طبقه بندی و کاربرد آلیاژهای با دمای بالا

آلیاژهای{0}در دمای بالا که به عنوان آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت یا سوپرآلیاژ نیز شناخته می‌شوند، دسته‌ای از مواد فلزی هستند که قابلیت عملکرد طولانی‌مدت در محیط‌های با دمای بالا و تحت تنش‌های خاص را دارند. آنها مقاومت بسیار خوبی در برابر اکسیداسیون در دمای بالا و خوردگی داغ و همچنین استحکام بالای{6}در دمای بالا، استحکام خستگی و چقرمگی شکست خزشی نشان می‌دهند. این آلیاژها عمدتاً در موتورهای هوافضا، انرژی و توربین دریایی استفاده می شوند.

طبقه بندی آلیاژهای{0}در دمای بالا

1. با توجه به مواد ماتریس، آنها را می توان به سه دسته تقسیم کرد: پایه آهن-، پایه نیکل- و بر پایه کبالت-.

(1) آلیاژهای{1}}آهن با دمای بالا- نیز فولادهای آلیاژی مقاوم در برابر حرارت نامیده می شوند. فولادهای آلیاژی مقاوم در برابر حرارت را می‌توان به فولادهای مقاوم در برابر حرارت مارتنزیت، آستنیت، پرلیت، فریت{6} و غیره با توجه به نیاز نرمال‌سازی آنها تقسیم کرد. آلیاژهای{9}}در دمای بالا{10}}بر پایه آهن دمای عملیاتی نسبتاً پایینی دارند (600 تا 850 درجه)، اما خواص مکانیکی دمای متوسط{13}} آنها خوب است، که معادل یا بهتر از آلیاژهای مشابه مبتنی بر نیکل است. علاوه بر این، آنها ارزان هستند و به راحتی در حین کار گرم تغییر شکل می دهند. آنها معمولاً در قسمت هایی از موتور با دمای عملیاتی پایین تر مانند دیسک های توربین، پوشش ها و شفت ها استفاده می شوند.

(2) آلیاژهای مبتنی بر نیکل-در دمای بالا- دارای بالاترین دمای عملیاتی (حدود 1000 درجه) هستند و به طور گسترده در ساخت داغترین قطعات موتورهای جت هوانوردی و توربین‌های گاز صنعتی مختلف، مانند پره‌های توربین، پره‌های راهنما، توربین‌ها و غیره استفاده می‌شوند.

(3) آلیاژهای درجه حرارت بالا بر پایه کبالت{1}}قابلیت ریخته‌گری و جوش‌پذیری خوبی دارند و می‌توانند در دماهای بالای 700 تا 1050 درجه استفاده شوند. این عمدتا از کبالت تشکیل شده است و نماینده معمولی آن K610 است که حاوی بیش از 58٪ کبالت است. به دلیل قیمت بالا و کمبود کبالت، به ندرت در داخل و خارج از کشور استفاده می شود. برندهای موجود عبارتند از K640، K644، GH188 و غیره.

2. با توجه به فرآیند آماده‌سازی، می‌توان آن را به آلیاژهای-در دمای بالا، آلیاژهای ریخته‌شده-در دمای بالا، و پودر-آلیاژهای با دمای بالا تقسیم کرد.

