بررسی آلیاژهای حافظه دار صنعتی

با گذشت زمان، علم و فناوری، تأثیر زیادی از مواد پیشرفته و جدید خواهد پذیرفت كه در این میان، آلیاژهای حافظه‌دار جایگاه ویژه‌ای به خود اختصاص داده‌اند. این دسته از مواد، با قابلیت‌های بی‌نطیری كه تاكنون از خود بروز داده‌اند، فصلی جدید را در فناوری پیشرفته و روز دنیا گشوده‌اند.

اولین مشاهدات ثبت‌شده در مورد پدیده‌ی حافظه‌داری به سال 1932 میلادی، در مورد آلیاژ Au-Cu بر‌می گردد. در سال 1938  پیدایش و پس از آن، از بین رفتن یك فاز معین در اثر كاهش و افزایش دما در آلیاژ Cu-Zn گزارش شد. در نهایت، پایه و اساس رفتار حافظه‌داری و ترمو الاستیك (الاستیك حرارتی)، بین سال‌های 1949 تا 1951 تشریح و تفسیر گردید. از آن زمان به بعد، این آلیاژها، به مرور كاربرد‌های فراوانی یافتند؛ تا این‌كه امروزه، رد پای این آلیاژها را در صنایع هوافضا، صنایع پزشكی، خودروسازی، روباتیك و...، به‌وضوح می‌توان مشاهده نمود.

علوم و تکنولوژی در قرن آینده به طور قطع تاثیر زیادی از مواد جدید خواهد گرفت . آلیاژ های حافظه دار یکی از این مواد نو هستند.این آلیاژها جزء گروهی از آلیاژهای فلزی هستند که این توانایی را دارند که اگر آنها را تا بالای دمای ویژه ای گرم کنیم ؛ قادر به بازیابی شکل اولیه خود خواهند بود.

درواقع آلیاژهای حافظه‌دار موادی هستند كه خصوصیات حافظه‌پذیری دارند. چنانچه یك آلیاژ حافظه‌دار مقداری تغییر شكل دهد و سپس تا دمایی بالاتر از دمای تغییر شكلش گرم شود، می‌تواند به شكل اولیه خود باز گردد.دمای تغییر فرم، دمای تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت و بالعكس است. این دو فاز، دارای خواص كاملا متفاوتی هستند.‏

 فهرست

 چكیده ‌ج

فصل اول: معرفی سوپرآلیاژها 

مقدمه. 2

معرفی و به کارگیری سوپرآلیاژها 4

1-2- بعضی از ویژگیها و خواص سوپر آلیاژها 5

1-3- کاربردها 6

1-4- شکل سوپر آلیاژها 7

1-5- دمای کاری سوپرآلیاژها 8

فصل دوم:انتخاب و تقسیم بندی سوپرآلیاژها 9

 فصل دوم:انتخاب و تقسیم بندی سوپرآلیاژها

2-1-  مقایسه سوپر آلیاژهای ریخته و کار شده 10

2-1-1- سوپر آلیاژهای کار شده 10

2-1-2- سوپر آلیاژهای ریخته. 11

2-2- خواص سوپر آلیاژها 12

2-2-1- خواص مکانیکی. 12

2-2-2- خواص فیزیکی و چگالی. 14

2-3- انتخاب سوپر آلیاژها 14

2-4-1-  سوپرآلیاژهای كارپذیر 16

2-4-2- سوپرآلیاژهای متالورژی پودر 17

2-4-3-  سوپرآلیاژهای پلی‌كریستال ریختگی. 18

4-2-4- سوپرآلیاژهای تككریستالی انجماد جهتدار 18

2-5-1-  سوپرآلیاژهای پایه نیكل. 23

2-5-2-  سوپرآلیاژهای پایه آهن. 23

2-5-3- سوپرآلیاژهای پایه كبالت.. 24

 فصل سوم:متالورژی سوپر آلیاژها (عناصر آلیاژی و اثرات آن بر ریزساختارها)

مقدمه. 26

عناصر اصلی در سوپر آلیاژها 26

عناصر جزئی مفید در سوپر آلیاژها 27

عناصر تشکیل دهنده فازهای ترد 27

عناصر ناخواسته و مضر در سوپر آلیاژها 28

عناصر ایجاد کننده مقاومت خوردگی و اکسیداسیون. 28

3-7- خلاصه عناصر آلیاژی. 28

3-8- ریز ساختارها 29

3-8-1-مقدمه. 29

3-8-2- خلاصه فازها در سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن ـ نیکل. 29

