سوپرآلياژها موادي هستند که براي کار در دما وتنشهاي نسبتا زياد که معمولا پايداري سطحي بالايي را مي‌طلبند طراحي شده‌اند. اين آلياژها معمولا بر پايه يکي از عناصر نيکل، آهن و کبالت هستند و بصورت کار شده يا ريخته‌گري توليد و شکل‌دهي مي‌شوند. اين مواد داراي مقاومت خزشي و استحکام قابل توجه در دماهاي بالاتر از oC650 بوده و در برابر خوردگي داغ نيز مقاوم هستند. در اين ميان، سوپرآلياژ‌هاي پايه نيکل که با فاز رسوبي ثانويه استحکام يافته‌اند بدليل وجود عناصر و فازهاي مختلف از پيچيده‌ترين آلياژها هستند. سوپرآلياژهاي پايه نيکل نسبت به ساير سوپرآلياژها در کسر بالاتري از نقطه ذوبشان داراي استحکام مفيد هستند، لذا از آنها در ساخت قطعات حساس توربينهاي گازي هوايي و صنعتي مانند پره‌هاي ثابت و متحرک، ديسکها و محفظه هاي احتراق استفاده مي‌شود. پيشرفتهاي اخير تکنولوژي توربينهاي گازي و نياز به موادي که بتوانند مدت بيشتري در شرايط کاري آنها دوام بياورند باعث شده تا خواص ديگري از جمله مقاومت به خستگي مکانيکي و حرارتي، ضريب انبساط حرارتي پايين و مدول الاستيسيته بالا مورد توجه قرار گيرند ترديدي نيست که ترکيب شيميايي و کيفيت ساختار ميکروسکوپي علاوه بر آنکه تعيين کننده خواص مکانيکي و شيميايي هر آلياژاست، مهمترين عامل در تعيين جوش پذيري آلياژها بويژه سوپرآلياژها محسوب مي‌گردند. بدين جهت آشنايي با فازها و اجزاي ساختاري سوپرآلياژها از نقطه نظر ترکيب شيميايي، شبکه بلوري، مورفولوژي، پايداري و همچنين تأثير عوامل مختلف بر روي آنها بعنوان پيش زمينه‌اي براي مطالعه خواص جوشکاري امري غير قابل اجتناب محسوب مي‌شود. 2-1- تقسيم بندي سوپرآلياژهاي پايه نيکل سوپر‌آلياژهاي پايه نيکل برمبناي کسر حجمي فاز استحکام‌ بخش  به سه دسته تقسيم بندي مي‌شوند: الف- سوپرآلياژهاي پايه نيکل کار شده : اين سوپرآلياژها که کسر حجمي  در آنها حداکثر به 45 درصد مي‌رسد، معمولاً داراي 20-15 درصد کروم، همراه با مقدار مشخصي کبالت، موليبدن و تنگستن مي‌باشد که براي استحکام بخشي محلول جامد به زمينه فاز  اضافه مي‌شوند. فاز استحکام بخش  عمدتاً از عناصري از قبيل تيتانيم و آلومينيم حاصل مي‌شود. بسياري از اين سوپرآلياژها علاوه بر کربن، حاوي بور و زيرکونيم براي استحکام بخشي مرزدانه ها نيز مي‌باشند. مقاومت به دماي بالاي اين مواد با کسر حجمي  آنها متناسب است ب- سوپرآلياژهاي پايه نيکل ريختگي : اين سوپر‌آلياژها که کسر حجمي  در آنها به حدود 60-50 درصد مي‌رسد، قابليت بکارگيري در دماهاي کاري بالاتر را دارا مي‌باشند. به دليل کسر حجمي بالاتر ، کسر حجمي زمينه کاهش مي‌يابد و ماکزيمم مقادير عناصر آلياژي مثل کروم و موليبدن و تنگستن که ترجيحاً در اين فاز توزيع شده اند، محدود مي‌گردد‌ ج- سوپرآلياژهاي تهيه شده بروش متالورژي پودر (PM)[1] اين سوپرآلياژها به دو طريق زير تهيه مي‌شوند : 1. سوپرآلياژهايي که در حالت مذاب، ترکيب شيميايي آنها مشخص و آلياژسازي شده و سپس توسط اتميزاسيون[2] مذاب تبديل به پودر مي‌شود. 2. سوپرآلياژهايي که ابتدا عناصر آلياژي آنها به روش مکانيکي پودر شده و سپس با مخلوط نمودن درصدي مشخص از پودرها، ترکيب نهايي سوپرآلياژ تهيه مي‌گردد. پودرهاي از قبل آلياژ سازي شده اساساً براي ساخت ديسک هاي توربين استفاده