(1) آلیاژهای-در دمای بالا تغییر شکل یافته اند

آلیاژهای با دمای بالا{0}}تغییر شکل یافته به آلیاژهایی با دمای بالا اشاره می‌کنند که با پردازش سرد و گرم شمش‌ها به پروفیل‌های مختلف یا قسمت‌های خالی و در نهایت به قسمت‌های انتهایی داغ- ساخته می‌شوند. نکته کلیدی این است که شمش آلیاژ می تواند تشکیل شود. در مقایسه با آلیاژهای ریختگی{5}در دمای بالا، آلیاژهای تغییر شکل{6}در دمای بالا دارای درجه آلیاژی پایینی هستند. بنابراین، نقطه ذوب بالاتر است، حد بالایی دمای کار گرم بالاتر است، دمای تبلور مجدد آلیاژ کمتر است، و حد پایینی دمای کار گرم کمتر است. بنابراین، دامنه کار گرم آلیاژهای-در دمای بالا تغییر شکل یافته وسیع‌تر از آلیاژهای{10}}در دمای بالا ریختگی است. با توجه به عناصر مختلف ماتریس، آلیاژهای{12}}در دمای بالا تغییر شکل یافته را می توان به آلیاژهای{13}}آهن{13}}تغییر شکل{14}}درجه حرارت بالا، نیکل{15}}آلیاژهای با دمای بالا{16}}تغییر شکل{16}}و آلیاژهای تغییر شکل{17} کبالت{17}} با درجه حرارت بالا تقسیم کرد.

(2) ریخته گری آلیاژهای با دمای{1} بالا

ریخته‌گری آلیاژهای با دمای{0}بالا فرآیندی است که مستقیماً پس از ذوب مجدد شمش‌های آلیاژ، به طور مستقیم به قطعات ریخته‌گری یا جامد می‌شود. توسعه آنها در دهه 1940 آغاز شد. ریخته‌گری آلیاژهای{4}}در دمای بالا دیگر عملکرد تغییر شکل آهنگری را در نظر نمی‌گیرد. روش‌های ریخته‌گری دقیق یا فرآیندهای انجماد جهت‌دار را می‌توان برای ریختن تیغه‌های دیواره نازک- توخالی با اشکال پیچیده و حفره‌های داخلی بدون مانع استفاده کرد. بنابراین، مقدار کل عناصر در سوپرآلیاژهای ریختگی به طور قابل توجهی بیشتر از سوپرآلیاژهای تغییر شکل یافته است. عناصر تقویت کننده محلول جامد شامل Re و Ru هستند، در حالی که محتوای فلز نسوز W افزایش یافته است (در برخی آلیاژها بیش از 10٪). عناصر آلیاژی تقویت‌کننده بارش، علاوه بر Al و Ti، شامل Nb، Ta، Hf و V نیز می‌شوند.

سوپرآلیاژهای ریخته گری را می توان با روش انجماد به سه دسته تقسیم کرد: سوپرآلیاژهای ریخته گری هم محور، سوپرآلیاژهای ستونی جامد شده جهت دار و سوپرآلیاژهای تک کریستال. سوپرآلیاژهای تک کریستالی، نوع جدیدی از سوپرآلیاژ، با حذف تمام مرزهای دانه از طریق انجماد جهتی تشکیل می‌شوند. فلزات از کریستال های مجزا تشکیل شده اند، از این رو سوپرآلیاژ تک کریستالی نامیده می شود. مرزهای دانه، مناطقی در داخل فلز هستند که در آن اعوجاج، عیوب و ناخالصی‌های مختلف جمع می‌شوند. در حالی که در دمای اتاق قوی تر از درون کریستال هستند، اما در دماهای بالا مستعد لغزش هستند. هنگامی که استحکام مرزهای دانه در دماهای بالا کاهش می یابد، استحکام فلز کاهش می یابد. بنابراین، حذف مرزهای دانه از طریق انجماد جهت دار، سوپرآلیاژهای تک کریستالی با عملکرد عالی به دست می دهد. در حال حاضر، تقریباً همه موتورهای پیشرفته از پره‌های توربین آلیاژی تک کریستالی یا پره‌های راهنما استفاده می‌کنند.