3-9- نمونه ریز ساختارها 30

3-10- تاثیر فرایند بر بهود ریز ساختار 31

 فصل چهارم:فرآیندهای تولید سوپرآلیاژها

4-1- ریخته گری دقیق. 34

4-1-1-ریخته گری دقیق چیست؟ 34

4-1-2-کاربرد در سوپر آلیاژها 34

4-2- محصولات ریخته گری دقیق. 35

4-2-1-قطعات چند بلوری. 35

4-3- شکل دهی سوپر آلیاژها 39

3-4-1- مقدمه. 39

3-4-2- نقش عناصر آلیاژی بر قابلیت شکل پذیری. 41

3-4-3- تاثیر شرایط آلیاژ بر شکل پذیری. 42

4-4- متالورژی پودر 43

4-4-1-مقدمه. 43

4-4-2-تاریخچه. 44

4-4-3-سوپر آلیاژهای متالورژی پودر امروزی. 46

4-4-4-سوپر آلیاژهای پایه کبالت متالورژی پودر 48

4-5-عملیات حرارتی. 49

4-5-1-چرا عملیات حرارتی انجام می گیرد؟ 49

4-5-2-عملیات حرارتی چیست؟ 49

4-5-3-عملیات حرارتی مشترک سوپر آلیاژها 50

4-5-4- تعدادی از عملیات حرارتی ناآشکار 50

4-6- فن آوری و روش اتصال. 52

4-6-1- مقدمه. 52

4-6-2- اتصال سوپرآلیاژها 54

4-6-3- اتصال انواع آلیاژها 54

4-7- ماشین کاری. 56

4-7-1- مقدمه. 56

4-7-2-روش های ماشین کاری. 57

4-7-3- مروری بر ماشین کاری سوپر آلیاژها 57

4-7-4مواد ابزار برشی. 58

4-7-5-عمر ابزار 60

4-7-6-سنگ زنی. 60

4-7-7-مقایسه ساخت.. 61

4-7-8-عملیات ماشین کاری ویژه 63

 فصل پنجم:ارتباط بین ساختار و خواص

5-1-مقدمه. 69

5-1-1-ریز ساختار 69

5-1-2-خواص مکانیکی. 69

5-1-3-لکه. 70

5-1-4-اکسید و پوسته. 70

5-2-جلوگیری ، کاهش و اندازه گیری آلودگی های فلزی. 71

5-3-اثرات عناصر مضر (سنگین) بر خواص... 71

5-4-دسترسی به اطلاعات خواص... 76

5-5-خواص سوپرآلیاژهای کارشده 77

 فصل ششم:خوردگی و حفاظت سوپر آلیاژها

6-1-مقدمه. 80

6-2خلاصه فرایند اکسیداسیون. 81

6-3-حفاظت در مقابل اکسیداسیون و خوردگی داغ. 83

6-4-پوشش هایی برای حفاظت سوپر آلیاژها 83

6-4-1-پیشینه. 83

6-4-2-انواع پوشش ها 84

فصل هفتم:نگاهی به گذشته و آینده 

7-1-قرن بیستم. 88

7-1-1-توسعه تا سال 1960 میلادی. 88

7-1-2-نمودار پیشرفت استحکام / دما سوپر آلیاژها 89

7-1-3-چهار دهه آخر 91

7-1-4-نمودارهای دیگر سوپر آلیاژها 92

7-1-5-نتیجه پیشرفت ها 95

7-2-قرن بیست و یکم. 96

7-2-1-مواد جایگزین. 96

7-2-2-شبیه سازی مدل. 96

7-2-3-دورنمای آینده نزدیک.. 98

7-2-4-بعضی از آلیاژهای بهبود یافته حال حاضر 99

7-2-5-دورنمای بلند مدت.. 100

منابع: 103 

فهرست جداول

جدول 4-1 ـ ترکیب شیمیایی تعدادی از سوپر آلیاژهای متالورژی پودر 47

جدول 4-2 ـ کاربرد سوپر آلیاژهای متالورپی پودر سیستم های موتوری. 47

جدول 4-3 ـ کاربردهای هوا فضایی سوپر آلیاژهای متالورژی. 47

جدول 4-4 ـ موتورها و سیستم های استفاده کننده از سوپر آلیاژهای متالورژی پودر در شرایط پرس گرم و ایزواستاتیک   48

جدول 4-5 ـ عملیات حرارتی تابکاری انحلالی و سیکل های پیر سخت کردن آلیاژهای کار شده مقاوم در برابر حرارت   51

جدول 4-6 ـ عملیات حرارتی تابکاری انحلالی و سیکل های پیر سخت کردن آلیاژهای پایه نیکل رسوب سخت شده 52

جدول 4-7 ـ تعدادی از فولادهای تندبر به کار رفته در ماشین کاری سوپر آلیاژها 59

جدول 4-8 ـ تعدادی از کاربیدهای تف جوشی شده به کار رفته در ماشین کاری سوپر آلیاژها 59

جدول 4-9- زمان ساخت لازم برای تولید قطعه ای از سوپر آلیاژهای پایه نیکل Hastelloy X, Rene 41 و سوپر آلیاژ پایه نیکل Hastelloy X, Rene 41 و سوپر آلیاژ پایه کبالت HS-25 زمان به ازائ قطعه و زمان کلی تولید . 62

جدول 4-10 ـ رده بندی ساخت سوپر آلیاژهایی که زمان ساخت آنها در جدول نشان داده شده است. 63

جدول 5-1 ـ نتایج تنش ـ گسیختگی سوپر آلیاژ پایه نیکل ریخته MAR-M-002 نیتروپن دار یا سیلیسیم دار 74