مي‌شود. چون دستيابي به استحکام بالا با ساختارهاي خشن حاصل از ريخته گري ممکن نيست. سريع سرد کردن پودرهاي ريز (عموماً ريزتر از 150) ساختار انجماد آنها را بهبود مي‌بخشد و باعث تشکيل کسرهاي حجمي بالاتر  اوليه مي‌شود، لذا نوع متالورژي پودر آلياژ IN100 حاوي حدود 60 درصد  است و آلياژ N18 که مخصوصاً براي اين روش طراحي شده حدود 55 درصد  دارد   3-1- ترکيب شيميايي سوپر آلياژهاي پايه نيکل در هر يک از سوپرآلياژهاي پايه نيکل، بين 9 الي 13 عنصر آلياژي وجود دارند که مقدار هر يک مي‌بايست بدقت تحت کنترل قرار بگيرد. علاوه بر عناصر آلياژي، عناصر مضري همچون فسفر، گوگرد، نيتروژن، اکسيژن و سيليسيم نيز در حين فرآيند ذوب و ريخته‌گري وارد ترکيب مي‌شوند که بايستي مقادير آنها نيز به دقت کنترل شوند. عناصر جزئي[3] مانند تاليم، سلنيم، تلوريم، سرب و بيسموت نيز بايستي در سطح بسيار پايين (در حد ppm) نگهداشته شوند که اين کار با انتخاب دقيق مواد اوليه و شرايط بهينه عمليات ذوب و ريخته‌گري انجام مي‌شود. به هر حال اکثر سوپرآلياژهاي پايه نيکل داراي 20-10 درصد کروم، حداکثر 8 درصد مجموع آلومينيم و تيتانيم و 10-5 درصد کبالت و مقدار کمي بور، زيرکونيم و کربن مي‌باشد. عناصري از قبيل موليبدن، تانتاليم و هافنيم نيز به دلخواه جهت بهبود خواص سوپرآلياژ اضافه مي‌شوند با توجه به نقشي که هر کدام از اين عناصر در سوپرآلياژهاي پايه نيکل دارند مي توان آنها را به سه گروه زير تقسيم بندي کرد: الف- گروه اول عناصر تشکيل دهنده فاز زمينه با شبکه کريستالي FCC که اين عناصر بيشتر متعلق به گروه هاي پنج، شش و هفت جدول تناوبي مي‌باشند و عبارتند از: نيکل، کروم، کبالت، آهن، موليبدن و تنگستن. ب- گروه دوم شامل عناصري است که تشکيل دهنده فاز استحکام بخش  بصورت ترکيب Ni3X بوده و بيشتر متعلق به گروه هاي سوم، چهارم و پنجم جدول تناوبي که شامل عناصر تيتانيم، آلومينيم، نيوبيم، تانتالم و هافنيم مي‌باشد. ج- گروه سوم عناصر توليد کننده رسوب در مرزدانه نظير بور، کربن، زيرکونيم که از گروه هاي دوم، سوم و چهارم جدول تناوبي هستند. سه گروه اصلي فوق داراي دو زير گروه نيز مي‌باشند که اولي گروه کاربيدزاها نظير کروم، موليبدن، تنگستن، نيوبيم، تانتالم و تيتانيم و گروه دوم اکسيدزاها نظير کروم و آلومينيم بوده که سبب تشکيل لايه‌هاي اکسيدي چسبنده و مقاوم در برابر نفوذ شده و نهايتاً موجب محافظت از آلياژ در محيطهاي خورنده مي‌شوند                                                                                        Normal 0 false false false EN-US X-NONE FA /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Table Normal"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin;} 1-3-1- عناصر اصلي و تاثير آنها آ- نيکل: نيکل عمده‌ترين عنصر موجود در سوپرآلياژهاي پايه نيکل و تشکيل دهنده اصلي ساختار آستنيتي فاز  (FCC) بوده و درصد عمده‌اي از زمينه اين آلياژها را به خود اختصاص مي‌دهد. نيکل باعث افزايش چقرمگي و انعطاف پذيري و مقاومت به خوردگي آلياژ بويژه در محيط‌هاي احياکننده مي‌شود  به دليل ساختار الکتروني خاص شبکه FCC نيکل، اين عنصر قابليت حلاليت بالايي براي ساير عناصر دارد ، ضمن اينکه يکي از ارکان فاز استحکام بخش  با ترکيب (Al,Ti) Ni3 