سوپر آلیاژ پایه نیکل اینکونل 718 + دیتاشیت شرکت های سازنده

سوپر آلیاژهای پایه نیکل

سوپر آلیاژهای پایه نیکل، مواد مقاوم به خزشی هستند که در شرایط دمایی بالا مورد استفاده قرار می گیرند. از این مواد در ساخت قطعات داغ توربین های گازی و بخار، مبدل های حرارتی، دیگ های بخار، عایق های حرارتی، قطعات داغ موتور هواپیما و موشک ها استفاده می شود. آن ها به ترکیبی از خواصی چون استحکام بالا، مقاومت خزشی و خستگی خوب، مقاومت به خوردگی و توانایی کار در دماهای بالا برای زمان های طولانی (یعنی پایداری متالورژیکی) نیاز دارند. ترکیب استحکام دما بالا و مقاومت به آسیب سطحی این مواد با دیگر مواد فلزی قابل مقایسه نیست. در آن ها از عناصر کاربیدزا و دیرگدازی با نقطه ذوب بالا استفاده شده است. قطعات تهیه شده از آلیاژهای دمای بالا با روش های مختلفی ساخته می شوند. جنس، اندازه، شکل، محل مصرف و شرایط کاری قطعات، تعیین کننده روش ساخت آن ها هستند. ریختهگری، فورج و متالورژی پودر مهم ترین روش های تولید سوپر آلیاژها محسوب می شوند.

آلیاژهای دما بالا طی قرار گرفتن در شرایط کاری و دمای بالا، دچار تغییرات ریزساختاری می شوند. این تغییرات در اثر عوامل مختلفی مانند میزان پایداری فاز رسوبی ɣ՛ و تجزیه آن، تشکیل فازهای مضر، واکنش های کاربیدی، تغییر مورفولوژی فاز ɣ՛ مرزدانه ای و ایجاد ترک ها و حفره های مرزدانه ای به وجود می آیند.

وسیع ترین حوزه ی کاربرد سوپرآلیاژهای پایه نیکل صنایع هواپیمایی و توربین های گازی است؛ اما از آن ها در ماشین های فضایی، موتورهای موشک، هواپیمای آزمایشی، راکتورهای هسته ای، زیردریایی ها، دیگ های بخار، تجهیزات پتروشیمیایی و سایر کاربردهای دمای بالا نیز استفاده می شود.

قطعات داغ توربین های گازی از جمله پره های متحرک ردیف اول آن ها باید در برابر شرایط سخت دما-تنش-محیط مقاومت نمایند. بنابراین، جنس مورد نیاز برای ساخت این پره ها عامل محدود کننده ی توسعه ی توربین ها می باشد که سال ها مورد بحث متالورژیست ها بوده است. در ساخت پره های توربین گازی از آلیاژهای پایه نیکل ریخته گری شده در خلاء که با عملیات حرارتی محلول سازی و رسوب سختی مستحکم می شوند، استفاده می شود. این نوع آلیاژها نسبت به آلیاژهای پایه کبالت که در پره های ثابت به کار می روند به علت استحکام بیشتر در ساخت پره های متحرک ارجحیت دارند.

استفاده از سوپر آلیاژهای پایه نیکل در ساخت پره های توربین

اینکونل ها

در نوشته “در مورد نیکل، آلیاژهای نیکل و کاربرد آن ها بیشتر بدانید” توضیحاتی در مورد آلیاژهای نیکل داده شد. اگر بخشی از آن نوشته را به طور خلاصه یادآوری کنیم، نوشته شد که از آلیاژهای مهم و پر کاربرد نیکل می توان به آلیاژهای نیکل-مس (مونل ها)، آلیاژهای نیکل-کروم، نیکل-کروم-آهن و نیکل-کروم-آهن-مولیبدن (اینکونل ها و هستلوی ها)، آلیاژهای آهن-نیکل-کروم (اینکلوی و کارپنتر) و سوپرآلیاژهای پایه نیکل مثل برخی آلیاژهای اینکونل و هستلوی، آلیاژهای نایمونیک، ادیمت، رنه، وسپالوی و سوپر آلیاژهای تک کریستال CMSX و غیره اشاره کرد. اینکونل ها جزو آلیاژهای مهم نیکل-کروم هستند. کروم یکی از عناصر مهم آلیاژی برای آلیاژهای پایه نیکل مقاوم به خوردگی و مقاوم در دمای بالا است. کروم در حالت جامد حلالیت زیادی در نیکل (حدود ۳۰% وزنی در دمای اتاق) دارد. آلیاژهای نیکل-کروم که حاصل تشکیل محلول جامد بین نشین میان نیکل و کروم می باشند، دارای مقادیر قابل توجهی کروم در ترکیب شیمیایی خود هستند. در کنار کروم، برخی از این آلیاژها دارای آهن و مولیبدن نیز می باشند.

از جمله اینکونل های تجاری مهم می توان به آلیاژهای زیر اشاره کرد:

اینکونل ۶۰۰ یک آلیاژ سه تایی ۷۵% نیکل، ۱۵٫۵% کروم و ۸% آهن است و کاربرد زیادی در محیط های خیلی خورنده در دمای بالا دارد.

