختارهای سوپر آلیاژهای پایه نیکل   
۵-بررسی مزر دانه ها   
۶-کاربیدها   
-واکنشهای کاربیدی   
۷-عملیات حرارتی سوپر آلیاژهای پایه نیکل   
۸-تاثیر عناصر آلیاژی بر پایه ای سطحی سوپر آلیاژهای پایه نیکل   
۹-تاثیر عناصر آلیاژی بر خوردگی داغ و اکسیداسیون   
فصل سوم
۱-ارزیابی جوش پذیری آلیاژها   
۲-مواد وروشهای آزمایشی   
۳-نتایج آزمایش    
۴-نتیجه گیری   
۵-مشکلات موجود در جوشکاری سوپر آلیاژها   
الف-ترک ناحیه ذوب وترک ناحیه HAZ   
ب-ترک عملیات حرارتی پس از جوش   
ج-تاثیر آلودگی در کیفیت جوش   
د-ترک خستگی حرارتی   
۶-معرفی اجمالی متالوژی جوش سوپر آلیاژها   
۷-نکات مهم در جوشکاری سوپر آلیاژها   
۸-محدودیت های جوشکاری   
۹-محدودیت های کاربردی پره های متحرک   
۱۰-قابلیت جوش پذیری سوپر آلیاژ IN 738   
۱۱-مکانیزم های بوجود آورنده ترک   
فصل چهارم پوشش دهی
۱-تاثیر پارامترهای پوشش دهی سوپر آلیاژIN738           
۲-مقدمه   
۳-روش آزمایش
۴-نتایج
۵-نتیجه گیری

مقدمه:
با توجه به رشد روز افزون بازار توربین های گازی در سطح دنیا ونیاز به تعمیرات قطعات توربینها باعث شد تا صنعت تعمیرات به صورت جدی واصولی در ایران پی گیری شود و چون تعمیرات قطعات داغ توربین ها که جنس آنها از سوپر آلیاژها می باشند با مشکلاتی همراه می‌باشد ویک سری دستورالعمل خاص خود را می طلبد که باید با روشهای استاندارد وکنترل شده ای تعمیرات روی آنها صورت گیرد که فعلا در ایران در شرکت قطعات توربین شهریار به روش جوشکاری TiG انجام می گیرد که در آینده پیش بینی می شود از پروسه جوشکاری لیزر نیز استفاده گردد.
در تمام سوپر آلیاژهای در تولید با مشکلاتی مواجه می باشیم که نیاز را برای تعمیرات ضروری نمود از آن جمله سوپر آلیاژ IN738 می‌باشد که در این پروژه به نکات مهم در جوشکاری این سوپر آلیاژ پرداخته ایم.

فصل اول
۱- مصارف مهم نیکل عبارتند از:
تهیه فولادهای ضدزنگ، آلیاژهای ویژه (آلیاژ نقره و نیکل جهت ساخت لوازم خانگی)، آب کاری کروم و ضرب مسکوک و نمک های نیکل مصارف شیمیایی داشته و در برخی باتری ها کاربرد دارد.
۲- تهیه فولادهای نیکلی ضدزنگ و آلیاژها:
در حدود ۶۵% نیکل مصرف شده در جهان غرب برای ساخت فولاد ضد زنگ Austenitic استفاده شده است و ۱۲% برای سوپرآلیاژها (آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مانند آلیاژ نقره آلمانی که شامل آلیاژ- Ni- Zn-Cu می‌باشد) استفاده می شود. فولاد نیکل برای صفحات حفاظتی (دفاعی) و گار صندوق های ضد سرقت استفاده می شود.
اهمیت نیکل در توانایی و قابلیت های آن نهفته است که به هنگام ترکیب با دیگر عناصر برای ساختن آلیاژ، مقاومت و استحکام فلز و نیز مقاومت در برابر خوردگی آن را در بازه گسترده ای از دما، افزایش می‌دهد. این فلز در صنعت آهن و فولاد ضروری است و آلیاژهای نیکل دار نقش کلیدی را در توسعه مواد مورد نظر در صنایع هوافضا ایفا می کنند. تولید سالیانه این فلز از ۱۰۳*۲۰ تن در سال ۱۹۲۰ تا ۱۰۳*۷۵۰ در سال ۱۹۷۶ افزایش یافته است که بطور متوسط سالیانه رشدی برابر با ۳% داشته است. اما، در بین سالهای ۱۹۷۶ تا ۱۹۸۶ هیچ تغییر محسوسی در تولید یا مصرف این فلز رخ نداده است و مصرف جهانی نیکل در سالهای ۱۹۸۱ و ۱۹۸۲ کاهش یافته و به ۶۵۰۰۰۰ تن در سال رسیده است. ذخیره تعیین شده نیکل بیش از مقدار مورد نیاز است و میتواند برای سالهای متمادی همین سقف تولید را داشت.
تولید استیل بیش از ۵۰ درصد نیکل را مصرف می‌کند و آلیاژهای آهنی و آلیاژهای مبتنی بر پایه نیکل در مقام های بعدی مصرف نیکل جای دارند. آبکاری تنها ۱۱% از نیکل تولیدی را مورد استفاده قرار می‌دهد. محصولات حاصل از آن عبارتند از استیل که در ظرفشویی ها، لباسشویی ها، ظروف آشپزخانه و نیز بخش های آبکاری شده با نیکل برای دوچرخه،موتور سیکلت، جواهر آلات، فریم عینک، وسایل موسیقی که   نیکل تولیدی را مصرف می کنند. مقاومت بالای استیل نیکل دار، وزن سبک آنها و هزینه نگهداری اندک آنها منجر به رشد فزاینده مصرف آنها در تانکرها و قطارها در زمینه ساخت و ساز و ماشین آلات شده است.
در دهه هفتاد، مصرف نیکل در صنایع خودرو سازی به شدت افت کرد که به علت کاهش مصرف میانگین آن در اتومبیل ها از ۲ کیلوگرم در سال ۱۹۷۰ به ۵/۰ کیلوگرم در سال ۱۹۸۵ بود. صنایع شیمیایی چهارمین بازار بزرگ مصرف نیکل را دارد که برای تولید استیل بکار می رود.
صنعت ساخت و ساز، صنایع الکترونیک هر یک ۶% مصرف نیکل سال ۱۹۸۷ را به خود اختصاص دادند. مصرف استیل در ساختمان سازی رو به افزایش است، زیرا در تجهیزات مربوط به به غذا و تجهیزات کنترل محیط زیست مصرف می شوند نرخ رشد مصرف نیکل در صنایع الکترونیک بیش از ۱۰ درصد در سال است. آلیاژ ۴۲، که یک آلیاژ- نیکل- آهن است، کاربرد فراوانی در چهارچوبه های سربی دارد، حال آنکه، آلیاژ مس- نیکل- قلع ۷۲۵۰۰ C، در فنرها، گیره کاغذ و پایانه ها مصرف می شود.
امروزه آلیاژهای مس، نیکل با ۷۵ درصد مس و ۲۵ درصد نیکل کاربرد گسترده ای یافته اند، هرچند که کانادا، هلند و جمهوری آفریقایی جنوبی هنوز از سکه های نیکل خالص استفاده می کنند زیرا که از دوام بیشتری برخوردار است.
در صنایع هوافضا، نیکل یک عنصر کلیدی در ابر آلیاژهاست که در برابر تنش و خوردگی در دمای CO 1000 و بیشتر مقاومت می‌کند. این مواد در موتورهای توربین گاز مورد استفاده قرار می گیرند.
الف- انرژی الکتریکی و هسته ای:
در صنعت برق و تولید نیرو، استیل های نیکل دار کاربرد گسترده ای در نیروگاههای هسته دارند و کاربرد روز افزونی در سیستم های زدایشگر برای زدایش دی اکسید گوگرد از نیروگاههای زغالی، نفتی و گازی دارند.
ب- کاتالیزور:
مواد شیمیایی نیکل دار در تولید کاتالیزورهای نیکل مصرف می شوند که در هیدروژنه کردن روغن نباتی، در تصفیه روغن های سنگین، تشدید کننده های سرامیک و نمک نیکل در آبکاری بکار می رود. نیکل در قطعات ریز تقسیم شده یک کاتالیزور برای نفت‌های هیدروژنی است.
ج- حفاری:
مواد نیکل دار در صنعت نفت از سرمته حفاری تا لوله کشی و مخازن فرآوری طرح‌های پتروشیمی و ساخت سکوهای نفتی دریایی ایفا می کنند.
د- صنایع دریایی:
در صنایع دریایی، مواد نیکل دار در کشتی ها و پروژه های شیرین سازی آب شور دریا بکار می روند.
هـ -کاربردهای دیگر:
۲۳% باقی مانده مصرف در باتریهای شارژ مجدد (مانند باتریهای هیدرید فلزی نیکل و باتریهای کادمیوم نیکل)، کاتالیزورها، آزمایشگاه های شیمیایی در بوته ها. محصولات شیمیایی دیگر، ضرب سکه و ریخته گری و آبکاری الکتریکی تقسیم شده است.
نیکل خاصیت مغناطیسی دارد و می تواند با مقادیر زیادی کبالت همراه شود و این دو در آهن متئوریتی یافت می شوند. این فلز نفوذپذیری مغناطیسی بالایی دارد و برای نشان دادن میدان های مغناطیسی استفاده می شود مانند آلیاژ Alnico در مغناطیس استفاده می شود.
ضرب سکه در ایالات متحده و کانادا که نیکلی که در ساخت سکه های سنتی استفاده می شود nickles می گویند.
 
۳- تاریخچه:
استفاده از نیکل می تواند در بیشتر از (BC 3500 سال قبل از میلاد) ردیابی شود. برنز در جایی که اکنون Syria نام دارد، محتوای نیکل بالاتر از ۲% نشان می‌دهد.
در بیشتر نسخه های خطی چینی، مس سفید مشاهده شده است که در مشرق زمین بین ۱۴۰۰ تا ۱۷۰۰ است. اما از آن جایی که کانسارهای نیکل به آسانی با کانسارهای نقره اشتباه گرفته می شود پس از درک این فلز و زمانهای استفاده از آن ضروری می‌باشد.
کانه های حاوی نیکل مانند Kupfernickle نیکلین یا مس دروغین یا کاذب بود که ارزش آن بخاطر شیشه رنگی سبز بود.
در سال ۱۷۵۱، Baron Axel Fredrik Crostedt تلاش نمود تا مس را از Kupfernickle استخراج نماید (که حالا نیکولیت نامیده می شود) و در عوض یک فلز سفید بدست می آید که نیکل نام دارد. سکه نیکل اولیه فلز خالصی بود که در سال ۱۸۸۱ ایجاد شد.
تصور می شود که نیکل از واژه “kupfer Nickle” گرفته شده باشد که معدنکاران قرون وسطای ساکسون به کانی ای که به اشتباه آنرا کانه مس می پنداشتند ولی نمی توانستند از آن مس استحصال کنند اطلاق می شد ولی این کانی آرسنید نیکل یا نیکولیت (NiAs) بود.
برای نخستین بار، کانی شناس سوئدی اکسل کرونستد در سال ۱۷۵۱، نیکل را بصورت یک فلز جدا کرد که این عمل در حین مطالعه گرسدورفیت (NiAsS) معدن Los سوئد اتفاق افتاد. موقعیت نیکل بعنوان یک عنصر مستقل در سال ۱۷۷۵ توسط توربرن برگمان و همکارانش تأیید شد اما این مسئله تا سال ۱۸۰۴ که جرمیس ریشتر یک نمونه نسبتاً خالص از فلز را بدست آورد و خواص آنرا توصیف کرد، بطور جدی مطرح نشده بود.
آلیاژهای نیکل دار را مدتها پیش از کرونستد بکار می بردند. چینی ها برای سده های متمادی از مس سفید (۴۰% مس، ۳۲% نیکل، ۲۵% روی و ۳% آهن) که ظاهری نقره‌ای داشت، استفاده می کردند. این مواد در اواخر قرن هیجده به مقدار کمی در اروپا استفاده می شود. بعلت بهای آن که   بهای نقره است، این آلیاژ توانایی بالقوه ای دارد تا جانشین نقره شود. تا دهه ۱۸۳۰، آلیاژهای مس، نیکل، روی که بنام نقره آلمانی شهرت داشتند و پس از آن آلیاژ نیکل نقره در حد تجاری و کلان در آلمان و انگلستان به میزان فراوانی تولید می شدند. علاوه بر رنگ نقره ای آن، قالبگیری و کار کردن آن ساده بود، در برابر هوازدگی مقاومت می کرد و تولید اقتصادی بود. تغییر و ابداع چشمگیر بعدی در سال ۱۸۵۷ رخ داد که در آن هنگام آمریکا سکه های مس، نیکل ضرب کرد (دارای ۱۲% نیکل) و دیگر کشورها از آن تقلید کردند.
در اواسط دهه ۱۸۰۰، نیکل به میزان کمی از کانه های سولفیدی معادن آلمان، نروژ، سوئد و روسیه تولید می شد. هر چند که نیکل فلزی خالص برای نخستین بار در سال ۱۸۳۸ در آلمان تولید شد، تولید جهانی نیکل تا سال ۱۸۷۶ کمتر از ۱۰۰۰ تن در سال بود.
در فاصله سالهای ۱۸۸۰-۱۸۷۰، وقتیکه پارکز، ماربو و رایلی کاربرد آنرا در تهیه آلیاژ نشان دادند و فلایت مان موفق به تهیه نیکل چکش خوار شد و آبکاری با نیکل با موفقیت انجام شد، تقاضا برای نیکل به یکباره افزایش یافت. اولین ورق زره فولاد نیکل در سال ۱۸۸۵ در فرانسه و پس از مدت کوتاهی در ایتالیا، انگلستان و آمریکا ساخته شد. در اوایل ۱۸۹۰ خصوصیات مناسب فولادهای نیکل در نیروی دریایی منجر به تقاضای شدید برای نیکل شد.
در سال ۱۸۶۳، پیر گارنیر، کانه های اکسید نیکل نیوکالدونیا را کشف کرد و از سال ۱۸۷۵ این جزیره فرانسوی، بزرگترین تولید کننده نیکل شد که تا سال ۱۹۰۵ که جزء کانادا شد، این مقام را همچنان حفظ کرد. استخراج کانه های سولفیدی حوضه سادبری در اونتاریوی کانادا از سال ۱۸۸۶ آغاز گشت و این پیکره های معدنی، مهمترین ذخیره‌های نیکل جهان را برای عرضه به بازارهای جهانی برای زمان طولانی از قرن بیستم در اختیار داشتند. حتی در سال ۱۹۵۰، منطقه سادبری ۹۵% نیکل دنیای غرب را تأمین می کرد. از آن زمان به بعد، جایگاه رفیع کانادا رو به افول نهاد و تا سال ۱۹۸۰، نیکل برای مدت طولانی در طول قرن بیستم از این منطقه معدنکاری، ذوب و پالایش (خالص سازی) می شد.
تا پایان جنگ جهانی اول، نیکل صرفاً برای مقاصد نظامی بکار می رفت، اما پژوهش‌های فراوان بین دو جنگ جهانی، در زمینه استفاده های احتمالی صنعتی نیکل، به کار بردهای نوین فراوانی انجامید. در دهه ۱۹۹۰، هزاران آلیاژ نیکل مورد استفاده قرار می گرفت که میزان نیکل آنها بین ۹۹% تا ۱% (برای سخت کردن فولاد) تغییر می کرد.

۴- مشخصات:
تصور می شود که نیکل از واژه آلمانی Kupfernickel به معنای مس سفید گرفته شده است. نماد عنصر نیکل Ni بوده و با عدد اتمی ۲۸ می‌باشد. نیکل بیستمین عنصر فراوان در پوسته زمین است و فراوانی نیکل در پوسته زمین ۰۲۰/۰% می‌باشد. نیکل فلز سفید- نقره ای رنگی است که دارای صیقل (جلا) است. این فلز در گروه آهن بوده و سخت، قابل انعطاف و شکل پذیر است.

۵- کانی های نیکل:
نیکل در طبیعت به طور خالص یافت نمی شود برخی کانیهای نیکل دار موجود در معادن نیکل نسبتاً کمیاب هستند و از این میان فقط پنتلاندیت، گارنیریت و لیمونیت نیکل دار اهمیت اقتصادی دارند. واژه گارنیریت را معمولاً به مخلوطی از سیلیکاتهای نیکل دار با میزان متفاوتی از نیکل اطلاق می کنند و می تواند مخلوط کلوئیدی از سیلیس و هیدروکسید نیکل باشد. لیمونیت نیکل دار واژه ای است که برای تعریف اکسیدهای آهن نیکل دار اندکی متبلور شده بکار می رود که مهمترین جزء آنها گوتیت (Feo.OH-a) است.
پیروتیت جزء کانیهای نیکل بحساب نمی آید، چون که یک سولفید آهن است و نیکل در ترکیب و ساختمان آن جایکاه مهمی را بخود اختصاص نمی دهد. ترکیب پیروتیت کانسارهای مختلف از Fes تا Fe7S8 تغییر می‌کند. مقدار کمی نیکل میتواند جانشین آهن شود و در نتیجه برخی پپروتیت ها را نیکل دار می‌کند (بدون در نظر گرفتن ذرات احتمالی پنتلاندیت که ممکن است در بلور وجود داشته باشند.
•    نیکل با آرسنیک تلفیق می شود و کانی نیکولیت را به وجود می آورد.
•    نیکل با سولفور تلفیق می شود و کانی میلریت Millerite را به وجود می آورد.
•    نیکل با آرسنیک و سولفور تلفیق می شود و نیکل درخشان را به وجود می آورد.
الف) کانه های سولفیدی
کانه های سولفید نیکل اساساً عبارتند از پپروتیت نیکل دار، پنتلاندیت (۹S8(NiFe و کالکوپپریت). (CuFeS2 کانیهای دیگر که به میزان کم اما با اهمیت یافت می‌شوند عبارتند از مگنتیت (Fe3O4) ایلمنیت (FeTiO3) پپریت (FeS2)، کوبانیت (CuFe2S3) و ویولاریت. کانه های سولفیدی معمولاً ۲-۴/۰ درصد نیکل، ۲-۲/۰ درصد مس، ۳۰-۱۰ درصد آهن و ۲۰-۵ درصد گوگرد دارند. سیلیس، منیزیم، آلومینا و اکسید کلسیم نقش توازن بار الکتریکی را بعهده دارند.
کالکوپپریت که مهمترین کانی مس دار است و نیز کوبانیت که اغلب به میزان کمتری وجود دارد، از کانیهای نیکل دار بحساب می آیند.
•    نیکولیت(NiAs)
•    پنتلاندیت (Ni, Fe) 9S8
پنتلاندیت متداولترین کانی سولفیدی، احتمالاً منبع ۶۰% نیکل جهان بحساب می‌آید.
•    پپروتیت نیکل دار
پپروتیت نیکل دار معمولاً فراوانترین فاز کانه نیکل است که دارای نیکل بصورت انحلال جامد- Ni5/0- 2/0% علاوه بر پنتلاندیت های بسیار دانه ریز بصورت انکلوزیون است.
•    کلوآنتیت (NiAs2)
•    میلریت (NiS)
•    برایت اوپتیت (NiSb)
•    مورنوسیت (NiSO4.7H2o)
•    آنابرژیت (Ni(AsO4)2.8H2o)
•    گارنیریت ((Ni,Mg)6Si4O10(OH)8
•    مکیناویت
•    براویت
•   پارکریت

۶) معرفی و کاربرد سوپر آلیاژها
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 می باشند. اولین استفاده از سوپر آلیاژها در ساخت توربین های گازی، طرح های تبدیل ذغال سنگ، صنایع شیمیایی و صنایعی که نیاز به مقاومت حرارتی و خوردگی داشته‌اند بوده است.امروزه تناژ وسیعی از قطعات مصرفی در توربین های گازی از جنس سوپر آلیاژها می باشند. در ذیل به بعضی از مصارف این قطعات اشاره شده است:
–    توربین های گازی هواپیما
–    توربین های بخار نیروگاه های تولید برق
–    ساخت قالب های ریخته گری و ابزارهای گرمکار
–    مصارف پزشکی و دندانپزشکی
–    فضاپیماها
–    تجهیزات عملیات حرارتی
–    سیستم های نوترونی و هسته ای
–    سیستم های شیمیایی و پتروشیمی
–    تجهیزات کنترل آلودگی
–    تجهیزات و کوره های نورد فلزات
–    مبدل های حرارتی تبدیل ذغال سنگ
به منظور انتخاب سوپر آلیاژها جهت مصرف در کاربردهای فوق لازم است خواص فنی نظیر شکل پذیری، استحکام، مقاومت خزشی، استحکام خستگی و پایداری سطحی در نظر گرفته شوند.
تقسیم بندی سوپرآلیاژها بر حسب روش تولید
با توجه به نحوه تولید می توان سوپرآلیاژها را به چهار گروه کلی تقسیم بندی نمودکه عبارتند از:
۱)سوپرآلیاژهای کارپذیر
سوپرآلیاژهای کارپذیر در حقیقت گروهی از سوپرآلیاژها هستند که قابلیت کار مکانیکی دارند و از روش های مکانیکی می توان به آنها شکل داد. به منطور تولید مقاطع معینی از سوپرآلیاژهای کارپذیر، اولین گام آن است که شمش های سوپرآلیاژها به دلیل حضور عناصر فعال (عناصری که سریع در مجاورت هوا اکسید می شوند) 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 هواوجود 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 ترمونکانیکی و متالورژی پودر می باشند. پس از تهیه شمس آلیاژهای کارپذیر به یکی از روش های فوق عملیات شکل دهی صورت می گیرد. عملیات شکل دهی سوپرآلیاژها نیز می تواند توسط عملیات متداول کلیه آلیاژهای فلزی انجام پذیرد. سوپر آلیاژهای پایه آهن، کبالت و نیکل را می توان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سیم و اشکال دیگر توسط فرایندهای نورد، اکستروژن و آهنگری تولید نمود. معمولاً عملیات شکل دهی در دمای بالا صورت می گیرد و تعداد کمی از سوپرآلیاژها را می توان به صورت سرد شکل دهی نمود.
ساختارهای یکنواخت و ریزدانه ای که از شکل دهی سرد حاصل می شود نسبت به ساختارهای شکل دادن گرم ارجحیت دارند.
عملیات ترمودینامیکی بر روی سوپرآلیاژها معمولاً در حدود ۱۰۰۰-۹۵۰ درجه سانتی گراد انجام می شود که به این ترتیب در حین شکل دادن عملیات حرارتی نیز صورت می گیرد.
۲)سوپرآلیاژهای متالورژی پودر
بسیاری از انواع آلیاژهای کارپذیر از طریق فرایندهای متالورژی پودر تولید می گردند. امروزه قطعات متالورژی پودر از جنس سوپرآلیاژ با دانسیته کامل از طریق روش های اکستروژن یا پرسکاری ایزواستاتیک گرم (HIP) تولید می گردند. مهمترین این قطعات قیچی ها و سوزنهای جراحی می باشند.
فرایندهای متالورژی پودر به دلیل داشتن مزایای زیر بر فرایندهای ریخته گری ترجیح داده می شوند هر چند که معایبی را نیز به همراه خواهند داشت:
–    یکنواختی در ترکیب شیمیایی و ساختار کریستالی
–    ریز بودن اندازه دانه های کریستالی
–    کاهش جدایش ها
–    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.
۳)سوپر آلیاژهای پلی کریستال ریختگی
وجودمحدودیت های تکنولوژیکی سبب محدود شدن رشد صنعت سوپر آلیاژ می گردد و بنابراین با پیدایش فرایندهای جدید تولید، این صنعت نیز روز به روز توسعه می یابد. تعداد زیادی از فرایندها را می توان در تولید قطعات سوپرآلیاژ با اندازه نزدیک به قطعه نهایی مورد استفاده قرار داد اما اساساً این قطعات توسط فرایند ریخته گری دقیق تولید می گردند.
محدود ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژهای ریختگی بسیار گسترده تر از سوپرآلیاژهای کارپذیر بوده و بنابراین خواص متنوع تری نیز از این طریق قابل حصول خواهند بود هرچند که انعطاف پذیری و مقاومت به خستگی در فرآیندهای کار مکانیکی بهتر از ریخته گری خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآیندهای جدید ریخته گری و انجام عملیات حرارتی متعاقب، خواص سوپر آلیاژهای ریختگی نیز افزایش یافته است.
۴)سوپر آلیاژهای تک کریستالی انجماد جهت دار
به منظور توسعه توربین های گازی مصرفی در هواپیماها و افزایش دماهای کاری و کارآیی موتورها، به طور مداوم روش های تولید سوپر آلیاژها در حال بهبود است.
قسمت های بحرانی توربین ها معمولاً شامل پره های تحت فشار بالا، هواکش ها و دیسک ها می باشند. در طول ۱۵ سال گذشته تحقیقات بسیاری در زمینه افزایش راندمان توربین ها صورت گرفته است و عمده این تحقیقات بر امکان افزایش دمای ورودی، فشار کاری و کاهش هزینه های تولید استوار بوده است. توسعه فرایند انجماد جهت دار به منظور تولید تک کریستالی های ریختگی سبب شده تا بتوان از این طریق پره های توربین را با دانه های جهت دار در راستای اعمال تنش تولید نمود و به این ترتیب علاوه بر خواص پایدار حرارتی، استحکام خستگی، استحکام خزشی و انعطاف‌پذیری نیز افزایش یابند.
با توسعه این تکنولوژی، امروزه در توربین های مصرفی در نیروگاه های برق نیز از قطعات تک کریستال از جنس سوپرآلیاژها استفاده به عمل می آید.
در سال های اخیر شرکت هواپیمایی PWA یکی از پیشگامان تولید سوپرآلیاژها می‌باشد و تولید آلیاژهای PWA 1480 به صورت تک کریستال توسط این شرکت، سبب افزایش عمرکاری هواپیمای جنگی F-100 گردیده است.
تقسیم بندی سوپرآلیاژها بر حسب ترکیب شیمیایی
به طور کلی این آلیاژها شامل سه گروه پایه نیکل، پایه آهن و پایه کبالت می باشند که بسته به درجه حرارت کاربردی مورد استفاده قرار می گیرند.
 
الف)سوپر آلیاژهای پایه نیکل
امروزه آلیاژهای نیکل در حالت های «تک فازی»، «رسوب سختی شده» و «مستحکم شده توسط رسوبات اسیدی و کامپوزیت ها» در مصارف صنعتی مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.
سوپرآلیاژهای پایه نیکل پیچیده ترین ترکیباتی می باشند که در قطعات دمای بالا به کار می روند. در حال حاضر ۵۰ درصد وزن موتورهای هواپیماهای پیشرقته از جنس این آلیاژها می‌باشد. خصوصیات اصلی آلیاژهای نیکل، پایداری حرارتی و قابلیت مستحکم شدن می‌باشد.
بسیاری از این آلیاژها حاوی ۱۰ الی ۲۰ درصد کرم، حداکثر ۸ درصد آلومینیوم و تیتانیم، ۵ تا ۱۵ درصد کبالت و مقادیر کمی مولیبدن، نیوبیم و تنگستن می باشند.
دو گروه اصلی از آلیاژهای آهن- نیکل که میزان نیکل آنها بیشتر از مقدار آهن است عبارت از گروه Incoloy 706 و Inconel718 می باشند.
این آلیاژها معمولاً حاوی ۳ تا ۵ درصد نیوبیم می باشند و در ردیف آلیاژهای پایه نیکل قرار می گیرند. آلیاژهای پایه نیکل معمولاً تا دمای ۶۵۰ درجه سانتی گراد استحکام خود را حفظ می کنند. اما در دماهای بالاتر به سرعت استحکام خود را از دست می دهند.
ب)سوپر آلیاژهای پایه آهن
سوپرآلیاژهای پایه آهن نشأت گرفته از فولادهای زنگ نزن آستینتی می باشند که دارای زمینه ای از محلول جامد آهن و نیکل بوده و برای پایداری زمینه نیاز به حداقل ۲۵ درصد نیکل است.
–    گروه های متعددی از این آلیاژها تا کنون مشخص گردیده اند که هر یک با مکانیزم‌های خاصی مستحکم می شوند. برخی از این آلیاژها نظیر ۵۷-V و ۲۸۶-A حاوی ۲۵ تا ۳۵ درصد وزنی نیکل می باشند و استحکامشان به دلیل حضور آلومینیوم و تیتانیم می‌باشد.
–    گروه دوم الیاژهای پایه آهن که آلیاژهای X750 و Incoloy901 نمونه های آن می‌باشند، حداقل ۴۰ درصد وزنی نیکل داشته و همانند گروه های با نیکل بالاتر استحکام بخشی توسط سختی رسوبی صورت می گیرد.
–    گروه دیگر این آلیاژها بر پایه آهن- نیکل- کبالت می باشند و استحکام این گروه در محدوده ۶۵۰ درجه سانتی گراد مناسب بوده و ضریب انبساط حرارتی آنها پایین می‌باشد. این آلیاژها شامل Incoloy با شماره های ۹۰۳،۹۰۷،۹۰۹، ۱-۱-CTX Pyromet و ۳-CTX Pyromet و غیره می باشند.
ج)سوپرآلیاژهای پایه کبالت
سوپرآلیاژهای کارپذیر پایه کبالت بر خلاف سایر سوپرآلیاژها مکانیزم استحکام بخشی متفاوتی دارند و خواص حرارتی خوبی در دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد خواهند داشت.
سوپرآلیاژهای پایه کبالت حاوی کُرم، 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 ریخته گری 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 می توان به صورت ذیل در نظر گرفت:
–    آلیاژهایی که در دماهای بالا در محدوده ۶۵۰ تا ۱۱۵۰ درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار می گیرند که شامل آلیاژهای S-816، HAYNES25، ۱۸۸HAYNES، ۲۵۵۵۶HAYNES، ۵۰UMCO می باشند.
–    آلیاژهایی که تا حدود ۶۵۰ درجه سانتی گراد به کار می روند نظیر MPTN3، MP159
–    آلیاژ مقاوم به سایش Stellite B6
–    آلیاژ ۲۵۲۵ HAYNES بیشترین کاربرد را در میان آلیاژهای کارپذیر پایه کبالت داشته است و در ساخت قطعات گرمکار نظیر توربین های گازی، اجزاء راکتورهای هسته ای، ایمپلنت های جراحی و غیره مورد استفاده قرار گرفته اند.
–    آلیاژهای گروه پایه کبالت که شامل کرم- تنگستن-کربن می باشند معروف به آلیاژهای satellite بوده که به شدت مقاوم به سایش می باشند.
این گروه معمولاً در مواردی که مقاومت سایشی در درجه حرارت های بالا مورد نیاز باشد به کار می روند. در واقع سختی این مواد در دمای بالا حفظ شده و در مواقعی که نمی توان در حین کار روغنکاری انجام داد به خوبی مورد استفاده قرار می گیرند.
۷- 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 می گردد که تنها بازار قطعات یدکی هواپیماها بالغ بر ۵.‌4 میلیارد دلار باشد، بررسی ها حاکی از آنست که تا سال ۲۰۱۵ تعداد ۱۶۰۰۰ فروند هواپیمای جدید با موتورهای توربین گازی وارد بازار می شوند که نیمی از وزن این موتورها از جنس سوپرآلیاژ خواهد بود.
بر اساس آمارهای تخمینی موجود در ایرن، سوپر آلیاژها سالانه به میزان ۸۰ میلیون دلار در سه وزارت خانه نفت، نیرو و دفاع مورد استفاده می گیرند.
فصل دوم
۱- آلیاژهای بکار رفته در پره های توربین
آلیاژهای بکار رفته در توربین گازی معمولاً از جنس سوپرآلیاژهای پایه نیکل (پره های متحرک) و پایه کبالت (پره های ثابت) می باشد. روشهای عمده تولید پره ها معمولاً ریخته گری و فورج می باشند نحوه ساخت پره های سوپرآلیاژها در سال ۱۹۴۰ شروع شد. و از آن به بعد پیشرفتهای قابل توجه در نحوه ساخت و افزایش استحکام صورت گرفت که ذوب در خلاء بصورت القایی (VIM) بصورت تجاری از سال ۱۹۵۰ و بعد از آن آلیاژهای پلی کریستالی از سال ۱۹۷۰ شروع به تولید شد.
از دهه ۶۰، آلیاژهای پلی کریستال دارای نظم دانه ای خاصی شده بطوریکه انجماد جهت دار پره های توربین در سال ۱۹۸۰ پره های تک کریستالی وارد مرحله ای جدید از تولید شدند.
۲- خلاصه ای از مشخصات سوپرآلیاژهای پایه نیکلی
سوپرآلیاژها، موادی هستند که در حرارتهای بالا (۸۵% دمای ذوب آلیاژ) دارای استحکام مکانیکی بالا و مقاوم در برابر از بین رفتن سطح (مثلاً خوراکی) می باشند. سوپرآلیاژهای پایه نیکلی از مهمترین و پرکاربردترین آلیاژها در مقایسه با سوپرآلیاژ پایه کبالت و یا پایه آهن بشمار می روند وجود نیکل بعنوان فلز پایه می تواند باعث استحکام پذیری این آلیاژ با روشهای معمول (رسوب سختی) شود. با آلیاژ نمودن با کروم و آلومینیوم می توان پایداری سطح آلیاژ بدست آمده را جهت کاربردهای مختلف مهیا نمود.

۳- ترکیبات شیمیایی سوپرآلیاژهای پایه نیکلی
ترکیبات شیمیایی بسیاری از سوپرآلیاژهای پایه نیکل که با بیش از ۱۲ عنصر می‌باشند یکی از پیچیده ترین آلیاژها بشمار می روند. در عملیات ذوب ریزی عناصر مضری مثل سیلسیوم، فسفر، گوگرد، اکسیژن و نیتروژن کنترل و عناصر ناچیز مثل سلنیوم، بیموت و سرب در حد PPm (خصوصاً برای ساخت قطعات با شرایط بحرانی) نگهداشته می‌شوند. که در این جا فقط به ترکیبات شیمیایی سوپرآلیاژ IN-738 می پردازیم.
Ta    B    C    V    Cb    AL    Ti    Mo    W    Fe    Co    Ni    Cr    عناصر
آلیاژ
۱.۷۵    0.001    0.10    0    0.90    3.4    3.4    1.75    2.6    0.2    8.3    61.6    16    IN-738
وجود عناصری همچون مولیبدن، نیوبیم و تنگستن علاوه بر افزایش استحکام، باعث ایجاد و تشکیل کاربیدهای مفید می گردند. و از طرفی عناصر کرم و آلومینیوم باعث پایداری سطح می شوند و با ایجاد لایه اکسیدی محافظ  ،   مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی را افزایش می دهند.
۴- میکروساختارهای سوپرآلیاژهای پایه نیکل:
فازهای عمده ای در آلیاژهای پایه نیکل وجود دارد که عبارتند از:
فاز زمینه  : این فاز بصورت پیوسته و غیر مغناطیسی می باشد این فاز در برگیرنده درصد بالایی از عناصر کبالت، آهن، کرم، مولیبدن و تنگستن می باشد. نیکل خالص معمولاً دارای خواص خزشی ضعیفی است در حالیکه سوپرآلیاژهای پایه نیکل با داشتن فاز   دارای استحکام بالا در درجه حرارتهای زیاد می باشد.
فاز  : وقتی مقدار کافی آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژ اضافه شود رسوبات  با ترکیب Ti و   با شبکه f:c.c در زمینه   ایجاد می شود در فاز   ممکن است عناصری مثل Nb، Ta و Cr بطور محسوس وجود داشته باشند.
فاز   دارای ترکیب بین فلزی (Intermetalic compound) با شبکه f.c.c با شرایط (Super laftic) شبیه ساختار   بوده که دارای نظم پر دامنه می باشد، این فاز تا دمای ذوب خودش یعنی   پایداری خود را حفظ می کند،   بدلیل هم ساختار بودن با فاز زمینه   (f.c.c) یک سازگاری (Coherent) مناسبی را بوجود می آورد.
عناصری هم چون Ta، Nb، Ti سخت کننده های محلول جامد (Solid-solution hardeners) در دمای محیط بشمار می روند. W و Mo هم در دمای محیط و هم در دمای بالا باعث افزایش استحکام می شوند، در حالیکه Co بصورت محلول جامد باعث افزایش استحکام   نمی شود.
فاز  : ترکیب فاز بصورت   با ساختار شبکه ای bct است که بیشتر در آلیاژ Ni-fe بوجود می آیند (مثل سوپرآلیاژهای IN-718, IN-706 این فاز در دمای پائین و میانی دارای استحکام خوبی است ولی در دمای بالا ( ) ناپایدار می باشد. بر خلاف فاز  ، فاز   بعلت نا هم خوانی و بی نظمی باعث ایجاد تنش برشی می کند. این فاز همراه با  ممکن است در زمینه    رسوب کند.
۵- بررسی مرز دانه ها:
با افزایش مقدار کمی بُر و زیر کو نیم خواص خزشی سوپرآلیاژهای پایه نیکل بهبود یافته و یک چشم انداز قابل توجهی از پیشرفت در زمینه کاربردهای سوپرآلیاژها ایجاد نموده است. قابلیت فورج کاری (Forge ability) و ایجاد خواص برتر با افزودن (۰.۰۱-۰.۰۵) منیزیم میسر شده است عقیده بر این است که وجود منیزیم حرکت سولفور در مرز دانه که باعث ایجاد فاز تردی را می کند قفل می کند که هنوز مکانیزم عمل روشن نیست. وجود عناصری مثل بر و زیرکونیم در مرز دانه باعث سدی در برابر حرکت ترکها در مرز دانه خصوصاً در شرایط دما و تنش بالا می شود. تأثیر بر و زیرکونیم بیشتر در سوپرآلیاژهای دانه درشت باعث بهبود و خواص گسیختگی می شود.
بر هم چنین رسوب کاربیدها در مرز دانه را با کم کردن مقدار کربن، کاهش می دهد منیزیم هم چنین نقشی در آلیاژ دارد. در هرصورت این دسته عناصر باعث تغییر شکست از حالت مرز دانه ای (Intergranulas) به حالت درون دانه ای (Trarsganulay) می‌کند که این امر با افزایش داکتیلتی ذاتی در سوپرآلیاژ بوجود می‌آید.
۶- کاربیدها:
نقش کاربیدها در سوپرآلیاژ بسیار حساس می باشد. کاربیدها اغلب در آلیاژهای پایه نیکل بر روی مرز دانه ها رسوب می کنند در حالیکه در سوپرآلیاژهای پایه کبالت و آهن در محلهای بین دانه ای (Intryranolas) راسب می شوند. طبق بررسیهای جدید بعمل آمده به نظر می رسد کاربیدهای مرزدانه ای برای داکتیلیتی مضر بوده ولی بعضی از محققین عقیده دارند که کاربیدهای مجزا (مثل حالت منیزیم) باعث بهبود خواص استحکام گسیختگی در دمای بالا می شود. متداولترین کاربیدها در آلیاژهای پایه نیکل MC و   و   می باشند کاربید MC معمولاً بصورت درشت، راندم و حالت مکعبی یا شکل نقطه نستعلیقی است ساختار MC بصورت (F.c.c) بوده که در حین انجماد بوجود می آیند.
کاربیدهای MC معمولاً منبع کربنی برای واکنشهای فازهای ایجاد شده بعدی در حین عملیات حرارتی بشمار می روند…

منابع و مراجع
۱-S.P.Cooper, A.Strong, “High temperature stability of pack aluminide coating on IN738LC”, High temperature alloys for gas turbines, 1982, pp.249-260.
۲-R.Jaffe, “Turbines and industrial application”, source book on materials for elevated- temperature applications, ASM, 1979, pp.19-33
۳-E.F.Bradley, Superalloys-A technical guide, ASM International, 1988.
۴-F.Faber, “The role of chromium in corrosion and oxidation resistant alloys and coating”, “high temperature alloys for gas turbines, 1978, pp.69.
۵-G.William Goward, proceedings on the Electrochemical society, Vol. 77-1 pp.369-384
۶-R.Bauer, H.W.Grunling and K. Schneider, “Hot-Corrosion behavior of chromium diffusion coatings”, Materials and coating to resist high temperature corrosion, pp.369-387.
۷-R.Bianco, M.A.Harper and R.A.Rapp, “Co-depositing elements by halide activated pack cementation”, J.of metals, Nov. 1991, pp.68-73.
۸-Henry M.J.Mazille, “Chemical Vapour deposion of chromium on to Nickle”, Thin solid film, 65, 1980, pp.67-74