مي‌باشد ب- کروم: کروم يکي از عناصر مهم موجود در سوپرآلياژها بوده که سبب ايجاد لايه‌هاي محافظ و روئين و جلوگيري از خوردگي و نيز تشکيل فازهاي کاربيدي مي‌شود. اين عنصر همچنين مي‌تواند وارد محلول جامد فاز آستنيت زمينه شده و از اين طريق نيز موجب بالا رفتن استحکام شود. کروم با ايجاد لايه Cr2O3 پايداري سطحي را بهبود مي‌بخشد مقادير اضافي از کروم، تشکيل فازهاي توپولوژيکي تحت عنوان TCP مثل σ و  را تشويق مي‌کند که اغلب با مورفولوژي صفحه اي ظاهر شده و بسيار ترد عمل مي‌کنند پ- کبالت: اين عنصر علاوه بر آنکه با ايجاد محلول جامد مي‌تواند به افزايش استحکام سوپرآلياژ کمک کند، در سوپرآلياژهاي کارپذير پايه نيکل، موجب بالارفتن درجه حرارت حلاليت فاز  نيز مي‌شود و از اينرو نقش مهمي در حفظ استحکام در درجه حرارتهاي بالا دارد [5]. حذف کبالت از سوپرآلياژهاي پايه نيکل کارپذير موجب کاهش درجه حرارت کارگرم آلياژ مي‌شود، همچنين به دليل تاثير کبالت بر دماي انحلال کاربيدها، کاهش آن در سوپر‌آلياژهاي پايه نيکل ريختگي باعث کاهش خواص مکانيکي آنها مي‌شود اين عنصر تاثير کمي براستحکام بخشي رسوبي سوپرآلياژ داشته و در بعضي از سوپرآلياژهاي پايه نيکل باعث افزايش نسبي کسر حجمي  مي‌شود و درجه حرارت انجماد سوپرآلياژها را افزايش مي‌دهد ت- آلومينيم: اين عنصر يکي از عناصر تشکيل دهنده فاز  بصورت (Ni3Al) بوده و سبب تامين مقاومت به خوردگي آلياژ با ايجاد اکسيد آلومينيم در سطوح خارجي مي‌شود ث- تيتانيم: تيتانيم نيز يکي از عناصر اصلي تشکيل دهنده فاز  بشکل (Ni3Ti) بوده و همچنين باعث افزايش مقاومت به خوردگي داغ آلياژ مي‌شود  اين عنصر با مشارکت Mo تشکيل کاربيد MC را داده و عامل ايجاد رسوب سختي و فازهاي بين فلزي است  کاهش مقدار Ti باعث افزايش نقطه ذوب آلياژ شده اما اثرات مطلوب ذکر شده در بالا را نيز تضعيف خواهد کرد. لذا مقدار تيتانيم بايد در محدوده بهينه انتخاب شود ج- عناصر ديرگداز: اين عناصر شامل موليبدن،تانتالم، نيوبيم و واناديم بوده از مقادير چند دهم تا حداکثر 15% در سوپرآلياژهاي کارپذير پايه نيکل حضور دارند. عناصر مذکور نقش دوگانه‌اي در زمينه استحکام بخشي به محلول جامد و ايجاد کاربيدها مخصوصاً MC و M23C6 ايفا مي‌کنند نيوبيم به تنهايي در تشکيل فاز  در سوپرآلياژهاي پايه نيکل دخيل بوده و نيز باعث کاهش انرژي نقص در چيده شدن شبکه آستنيت زمينه مي‌شود و شعاع ذرات و نظم کريستالي فاز  را افزايش مي‌دهد عناصر ديرگداز همچنين ايجاد ترکيبات بين فلزي مي‌کنند که اغلب در درجه حرارتهاي بالا منجر به مقاومت مکانيکي سوپرآلياژ مي‌گردد اگرچه بهترين عناصر استحکام بخش زمينه سوپرآلياژ، عناصر سنگين مثل موليبدن و تنگستن به همراه نيوبيم و تانتالم هستند، ولي اين عناصر باعث افزايش دانسيته سوپرآلياژ شده که اين موضوع استفاده از آنها در صنايع هوا فضا محدود مي‌سازد. ضمن اينکه مقادير اضافي موليبدن و تنگستن تشکيل فازهاي نامطلوب و ترد را تشويق مي‌کنند. تنگستن همانند کبالت درجه حرارت ساليدوس آلياژهاي دوتايي نيکل را بالا مي‌برد چ- زيرکنيم: زيرکنيم از جمله عناصري است که باعث افزايش قابليت انعطاف پذيري سوپرآلياژها مي‌شود. اين عنصر به همراه بور، باعث افزايش مقاومت خزشي و همچنين سبب بهبود خواص کششي و خواص تنش گسيختگي آلياژ مي‌شود. زيرکنيم عاملي براي جذب عناصر مضر محسوب مي‌شود. همچنين زيرکنيم سبب ريزشدن دانه‌ها شده و پراکندگي کاربيدها در مرزدانه‌ها را اصلاح مي‌کند ح- کربن: ميزان کربن در سوپرآلياژهاي پايه نيکل تقريباً در حدود 1/0 درصد بوده و اثرات زير را در آلياژ دارد: - افزايش استحکام مرزدانه ناشي از تشکيل کاربيد - افزايش پايداري با خارج شدن عناصر فعال از زمينه آلياژ - کاهش چکش خواري و افزايش درصد تخلخل با افزايش درصد کربن ريزساختاري سوپرآلياژهاي پايه نيکل ريختگي فاز زمينه زمينه پيوسته فاز آستنيتي پايه نيکل با ساختار FCC، گاما( ) ناميده مي شود. اين فاز معمولاً شامل درصد بالايي از عناصر محلول جامد نظير کبالت، کروم، موليبدن و تنگستن مي‌باشد که باعث استحکام بخشي زمينه سوپرآلياژ مي‌شوند Normal 0 false false false EN-US X-NONE FA /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Table Normal"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin;} نزديکي اندازه اتمي و تشابه ساختار کريستالي و الکتروني عناصر محلول فوق الذکر و عنصر نيکل از جمله عوامل موثر بر حلاليت عناصر در نيکل مي‌باشند. عناصري که از نظر اندازه اتمي مشابه نيکل هستند، حلاليت بالايي را در نيکل نشان مي‌دهند. در عين حال عناصر محلولي که اختلاف اندازه اتمي آنها با نيکل زياد است، گرچه حلاليت کمي دارند ولي در افزايش استحکام سوپرآلياژ نقش موثرتري دارا مي‌باشندبا توجه به اينکه در دماهاي بالا نفوذ عناصر محلول تسريع مي‌شود، لذا عناصري با ضريب نفوذ کمتر نظير موليبدن جزو استحکام دهنده‌هاي قوي‌تر زمينه سوپرآلياژ بحساب مي‌آيند. اگرچه نيکل به تنهايي داراي مدول الاستسيته بالا يا نفوذ پذيري کم نمي‌باشد (دو عاملي که موجب افزايش مقاومت خزش گسيختگي مي‌شوند)، اما زمينه  توسط اغلب طراحان توربين گازي براي کار در حادترين شرايط دمايي مورد توجه قرار گرفته است. نکته قابل توجه اينکه بعضي از آلياژهايي که داراي زمينه  هستند قادرند حتي در دماي Tm9/0 (Tm نقطه ذوب است) مورد استفاده قرار بگيرند يا براي مدت 100000 ساعت در دماهاي پايين تر بکار گرفته شوند. بطور کلي دلايل اصلي براي پايداري آلياژهاي با زمينه  عبارتند از 1-  نيکل توانايي بالايي براي تشکيل آلياژ با ترکيب پايدار دارد. 2-  آلياژهاي پايه نيکل با افزودن کروم به تشکيل پوسته هاي محافظ غني از Cr2O3 تمايل پيدا مي کنند. اين پوسته ها داراي جاهاي خالي کاتيوني کمي مي‌باشد. بنابراين سرعت نفوذ عناصر فلزي به سمت خارج و سرعت نفوذ اکسيژن، نيتروژن، گوگرد و ساير اجزاء مزاحم به سمت داخل کاهش مي‌يابد. 3-  در دماهاي بالاتر، اين آلياژها تمايل بيشتري به تشکيل پوسته هاي غني از Al2O3 نشان مي‌دهند که اين پوسته ها مقاومت به اکسيداسيون منحصر به فردي دارند. فازهاي GCP [4] بطور‌کلي فازهاي موجود در سوپرآلياژهاي پايه نيکل به دو دسته فازGCP  و TCP[5] تقسيم مي‌شوند. فازهاي GCP که از نوع فازهاي مفيد مي‌باشند شامل کاربيدهاي M6C ,M23C6 ,MC و فاز  که فاز استحکام بخش زمينه است و معمولاً طي عمليات پيرسازي سوپرآلياژهاي پايه نيکل بوجود مي‌آيد، مي‌باشد و فازهاي TCP از نوع فازهاي مضر هستند که در ساختار برخي سوپرآلياژها ايجاد شده و اثرات نامطلوبي را برروي خواص مکانيکي مي‌گذارند. فازهاي TCP معمول