اینکونل ۶۰۱ با ترکیب ۶۰٫۵% نیکل، ۲۳% کروم، ۱۴% آهن و ۱٫۴% آلومینیوم یک آلیاژ مهندسی همه منظوره است که مقاومت به خوردگی بالایی در اغلب محیط ها و مقاومت خوبی به اکسایش در دماهای بالا دارد.

اینکونل ۶۲۵ آلیاژی با حضور ۶۱% نیکل، ۲۱٫۵% کروم، ۲٫۵% آهن، ۹% مولیبدن و ۳٫۶% کلومبیم است که قابلیت رسوب سختی ندارد ولی استحکام بالاتر آن نسبت به آلیاژهای ۶۰۰ و ۶۰۱ را به اثر استحکام بخشی محلول جامد مولیبدن و کلومبیم نسبت می دهند. این آلیاژ مقاومت بسیار بالایی نسبت به خوردگی های حفره ای در آب دریا و حضور یون های کلرید و همچنین خوردگی بین دانه ای دارد.

اینکونل ۷۱۸ آلیاژی با ترکیب ۵۵-۵۰% نیکل، ۲۱-۱۷% کروم، حدود ۳% مولیبدن، حدود ۵% نئوبیوم به همراه ۳-۲ درصد عناصر دیگر و مابقی آهن است.

قبل از ورود به بحث مشخصات شیمیایی و مکانیکی اینکونل ۷۱۸ و معرفی دیتاشیت شرکت های بزرگ سازنده این آلیاژ، توضیح مختصری راجع به مشخصه های متالورژیکی سوپرآلیاژها و اینکونل ۷۱۸ ارائه می شود که البته ممکن است بیشتر مورد نیاز دانشجویان و متخصصان متالورژی یا برخی کاربران ویژه این آلیاژ باشد. برای این بخش از نوشته از کتاب های سوپر آلیاژهای پایه نیکل دکتر سجادی و سوپرآلیاژهای دکتر عالی استفاده شده است.

مشخصه های متالورژیکی اینکونل ۷۱۸

مشخصات متالورژیکی مطلوب آلیاژ باید به گونه ای اختیار شود که آلیاژ بهترین خصوصیات مکانیکی را در شرایط کاری داشته باشد. در مورد سوپر آلیاژها، شرایط کاری عموماً دمای بالا، خستگی و شوک حرارتی، اکسایش و خوردگی داغ است.

فازهای موجود در سوپر آلیاژهای پایه نیکل عبارتند از:

فاز زمینه ɣ، فاز رسوبی ɣ՛ درون دانه ای، یوتکتیک ɣ/ɣ՛، کاربیدها، بریدها، ɣ՛ مرزدانه ای، فازهای مضر TCP

فاز زمینه ɣ

فاز زمینه ɣ با شبکه FCC، محلول جامدی از نیکل به عنوان حلال و برخی عناصر مانند: Ti، Al، Fe، Cr، Mo و W به عنوان حل شونده می باشد. اگر چه نیکل به تنهایی مشخصاتی نظیر ضریب نفوذ پایین و ضریب الاستیسیته بالا، که لازمه داشتن مقاومت خزشی بالا و استحکام دمای بالا است، را دارا نیست ولی با افزودن عناصر آلیاژی به آن می توان ترکیب شیمیایی فاز زمینه آستنیتی ɣ را به گونه ای تغییر داد که بتواند تا حدود ۰٫۹T_m در برابر خزش مقاومت نماید.

فاز رسوبی ɣ՛

زمینه ɣ با درصد بالای نیکل و با عدد جای خالی الکترونی کم، تمایل به رسوب گذاری ɣ՛ دارد. در آلیاژهای مختلف می توان شکل های مختلفی از ɣ՛ را مشاهده کرد. آن ها به صورت کروی، مکعبی و صفحه ای وجود دارند. ɣ՛ اولیه در دامنه دمایی ۱۱۲۰ تا ۱۱۷۰°C تشکیل می شود و ɣ՛ ثانویه یا ɣ՛՛ در حین عملیات حرارتی پیرسازی در دمای ۸۴۵°C به وجود می آاید. کرنش های ناشی از هم سیمایی، وجود نظم در ذرات رسوب، اختلاف مدول های الاستیکی ذره و زمینه، انرژی فصل مشترک زمینه و ذره و میزان عدم انطباق شبکه، از جمله عوامل سخت شدن آلیاژ توسط ذرات ɣ՛ می باشند.