 فهرست اشکال

شکل 1-1 ـ استحکام گسیختگی سوپر آلیاژها 4

شکل 2-2 ـ مقایسه استحکام گسیختگی سوپر آلیاژهای معمولی با یک آلیاژ ODS. 13

شکل 2-3- قطعه نمونه تهیه شده از آلیاژ کارپذیر 16

شکل 2-4- قطعه نمونه ساخته شده از سوپرآلیاژ پلی کریستال. 18

شکل 2-5- قطعه نمونه تهیه شده از سوپرآلیاژ پایه آهن. 24

شکل 3-3 ـ درشت ساختار سه نوع تیغه توربین PC (چپ) CGDS (وسط) SCDS (راست) 32

شکل 3-4 ـ درشت ساختار تا ریزساختار یک تک بلور سوپر آلیاژ پایه نیکل. 33

شکل 4-1 ـ کوره قدیمی ریخته گری تولید قطعات DS. 36

شکل 4-2 ـ پره های هدایت و اجزاء آن از آلیاژ پایه کبالت ریخته چند بلوری. 37

شکل 4-3- پره های هوا و قطعات دیگر توربین گاز ریخته گری دقیق شده 37

شکل 4-4- تیغه توربین توخالی ریخته چند بلوری با طرح خنک کنندگی ساده به همراه سطح مقطع تعدادی قطعات خنک کننده دیگر. 38

شکل 4-5- مقطعی از تیغه با شکل پیچیده از جنس آلیاژ پایه نیکل چند بلوری. 38

شکل 4-6 ـ یک قطعه ریخته بزرگ.. 39

شکل 4-7 ـ موتور توربین گاز ریخته گری شده (a) افشانک های یکپارچه چند بلوری (b) گدنده های یکپارچه  39

شکل 4-8 ـ اثر کار سرد بر سختی تعدادی از سوپر آلیاژها و فولادها 41

شکل 4-9 ـ مراحل فرآیند تولید دیسک کمپرسور توربین به روش متالورژی پودر و کاهش وزن اولیه در این روش در مقایسه با روش تولید سنتی. 44

شکل 4-10 ـ قطعات استفاده شده برای مقایسه قابلیت ماشین کاری داده شده در جدول های 4-7 و 4-8  62

شکل 5-1- اثرات Te, Se, Pb بر خواص تنش ـ گسیختگی سوپر آلیاژ پایه نیکل کاری شده Nimonic 105 در دمای C 815 و (a) 350 Mpa عمر گسیختگی (b) درصد کاهش سطح (RA) 72

شکل 5-4 ـ اثر مقدار Bi و ریز ساختار بر عمر گسیختگی سوپر آلیاژ پایه نیکل ریخته MAR-M-002 در شرایط (a) CGDS(b), PC در جهت عمود بر مرز دانه ها و (c) cgds در جهت موازی با مرزدانه ها. 74

شکل 5-3- اثر سرب بر رفتار خزش و پیدایش ترک در آلیاژ کار شده Nimonic 105 در دمای 815 C و تنش 232 Mpa . 74

شکل 5-6 ـ اثر مقدار سرب بر خواص خزش ـ گسیختگی سوپر آلیاژ پایه نیکل IN-718. 76

شکل 5-7 ـ استحکام گسیختگی 1000 ساعت سوپر آلیاژهای پایه نیکل کار شده نسبت به دما. 78

شکل 5-8 ـ استحکام گسیختگی 1000 ساعت سوپر آلیاژهای پایه کبالت و پایه آهن ـ نیکل نسبت به دما 78

شکل 7-1 ـ توانایی دما ، استحکام سوپر آلیاژهای منتخب به صورت تابعی از سال پیدایش (1945 تا 1970) a کمپرسور و دیسک توربین b محفظه احتراق c پره توربین d تیغه های توربین. 90

شکل 7-2 ـ توانایی دما ـ استحکام سوپر آلیاژهای پایه نیکل منتخب به صورت تابعی از سال پیدایش (تقریباً 1950 تا 1990) 91

شکل 7-3 ـ پیشرفت استحکام تسلیم سوپر آلیاژ  دیسک توربین از سال 1940 تا 1990. 93

شکل 7-4 ـ افزایش دما ت استحکام سوپر آلیاژ های پایه نیکل از سال 1942 تا 1982 میلادی دماهای نشان  داده شده دماهای لازم برای گسیختگی در 1000 ساعت و تنش Mpa 150 هستند . 94

شکل 7-5- افزایش توانایی دما-استحکام سوپرآلیاژهای پره های توربین بزرگ به صورت تابعی از سال پیدایش(تقریبا از سال 1950 تا 1990) نتایج پیشرفت انواع pc ، CGDS ، SCDS آلیاژ IN-738 را نشان می دهد. 94

شکل 7-3- افزایش توانایی دما-استحکام سوپرآلیاژها به صورت تابعی از سال پیدایش – تقریبا 1942 تا 1990. 101

شکل 7-4. 102