در آلياژهاي نيکل σ،  و Laves مي‌باشند فاز رسوب ترکيبات A3B با ساختار FCC با نام  در سوپرآلياژها پديده‌اي بسيار مفيد مي‌باشد. فاز  با فرمول شيميايي (Al,Ti)Ni3 ، فاز اصلي استحکام بخش در بسياري از سوپرآلياژهاي پايه نيکل بوده و شبکه کريستالي آن از نظر ابعادي اختلاف کمي (در حدود (5/0%-0)) با شبکه کريستالي فاز  زمينه دارد که اين خود امکان جوانه زني همگن يک رسوب با انرژي سطحي کم و پايداري دراز مدت را فراهم ميسازد. فاز  يک سوپر‌شبکه[6] از نوع L12 (ساختار FCC منظم از نوع (AuCu3) ) بوده و تا نزديکي نقطه ذوب خود در 0C1385 نظم پردامنه اي از خود نشان مي‌دهد در فرمول استوکيومتري A3B فاز استحکام بخش ، A از عناصر نسبتاً الکترونگاتيوتر نظير نيکل، کبالت يا آهن و B از عناصر الکتروپوزيتيوتر نظير آلومينيم، تيتانيم يا نيوبيم مي‌باشد.  فاز منحصر به فردي مي‌باشد که از طريق واکنش با نابجايي‌ها بطور قابل توجهي در استحکام بخشي آلياژ شرکت مي‌کند. نکته قابل توجه اينکه با افزايش درجه حرارت استحکام فاز  افزايش مي‌يابد و علاوه براين انعطاف پذيري ذاتي فاز  از اينکه اين فاز بعنوان يک منبع شکست عمل کند جلوگيري مي‌نمايد Normal 0 false false false EN-US X-NONE FA /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Table Normal"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin;} آلومينيم و تيتانيم عناصر تشکيل دهنده اصلي فاز  هستند و براي رسوب گذاري کسر حجمي بالا از  درصدهاي متعادلي از دو عنصر لازم است. عوامل زيادي در استحکام حاصل از  سهيم مي‌باشند ازآن جمله مي‌توان به انرژي نقص در چيده شدن ، استحکام ، کرنش هاي هم سيمايي[7]، کسر حجمي  و اندازه ذرات  اشاره کردرسوبات خيلي کوچک  هميشه بصورت کروي ظاهر مي‌شوند زيرا در يک حجم مشخص رسوب‌گذاري، سطح کره 24/1 کمتر از سطح مکعب بوده و از اين رو براي حداقل کردن انرژي سطحي، شکل کروي  شکل مرجحي است در هر صورت با ذرات هم سيماي[8] مکعبي انرژي داخلي به حداقل رسيده و به صفحات کريستالوگرافي زمينه مکعبي در رسوب اجازه مي دهد که هم سيمايي خود را حفظ نمايند، از اين رو با درشت شدن اندازه ذرات ، مورفولوژي آنها مي‌تواند از کروي به مکعبي يا به شکل صفحه‌اي، بسته به مقدار عدم انطباق شبکه کريستالي زمينه-رسوب تغيير کند. توسط محققين عنوان شده است که در صورتيکه عدم انطباق شبکه بين 2/0-0 درصد باشد،  بصورت کروي و در صورتيکه عدم انطباق بين 1-5/0 درصد باشد،  بصورت مکعبي و بيشتر از 25/1 درصد بصورت صفحه اي ظاهر مي‌شود. مسئولین کارگروه متالورژی کانون دانش پژوهان طلیعه خوزستان:امین و امیر وزیریان Normal 0 false false false EN-US X-NONE FA /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Table Normal"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-priority:99; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin-top:0cm; mso-para-margin-right:0cm; mso-para-margin-bottom:10.0pt; mso-para-margin-left:0cm; line-height:115%; mso-pagination:widow-orphan; font-size:11.0pt; font-family:"Calibri","sans-serif"; mso-ascii-font-family:Calibri; mso-ascii-theme-font:minor-latin; mso-hansi-font-family:Calibri; mso-hansi-theme-font:minor-latin;}