(3) آلیاژهای با دمای بالا-پودر شده

با افزایش دمای کار آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت{0}، تعداد عناصر تقویت کننده در آلیاژها افزایش می‌یابد، و ترکیب پیچیده‌تر می‌شود، در نتیجه برخی از آلیاژها فقط در حالت ریخته‌گری قابل استفاده هستند و نمی‌توانند با کار داغ تغییر شکل دهند. علاوه بر این، افزایش عناصر آلیاژی باعث جدایی جدی اجزاء در آلیاژهای مبتنی بر نیکل{2}} پس از انجماد می‌شود که در نتیجه ساختار و عملکرد ناهموار می‌شود. استفاده از فناوری متالورژی پودر برای تولید آلیاژهای{4}در دمای بالا می تواند مشکلات فوق را حل کند. از آنجایی که ذرات پودر کوچک هستند و سرعت خنک‌سازی در حین ساخت پودر سریع است، جداسازی حذف می‌شود و خواص کاری گرم بهبود می‌یابد. آلیاژی که فقط می‌تواند ریخته‌گری شود به آلیاژی با دمای بالا تبدیل می‌شود که می‌توان آن را گرم کرد-و مقاومت تسلیم و خواص خستگی بهبود می‌یابد. آلیاژهای پودری با دمای{10}بالا روش جدیدی برای تولید آلیاژهای با استحکام بالاتر{11}} ایجاد کرده‌اند. آلیاژهای پودری با دمای بالا عمدتاً برای ساخت دیسک‌های توربین برای موتورهای{14}}تراست بالا-به{16}}هواپیماهای پیشرفته استفاده می‌شوند و همچنین برای تولید اجزای-در دمای بالا-در دمای بالا، مانند دیسک‌های کمپرسور، دیسک‌های کمپرسور پیشرفته، موتورهای هواپیما

مناطق کاربرد آلیاژهای با دمای بالا

1. هوافضا

(1) محفظه احتراق

محفظه احتراق منطقه ای است که بالاترین دمای عملیاتی را در بین تمام اجزای موتور دارد. هنگامی که دمای گاز در محفظه احتراق به 1500-2000 درجه می‌رسد، دمای آلیاژ دیوار محفظه می‌تواند به 800-900 درجه و به صورت محلی تا 1100 درجه برسد. در سال های اخیر، بیشتر آلیاژهای با دمای بالا که در محفظه احتراق استفاده می شوند، آلیاژهای تقویت شده با محلول جامد هستند. آلیاژها حاوی مقدار زیادی عناصر تقویت کننده محلول جامد مانند W، Mo و Nb هستند. آنها دارای استحکام دمایی بالا و خواص شکل دهی و جوشکاری خوبی هستند. نمرات نماینده شامل GH1140، GH3030، GH3039، GH3333، GH3018، GH3022، GH3044، GH3128، و GH3170 است.

(2) پره های راهنما

پره های راهنما اجزایی هستند که جهت جریان گاز خروجی از محفظه احتراق را تنظیم می کنند. به آنها پره های راهنما نیز می گویند. آنها یکی از قطعات موتور توربین هستند که در معرض بیشترین شوک حرارتی قرار می گیرند. به خصوص هنگامی که احتراق در محفظه احتراق ناهموار یا عملکرد ضعیف است، پره های راهنما تحت بار حرارتی بیشتری قرار می گیرند. دمای کار پره های راهنمای موتورهای توربین پیشرفته می تواند به 1100 درجه برسد. دمای عملیاتی آلیاژهای پره راهنمای خانگی می تواند به 1000 تا 1050 درجه برسد. آلیاژهای ریخته گری دقیق آلیاژی با دمای بالا عبارتند از K214، K233، K406، K417، K403، K409، K408، K423B، و غیره.

(3) پره های توربین

پره های توربین قطعاتی هستند که سخت ترین شرایط کاری را در موتور هواپیما دارند. دمای محیط کار بالاست. درجات معمولی از مواد آلیاژی با دمای بالا عبارتند از GH4033، GH4037، GH4143، GH4049، GH4151، GH4118، GH4220، و غیره که می توانند در محیط 750{13}950 درجه استفاده شوند. هنگام توسعه موتورهای جدید و اصلاح مدل های قدیمی، از آلیاژهای ریخته گری با دمای بالا برای تولید پره های توربین استفاده می شود. گریدهای معمولی آلیاژهای ریختگی عبارتند از K403، K417، K417G، K418، K403، K405، K4002 و غیره.