اینکونل ۷۱۸، آلیاژ پایه نیکل-کروم می باشد که رسوب سختی شده است. همچنین دارای مقادیر قابل توجهی از آهن، نیوبیم و مولیبدن همراه با مقادیر کمی از آلومینیوم و تیتانیوم است. این ترکیب مقاومت در برابر خوردگی و استحکام بالا با جوش پذیری عالی، از جمله مقاومت در برابر ترک خوردگی پس از جوشکاری را دارا می باشد. عملیات حرارتی آلیاژ اینکونل ۷۱۸ مشابه سوپر آلیاژهای سخت شده با ɣ՛ است، با این استثناء که دماهای تابکاری انحلالی و پیرسختی پایین تر است. در ریزساختار این آلیاژ سخت شده با ɣ՛՛، هم رسوب ɣ՛՛ و هم رسوب δ وجود دارند. در این آلیاژ از رسوب δ برای کنترل ساختار مرزدانه (اندازه) استفاده می شود. برای اطمینان از تشکیل رسوبهای ɣ՛՛ و δ عملیات حرارتی مطمئنی مورد نیاز است. رسوب δ، فصل مشترک منظمی با فاز زمینه ندارد و وقتیکه مقدار آن زیاد باشد، استحکام دهی پایینی دارد. در طرف مقابل، اگر مقدار آن در حدی باشد که منجر به ریز شدن دانه ها باشد، نقش قابل ملاحظه ای در استحکام اینکونل ۷۱۸ خواهد داشت.

در آلیاژ اینکونل ۷۱۸ رسوب ɣ՛՛ پس از تابکاری انحلالی در دمای ۷۰۴ تا ۹۰۰°C تشکیل می شود. تقریباً انحلال ɣ՛ در دمای ۹۱۰°C صورت می گیرد. رسوب δ (بسته به زمان قرارگیری) در دمای نزدیک به ۸۷۱°C رسوب می کند و دمای انحلال آن تقریباً ۱۰۱۰°C است. در دمای بالاتر از انحلال δ یا میان دمای انحلال δ و ɣ՛՛ (برای کنترل اندازه دانه) می توان بر روی آلیاژ اینکونل ۷۱۸ کار و عملیات حرارتی انجام داد. این عملیات امروزه در تولید اینکونل ۷۱۸ استحکام بالا بسیار اهمیت دارد.

عموماً اینکونل ۷۱۸ در دمای ۹۵۴°C تابکاری انحلالی شده و سپس عملیات پیرسختی دو مرحله ای در دماهای کمتر انجام می گیرد. این دما برای تنشزدایی کامل یا تبلور مجدد آلیاژ کافی نیست و قابلیت شکل پذیری آن نیز پایین است. انحلال در دمای بالاتر از ۱۰۳۸°C بر ارتقاء قابلیت شکل پذیری تاثیر بیشتری دارد، اما آلیاژ را مستعد شکست ترد در آزمایش ضربه می کند.

مقایسه ریزساختار آلیاژ اینکونل ۷۱۸ تابکاری انحلالی شده، در دمای بالا کاهش قابل ملاحظه δ نسبت به آلیاژ تابکاری انحلالی شده در دماهای معمولی را نشان می دهد. خواص خزشی این آلیاژها به مقدار بهینه و توزیع δ وابسته هستند. آلیاژ اینکونل ۷۱۸ و آلیاژهای مشابه بدون ذرات ثابت کننده مرزدانه (و یا با ذرات پیوسته یا لایه)، با پیدایش ترک بین دانه ای با چکشخواری محدود شکسته می شود.

با توزیع صحیح ذرات مرزدانه ای δ، انعطاف پذیری افزایش یافته و خواص شکست بهبود می یابد. افزودن عملیات حرارتی میانی بعد از تابکاری انحلالی و قبل از عملیات پیرسختی، یک روش موثر در رسوب مجدد مقدار کافی رسوب δ در مرزدانه ها و کاهش یا حذف حساسیت به شکست ناشی از ترک در خزش می باشد.

ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی اینکونل ۷۱۸

ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی اینکونل ۷۱۸ در جداول زیر نشان داده شده است:

ترکیب شیمیایی اینکونل ۷۱۸

عنصر	مقدار %	عنصر	مقدار %
نیکل	۵۰-۵۵	آلومینیوم	۰٫۲-۰٫۸
کروم	۱۷-۲۱	تیتانیم	۰٫۶۵-۱٫۱۵
مولیبدن	۲٫۸-۳٫۳	نئوبیم	۴٫۷۵-۵٫۵
آهن	بالانس	منگنز	حداکثر ۰٫۳۵
کربن	حداکثر ۰٫۰۸	سیلیسیم	حداکثر ۰٫۳۵
کبالت	حداکثر ۱	گوگرد و فسفر	هر کدام حداکثر ۰٫۰۱۵

خواص مکانیکی اینکونل ۷۱۸

مشخصه	واحد	اینکونل ۷۱۸ رسوب سختی شده
تنش تسلیم	MPa	حداقل ۱۰۳۶
استحکام کشش نهایی	MPa	حداقل ۱۲۴۰
ازدیاد طول	%	حداقل ۱۲
سختی	HRC	۳۶

دیتاشیت اینکونل ۷۱۸:

شما کاربران و همراهان محترم عصر مواد با کلیک بر روی لینک های زیر می توانید دیتاشیت اینکونل ۷۱۸ از چند سازنده بزرگ آن را از وب سایت عصرمواد دریافت فرمایید.

دیتاشیت شرکت SPECIAL METALS

SPECIAL METALS INCONEL 718

دیتاشیت شرکت VDM METALS

VDM METALS INCONEL 718

مطالب مرتبط در عصر مواد: