1

: سوپر آلیاژ پایه نیکلمقدمه:

سوپر آلیاژها، آلیاژهای مقاوم به گرما در دمای باال هستندو قادرند ک��ه اس��تحکام خود را در دماهای باال حفظ نماین��د. س��وپر آلیاژه��ا همچ��نین مق��اومت خ��وبی ب��ه خوردگی و اکسایش و مقاومت زیادی به خزش و شکس��ت در دم��ای ب�اال دارن�د.

-پای��ه نیک��ل/2   -پای��ه نیکل1بطور کلی سه دسته اساسی سوپر آلیاژ وجود دارد:-پایه کبالت 3    آهن

در بریتانیای1941 در سال Nimonic80اولین آلیاژ پایه نیکل قابل رسوب سختی ک��ه عم��دتاCr,2.25%Ti,1%Al,Ni%20کبیر توسعه یافت. این آلیاژ محلول جام��د

میباش��د.وس��یعترین ک��اربرد س��وپر آلیاژه��اNi3(Ti,Al)دارای رسوبات ب��ا ت��رکیب مربوط به صنایع هواپیما و توربینهای گازی است،ماشینهای فضایی، موتورموشک ،هواپیمای آزمایش��ی رآکتوره��ای هس��ته ای، زیردریائیه��ا،دیگه��ای بخ��ار،تجه��یزات

پتروشیمی و...تقسیم بندی سوپر آلیاژهای پایه نیکل:

تقسیم بندی سوپر آلیاژ نیکل بر اساس ذوب:     (1الف-آلیاژهای اولیه ذو ب شونده در هوا

ب-آلیاژهای جدید ذو بشونده در هواج-آلیاژهای اولیه ذوب در خال

د-آلیاژهای ذوب شونده در خال با استحکام باال تقسیم بندی سوپر آلیاژهای نیکل بر حسب ترکیب شیمیایی:     (2باالMo-آلیاژهای با 1 Ni-Cr(75-15)-آلیاژها با 2 Ni-Cr(75-20)-آلیاژها با3 Ni(35-60),Cr-Co(20-20)-آلیاژها با4 Ni,Cr,Co,Mo-آلیاژها با درصد مختلف از 5-آلیاژهای اصالح شده گروه پنج با کبالت کمتر6-آلیاژهای اصالح شده گروه پنج با آهن بیشتر و کبالت کمتر7-آلیاژهای اصالح شده گروه یک با آهن زیاد و مولیبدن کم 8

گروه یک سوپر آلیاژ نیکل: داشته .دارای مقاومت خوبی در برابر اسیدها می باشند.مثال:Mo%15بیشتر از

HastelloyBآلیاژی بود که برای ساخت پره های تولی��د ش��ده از طری��ق ف��ورج در بکار رفت.I-16موتور توربین

گروه دو سوپر آلیاژ نیکل: عناص��ر دیگ��ر می باش��د.قاب��ل رس��وب س��ختی میNi,15%Cr,10%%75دارای

باشند. بعضی از آلیاژهای این گروه در دو مرحله پیر سختی می شوند.

2

کار سرد میتواند سبب افزایش استحکام در کاربردهای با دمای پائین تر گرددک��ه در این حالت مواد می توانند به سادگی تنش زدایی ش��وند.تولی��دات ک��ار س��رد و

آنیل می شوند. 1800fکشش سرد در حدود گروه سوم سوپر آلیاژ نیکل:

( که ب��ه80Ni-20Crاین آلیاژها در انگلستان توسعه یافته و بر مبنای آلیاژ نیکروم) میزان زیادی برای ساخت المنتهای کوره های الکتریکی بک��ار می رود ، ط��راحی

گردیدند. گروه چهارم سوپر آلیاژ نیکل:

افزوده گردی��ده.Co%20حدود Niمشابه گروه دو و سه بوده بجز آنکه با کاهش نسبت به گروههای قبلی استحکام خزش-گسیختگی بیشتری دارد.

گروه پنجم سوپر آلیاژ نیکل: می باشند. به منظورMo% یا بیشتر 3با چهار گروه قبلی متفاوتند. دارای حدود

ساخت اجزاء توربین گ��ازی، نظ��یر پ��ره ه��ای ت��وربین،دیس��کها،پ��ره ه��ای ه��دایت کننده، محفظه احتراق، پس سوزو... استفاده می شوند.برای ساخت اجزائی که در دمای باال بکار رفته و نیازمند استحکام باال در دماهای باال می باش��ند مناس��ب

اند. گروه ششم سوپر آلیاژ نیکل:

ب��االتر مانن��دNiبسیار شبیه گروه پنج بوده ب��ا مق��دار کب��الت بس��یار کم و درص��د می باش��ند.درنتیج��ه اس��تحکامW یاMo%4 ب��ا بیش از 2,3ت��رکیب گ��روه ه��ای

خزش-گسیختگی بیشتری نسبت به گروه دو و سه دارند. گروه هفتم سوپر آلیاژ نیکل:

% و کاهش کب��الت و ک��اهش م��یزان نیک��ل ب��رای15افزایش مقدار آهن بیش از ساخت قطعات پیچیده از طریق جوشکاری و ورقها که نیاز به ترکیبی از ق��ابلیت ساخت عالی ، استحکام در دماهای باال و مق�اومت اکسیداس��یون دارن�د مناس��ب

اند.گروه هشتم سوپر آلیاژ نیکل:

(17-20 %)FeوMo داشته 10 کمتر از % اس��تحکام خ��زش-گس��یختگی این گ��روه بان��دازه س��ایر گروهه��ا نمی باش��د ام��ا مزیتهای آن قیمت پائین تر و ساخت آسانتر می باشد. برخی از کاربرد ه��ای این آلیاژ در دماهای باال،قطعات کوره ها و کاربرد در اجزاء موتور هواپیما نظ��یر پس

سوز، پره های توربین،پره های هدایت کننده و...معرفی و به کار گیری سوپر آلیاژها

طراحان نیاز فراوانی به مواد مستحکم تر و مقاوم تر در براب��ر خ��وردگیچکیده: دارند. فوالدهای زنگ نزن توس��عه داده ش��ده و ب��ه ک��ار رفت��ه در دهه ه��ای دوم و س��وم ق��رن بیس��تم میالدی، نقط��ه ش��روعی ب��رای ب��رآورده ش��دن خواس��ته های مهندسی در دماهای باال بودند. بعدا معل��وم ش��د ک��ه این م��واد تحت این ش��رایط دارای استحکام محدودی هستند. جامعه متالوژی با توجه به نیازه��ای روز اف��زون

3

بوجود آمده، با ساخت جایگزین فوالد زنگ نزن که سوپر آلیاژ نامیده شد ب��ه این تقاضا پاسخ داد. البته قبل از سوپر آلیاژها مواد اصالح ش��ده پای��ه آهن ب��ه وج��ود آمدند، که بعدها نام سوپر آلیاژ به خود گرفتن��د. ب��ا ش��روع و ادام��ه جن��گ جه��انی دوم توربین های گازی تبدیل به یک مح��رک ق��وی ب��رای اخ��تراع و ک��اربرد آلیاژه��ا

افزودن آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژهای از نوع نیکروم ب��ه1920شدند. در سال عنوان اختراع به ثبت رسید، ولی ص��نعت س��وپر آلیاژه��ا ب��ا پ��ذیرش آلی��اژ کب��الت )ویت��الیوم( ب��رای ب��رآورده ک�ردن نی��از ب�ه اس��تحکام در دم��ای ب��اال در موتوره��ای هواپیما پدیدار شدند. بعضی آلیاژه��ای نیک��ل- ک��روم )اینکون��ل و نیمونی��ک( مانن��د سیم نسوز کم و بیش وجود داشتند و کار دستیابی به فلز قوی تر در دمای ب��االتر

برای رفع عطش سیری ناپذیر طراحان ادامه یافت و هنوز هم ادامه دارد. متن مقاله:

سوپر آلیاژها؛ آلیاژهای پایه نیکل، پایه آهن- نیکل و پایه کبالت هستند ک��ه عموم��ا اس��تفاده می ش��وند. س��وپر آلیاژه��ای پای��ه آهن- نیک��لoC540در دماهای باالتر از

از فن آوری فوالده��ای زن��گ ن��زن توس��عه یافت��ه و معم��وال ب��هIN-718مانند آلی��اژ صورت کار شده می باشند. سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت بس��ته ب��ه ن��وع

کاربرد و ترکیب شیمیایی می توانند به صورت ریخته یا کار شده باشند. رفتار تنش- گسیختگی سه گروه آلیاژی با یکدیگر مقایسه شده اند1-1در شکل

-1 و 1-1)سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل، پایه نیکل و پایه کب��الت(. در ج��دولهای فهرستی از سوپر آلیاژها و ترکیب شیمیایی آنها آورده شده است.2

سوپر آلیاژهای دارای ترکیب شیمیایی مناسب را می توان با آهنگ��ری و ن��ورد ب��ه اش��کال گون��اگون در آورد. ترکیب ه��ای ش��یمیایی پ��ر آلی��اژتر معم��وال ب��ه ص��ورت ریخته گری می باشند. ساختارهای سرهم بندی شده را می توان ب��ا جوش��کاری ی��ا لحیم ک��اری بدس��ت آورد، ام��ا ترکیب ه��ای ش��یمیایی ک��ه دارای مق��ادیر زی��ادی از فازهای سخت کننده هستند، به سختی جوشکاری می شوند. خواص سوپر آلیاژها را با تنظیم ترکیب شیمیایی و فرآیند )شامل عملی��ات ح��رارتی( می ت��وان کن��ترل

کرد و استحکام مکانیکی بسیار عالی درمحصول تمام شده بدست آورد.- مروری کوتاه بر فلزات با استحکام در دمای باال 1-2

استحکام اکثر فلزات در دماهای معمولی به صورت خواص مکانیکی کوتاه مدت مانند استحکام تسلیم یا نهایی اندازه گیری و گزارش می شود. با افزایش دما ب��ه

درصد دمای نقطه ذوب )ب��ر حس��ب دم��ای مطل��ق(50ویژه در دماهای باالتر از استحکام باید بر حسب زمان انجام اندازه گیری بی��ان ش�ود. اگ�ر در دماه��ای ب��اال باری به فلز اعمال شود که به طور قابل مالحظه ای کمتر از بار منجر به تس��لیم در دمای اتاق باشد، دیده خواهد شد که فل��ز ب��ه ت��دریج ب��ا گذش��ت زم��ان ازدی��اد طول پیدا می کند. این ازدیاد طول وابسته به زمان خزش نامیده می ش��ود و اگ��ر به اندازه کافی ادام�ه یاب�د ب�ه شکس�ت )گس�یختگی( قطع�ه منج��ر خواه�د ش�د. استحکام خزش یا استحکام گس��یختگی )در اص��طالح ف��نی اس��تحکام گس��یختگی خزش یا استحکام گسیختگی تنشی نامیده می شود( همانند استحکام های تس��لیم

4

و نهایی در دمای اتاق یکی از مولفه های مورد نیاز برای فهم رفتار مکانیکی ماده است. در دماهای باال استحکام خس��تگی فل��ز ن��یز ک��اهش پی��دا می کن��د. بن��ابراین برای ارزیابی توانایی فلز با در نظ��ر گ��رفتن دم��ای ک��ار و ب��ار اعم��ال ش��ده الزم است، اس��تحکام های تس�لیم و نه�ایی، اس��تحکام خ�زش، اس��تحکام گس��یختگی و استحکام خستگی معلوم باشند. ممکن است به خواص مکانیکی مرتب��ط دیگ��ری مانند مدول دینامیکی، نرخ رشد ترک و چقرمگی شکست نیز نیاز باشد. خ��واص فیزیکی ماده مانند ضریب انبساط حرارتی، جرم حجمی و غیره فهرست خواص

را تکمیل می کنند.- اصول متالورژی سوپر آلیاژها 1-3

سوپر آلیاژهای پایه آهن، نیکل و کب��الت معم��وال دارای س��اختار بل��وری ب��ا ش��کل ( هس��تند. آهن و کب��الت در دم��ای محی��ط دارایFCCمکعبی با سطوح مرکزدار )

نیستند. هر دو فلز در دماهای باال یا در حضور عناص�ر آلی�اژی دیگ��رFCCساختار تب��دیل می ش��ود. در مقاب��ل، س��اختمانFCCدگرگونی یافته و شبکه واحد آنها به است. حد ب��االیی این عناص��ر در س��وپرFCCبلوری نیکل در همه دماها به شکل

آلیاژها توسط دگرگونی فازها و پیدایش فازهای آلوتروپیک تعیین نمی ش��ود بلک��ه توس��ط دم��ای ذوب موض��عی آلیاژه��ا و انحالل فازه��ای اس��تحکام یافت��ه تع��یین می گردد. در ذوب موضعی بخش��ی از آلی��اژ ک��ه پس از انجم��اد ت��رکیب ش��یمیایی تعادلی نداشته است در دمایی کمتر از مناطق مجاور خ��ود ذوب می ش��ود. هم��ه آلیاژها دارای یک محدوده دمایی ذوب شدن هستند و عمل ذوب ش��دن در دم��ای ویژه ای صورت نمی گیرد، ح�تی اگ�ر ج��دایش غ��یر تع��ادلی عناص��ر آلی��اژی وج�ود

و ت��رکیبFCCنداش��ته باش��د. اس��تحکام س��وپر آلیاژه��ا ن��ه تنه��ا بوس��یله ش��بکه شیمیایی آن، بلکه با حض��ور فازه��ای اس��تحکام دهن��ده وی��ژه ای مانن��د رس��وب ها افزایش می یابد. کار انجام شده بر روی سوپر آلیاژ )مانند تغییر شکل سرد( ن��یز اس��تحکام را اف��زایش می ده��د، ام��ا این اس��تحکام ب��ه هنگ��ام قرارگ��یری فل��ز در

دماهای باال حذف می شود. به ف�از پای�دارتری در دم��ای پ�ایین وج�ود دارد ک�هFCCتمایل به دگرگونی از فاز

س��وپر آلی��اژ ق�ابلیتFCCگاهی در سوپر آلیاژهای کبالت اتف�اق می افت�د. ش�بکه انحالل وسیعی برای بعضی عناصر آلیاژی دارد و رسوب فازهای استحکام دهنده )در سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل و پایه نیکل( انعطاف پذیری بسیار ع��الی آلی��اژ

gr/cm3 87/7را به همراه دارد. چگالی آهن خالص و چگالی نیکل و کبالت تقریب��اgr/cm3 9/8 می باشد. چگالی سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل تقریبا gr/cm3 3/8-9/7 است.gr/cm3 9/8-8/7 و پایه نیکل gr/cm3 4/9-3/8پایه کبالت

چگالی سوپر آلیاژها به مقدار عناصر آلیاژی افزوده ش��ده بس��تگی دارد. عناص��ر,Crآلی��اژی Ti و Al چگ��الی را ک��اهش و Re, W و Ta.آن��را اف��زایش می دهن��د

,Crمقاومت به خوردگی سوپر آلیاژها نیز به عناصر آلیاژی افزوده شده به وی��ژه Al.و محیط بستگی دارد

5

1537 و 1495 و 1453دمای ذوب عناصر خالص نیکل، کبالت و آهن به ت��رتیب درجه سانتی گراد است. دمای ذوب حداقل )دم��ای ذوب موض��عی( و دامن��ه ذوب سوپر آلیاژها، تابعی از ترکیب شیمیایی و فرآیند اولیه است. به ط��ور کلی دم��ای ذوب موضعی سوپر آلیاژهای پای�ه کب��الت نس�بت ب��ه س��وپر آلیاژه��ای پای��ه نیک��ل

از خ��ودoC1204بیشتر است. س��وپر آلیاژه��ای پای��ه نیک��ل ممکن اس��ت در دم��ای ذوب موضعی نشان دهند. ان��واع پیش��رفته س��وپر آلیاژه��ای پای��ه نیک��ل ت��ک بل��ور دارای مقادیر محدودی از عناص��ر ک��اهش دهن��ده دم��ای ذوب هس��تند و ب��ه همین لحاظ، دارای دمای ذوب موض��عی براب��ر ی��ا کمی بیش��تر از س��وپر آلیاژه��ای پای��ه

کبالت هستند.- بعضی از ویژگیها و خواص سوپر آلیاژها 1-4

دارای استحکامoC540- فوالدهای معمولی و آلیاژهای تیتانیوم در دماهای باالتر 1کافی نیستند و امکان خسارت دیدن آلیاژ در اثر خوردگی وجود دارد.

2 - چنانچه استحکام در دماهای باالتر )زیر دمای ذوب که برای اکثر آلیاژها تقریبا درجه سانتیگراد است( مورد نیاز باشد، سوپر آلیاژهای پای��ه نیک��ل1371-1204

انتخاب می شوند. - از سوپر آلیاژهای پایه نیکل می توان در نسبت دم��ایی ب��االتری )نس��بت دم��ای3

کار ب��ه دم�ای ذوب( در مقایس�ه ب�ا م��واد تج��اری موج�ود اس�تفاده ک�رد. فل��زات دیرگداز )نسوز( نس��بت ب��ه س��وپر آلیاژه��ا دم��ای ذوب ب��االتری دارن��د ولی س��ایر خواص مطلوب آنها را ندارند و به همین خاطر به ط��ور وس��یعی م��ورد اس��تفاده

قرار نمی گیرند. - سوپر آلیاژه��ای پای��ه کب��الت را می ت�وان ب�ه ج�ای س�وپر آلیاژه�ای پای��ه نیک�ل4

استفاده کرد که این جایگزینی به اس��تحکام م��ورد نی��از و ن��وع خ��وردگی بس��تگیدارد.

- در دماهای پایین تر وابسته به استحکام مورد نی��از، س��وپر آلیاژه��ای پای��ه آهن-5 نیکل نس�بت ب�ه س�وپر آلیاژه�ای پای�ه نیک��ل و پای�ه کب�الت ک�اربرد بیش�تری پی��دا

کرده اند. - استحکام سوپر آلیاژ نه تنها مستقیما به ترکیب شیمیایی بلکه به فرآیند ذوب،6

آهنگری و روش شکل دهی، روش ریخته گری و بیشتر از همه به عملیات حرارتیپس از شکل دهی، آهنگری یا ریخته گری بستگی دارد.

- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیک��ل نس��بت ب��ه س��وپر آلیاژه��ای پای��ه نیک��ل و پای��ه7کبالت ارزان تر هستند.

- اکثر سوپر آلیاژهای کار شده ب��رای بهب��ود مق��اومت خ��وردگی دارای مق��داری8 کروم هستند. مقدار کروم در آلیاژه�ای ریخت�ه در ابت��دا زی�اد ب�ود، ام��ا ب��ه ت��دریج مقدار آن کاهش یافت تا عناصر آلیاژی دیگ��ری ب��رای اف��زایش خ�واص مک��انیکی سوپر آلیاژهای دما باال، به آنها اف��زوده ش��وند. در س��وپر آلیاژه��ای پای��ه نیک��ل ب��ا کاهش کروم مقدار آلومینیوم افزایش یافت، در نتیجه مقاومت اکسیداسیون آنها

6

در همان سطح اولیه باقی می ماند و یا افزایش می یاب��د، ام��ا مق��اومت در براب��رانواع دیگر خوردگی کاهش می یابد.

- سوپر آلیاژها مقاومت در برابر اکسیداسیون باالیی دارند اما در بعضی م��وارد9 مقاومت خوردگی کافی ندارند. در کاربردهایی مانند توربین هواپیما که دما باالتر

اس��ت س��وپر آلیاژه��ا بای��د دارای پوش��ش باش��ند. س��وپر آلیاژه��ا درoC760از مانن��د توربین ه��ای گ��ازیoC649کاربرده��ای ط��والنی م��دت در دماه��ای ب��االتر از

زمینی می توانند پوشش داشته باشند. - فن آوری پوش��ش دهی س��وپر آلیاژه��ا بخش مهمی از ک��اربرد و توس��عه آنه��ا10

می باش��د. نداش��تن پوش��ش ب��ه مع��نی ک��ارآیی کم س��وپر آلی��اژ در دراز م��دت ودماهای باال است.

- در سوپر آلیاژها به ویژه در سوپر آلیاژهای پای��ه نیک��ل بعض��ی از عناص��ر در11 مقادیر جزئی تا زیاد اض�افه ش�ده اند. در بعض��ی از آلیاژه�ا تع�داد عناص�ر کن��ترل

عنصر و بیشتر می تواند باشد.14شده موجود تا - نیکل، کبالت، کروم، تنگستن، مولیبدن، رنیم، هافنیم و دیگر عناصر استفاده12

شده در سوپر آلیاژها اغلب گران بوده و مقدارشان در طی زمان متغیر است. 

- کاربردها1-5 کاربرد سوپر آلیاژها در دماه��ای ب��اال بس��یار گس��ترده و ش��امل قطع��ات و اج��زاء

ک��ه یکی از آخ��رینF119هواپیما، تجهیزات شیمیایی و پتروشیمی اس��ت. موت��ور موتورهای هواپیماهای نظامی است، نشان داده شده است. دمای گ��از در بخش

برسد.oC 1093داغ موتور )ناحیه خروجی موتور( ممکن است به دمایی باالتر از با استفاده از سیستمهای خنک کننده دم��ای اج��زاء فل��زی ک��اهش پی��دا می کن��د و سوپر آلیاژ که توانایی کار کردن در این دمای باال را دارد، ج��زء اص��لی بخش داغ

به شمار می رود. اهمیت سوپر آلیاژها در تجارت روز را می توان با ی��ک مث��ال نش��ان داد. در س��ال

درصد از کل وزن توربین های گاز هواپیما از سوپر آلیاژها ساخته10 فقط 1950 درصد رسید.50 میالدی این مقدار به 1985می شد، اما در سال

فهرستی از کاربردهای جاری سوپر آلیاژها آورده شده اس��ت.بای��د3-1در جدول خاطر نشان ساخت، که همه کاربرده��ا ب��ه اس��تحکام در دم��ای ب��اال نی��از ندارن��د. ترکیب و مقاومت خوردگی سوپر آلیاژها، مواد استانداردی برای س��اخت وس��ایل

ژها همچنین کاربردهایی در دماهایی بسیار پزشکی بوجود آورده است. سوپر آلیا پایین پیدا کرده اند.

انتخاب سوپر آلیاژها

7

- کلیات 2-1 داده ه��ایی درب��اره تنش گس��یختگی س��وپر آلیاژه��ا آورده2-2 و 1-2در جدولهای

می توانی��د ی��ک نگ��اه کلی ب��ر روی تنش1-1ش��ده اس��ت. ب��ا مراجع��ه ب��ه ش��کل گسیختگی سوپر آلیاژها داش��ته باش��ید. جمع آوری اطالع��ات بیش��تر ب��ه داده ه��ای ارائه شده، از طرف سازندگان و نیز دسترسی به اطالع��ات ف��نی منتش��ر ش��ده بس��تگی دارد. ب��ه اس��تثناء محص��والت ن��ورد ش��ده مانن��د ورق و میل��ه در بقی��ه محصوالت قطعا نمی توان انتظار داشت، که ت��رکیب ش��یمیایی بدس��ت آم��ده، از آزمون در آزمایشگاه های مختلف با یکیدگر براب�ر و یکس�ان باش��ند. ری�ز س�اختار تنها عامل مهم در تعریف و تعیین خواص مکانیکی سوپر آلیاژهاس��ت. تغی��یر ری��ز ساختار به معنی تغییر خواص و نتایج آزمون است. بدون توجه به ری��ز س��اختار و شرایط آزمون نتایج بدس��ت آم��ده، از آزم��ایش ت��رکیب ش��یمیایی از ن��وع آم��اری خواهند بود. دنبال ک��ردن و نتیج��ه گ��یری از داده ه��ا در ه��ر آلی��اژی ک��اری دش��وار

است.- شکل سوپر آلیاژها 2-2

سوپرآلیاژها به صورت ریخته )معموال عملیات حرارتی ش��ده ی��ا تحت فرآین��دهای دیگر قرار گرفته( و یا کار شده )اغلب عملیات حرارتی شده یا تحت فرآین��دهای دیگر قرار گرفته( هستند. محصوالت ریخته ممکن است به صورت شمش ب��رای ذوب مجدد، یا کار مجدد، مانند آهنگری و یا به شکل محصول نیمه تم��ام مش��ابه محصول نهایی باشند. محص��والت ک��ار ش��ده اغلب، در ح��د واس��ط ش��کل نه��ایی

مانند، محصوالت نورد شده شامل میله، ورق، سیم، صفحه و غیره قرار دارند. یکی از مسائل مهم متالوژی سوپرآلیاژها در قرن بیستم، تولی��د ش��کل نه��ایی ی��ا نزدیک به آن محصوالت کار شده بود. )اشکال ریخته نهایی ب��ه روش ریخته گ��ری دقیق چندین دهه است که تولید می شوند(. در نتیج�ه تالش ه�ای ب�ه عم�ل آم�ده، فهم کامل فرآیندهای کار گرم و کار سرد، با اس��تفاده از رایان��ه و ب��ه ک��ار ب��ردن فن آوری های جدید، طراحان را قادر ساخت که شکل محصوالت را ت��ا ح��د ممکن

به شکل نهایی نزدیک گردانند.- دمای کاری سوپرآلیاژها 2-3

oC540همانگونه که گفته شد، سوپر آلیاژها عموما برای کار در دماه��ای ب��االتر از است، مناسب هستند.oC1204و کمتر از نقطه ذوب که معموال باالتر از

oC816آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل عموماص دارای حد دم��ایی در ح��دود هستند. در دماهای باالتر از این حد از آلیاژهای ریخته استفاده می شود. استحکام اکثر سوپر آلیاژها توسط رسوب فاز ثانوی��ه اف��زایش پی��دا می کن��د، و ح��د ب��االئی محدوده دمائی استفاده از آلیاژ تحت تاثیر نوع پایه آلیاژ )پایه نیک��ل ی��ا پای��ه آهن-

نیکل( مقدار و نوع رسوب و شکل آلیاژ )ریخته یا کار شده( است. امروزه در صنعت سوپر آلیاژها کامال مشخص است که از چه نوع آلی��اژ وی��ژه ای ب�رای ک�ار در ی�ک دم�ای مش�خص اس��تفاده ش��ود. ب�ه عن��وان مث�ال اک�ثر س��وپر

م��وردoC704-649آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل کار شده، فقط در دماهای

8

استفاده قرار می گیرند. مح��دوده دم��ایی بعض��ی از س��وپر آلیاژه��ا در دم��ای زی��رoC540 و اک��ثرا کم��تر از oC427ش��روع می ش��ود. س��وپر آلیاژه��ای ک��ار ش��ده در

توربین های گازی استفاده می شوند، زیرا آلیاژهای تیتانیوم برای این کار مناس��ب نیستند. آلیاژهای ریخته در بیشترین دما می توانند کار کنند و از آنها در موتورهای

توربین استفاده می شود. سوپر آلیاژها معموال دارای یک ویژگی مقدم ب��ر دیگ��ر ویژگی ه��ا هس��تند. در ی��ک ترکیب شیمیایی مشابه، اگر به صورت ریخته یا کار شده اس��تفاده ش��وند ممکن است عملیات حرارتی متفاوتی بر روی آنها انجام گیرد. زمانی که یک سوپر آلیاژ به همان شکل تولید شده استفاده می شود برای بهینه کردن یکی از ویژگی ه��ای

Waspaloyآن می توان از یک عملیات فرآیندی استفاده کرد. به عنوان مثال آلیاژ کار شده در ساخت دیسک توربین گاز استفاده می شود. با تنظیم شرایط فرآیند تولید این آلیاژ می توان با عملیات حرارتی فرآیندی اس��تحکام تس��لیم و در نتیج��ه

استحکام گسیختگی خزش آن را بهبود بخشید.- مقایسه سوپر آلیاژهای ریخته و کار شده 2-4

- سوپر آلیاژهای کار شده 2-4-1 یک آلیاژ کار شده معموال از شمش های ریخته ب��ه دس��ت می آی��د ام��ا چن��دین ب��ار تغییر شکل و عملیات پیش گرم روی آن انجام می شود، تا به ح��الت نه��ایی خ��ود برسد. آلیاژهای کار شده به مراتب همگن تر از آلیاژهای ریخته که معم��وال دارای جدایش ناشی از فرآیند انجماد هستند می باشند. ج��دایش نتیج��ه ط��بیعی انجم��اد

آلیاژ است، اما در بعضی از موارد به صورت شدیدتری روی می دهد. آلیاژهای کار شده، معموال انعطاف پذیرتر از آلیاژهای ریخت��ه هس��تند. محص��والت نورد مانند میله ها از نوع کار شده هستند. انعطاف پذیری آلیاژ باعث می شود که

آهنگری ن��یز محص��والتبتوان آنها را به قطعات و اشکال بهتری درآورد. قطعات کار شده هستند ک�ه م�زیت انعط�اف پ�ذیری ب��االتر م�اده ک�ار ش��ده ب��رای تولی��د

اشکال بزرگتر مانند، دیسک های توربین های گازی را دارند. هر آلیاژ را نمی ت��وان ب��ه ش��کل ک��ار ش��ده در آورد. بعض��ی از قطع��ات فق��ط ب��ه صورت ریخته تولید می شوند. آلیاژهایی که کارپذیری خیلی کمی دارن��د، ابت��دا ب��ا متالورژی پودر تولید شده و سپس آهنگری می ش��وند. ب��رای س��اخت دیس��ک های سنگین ک�ه در ناحی��ه دماه�ای متوس��ط ت�وربین گ��ازی ک�ار می کنن��د، از آلیاژه��ای متالورژی پودر و یا آلیاژهای کار شده استفاده می شود. با فرآیند متالورژی پ��ودر

می توان قطعاتی تولید کرد که مستقیما ماشین کاری شوند.

- سوپر آلیاژهای ریخته 2-4-2 سوپرآلیاژهای ریخته در ناحیه دم��ا ب��االی توربین ه��ای گ��از، ب��ه وی��ژه در قطع��اتی

](PCنظیر پره های هوا یافت می شوند. اکثر آلیاژهای ریخته از نوع چن��د بل��وری ) [2](DS با دانه های هم مح��ور و بعض��ی دیگ��ر از ن��وع انجم��اد جهت دار یافت��ه )[1

9

هستند. ریخته های چند بلوری دارای دانه هایی هستند که اندازه آنها از ی��ک قطع��ه به قطعه دیگر تغییر می کند. دانه های یک ریخته انجماد جهت دار یافته، ب��ا یک��دیگر موازی هستند )عمدتا به موازات محور طولی پره( و تحت عنوان قطعات انجماد

شناخته می شوند. ممکن است یک ریخته[3](CGDSجهت دار یافته دانه ستونی ) انجماد جهت دار یافت��ه فق��ط دارای ی��ک بل��ور ب��ا مح��ور م��وازی ب��ا مح��ور ط��ولیپره های ت��وربین باش��د، در این ص��ورت ب��ه آن ت��ک بل��ور انجم��اد جهت دار یافت��ه )

SCDS)[4]گفته می شود. آلیاژهای ریخته نسبت به آلیاژهای کار ش��ده اس��تحکام بیشتری در دمای باال دارند.

ریخته های چند بل��وری دان��ه درش��ت، نس��بت ب��ه قطع�ات آهنگ��ری ش��ده دانه ری��ز استحکام بهتری در دماهای باال دارند. ترکیب شیمیایی آلیاژ ریخته به نحو م��وثری تعیین کننده استحکام دما ب��االی آن اس��ت. در فرآین��د آهنگ��ری ت��رکیب ش��یمیایی

آهنگری ندارد. سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریختهآلیاژ نقش چندانی در تعیین قابلیت دارای باالترین استحکام گسیختگی خزش در دماهای باال هستند، به همین خ��اطر از آنها برای کار در پره های هوا توربین گاز تحت ش��رایط دم��ای ب��اال و تنش زی��اد استفاده می شود. در طرف مقاب�ل قطع�ات آهنگ�ری دانه ری�ز، اس��تحکام تس�لیم

بهتری در دماهای متوس��ط دارن��د،[5](LCFباالتر و استحکام خستگی کم دامنه )و به همین دلیل از آنها در ساخت دیسک های آهنگری شده استفاده می شود.

- خواص سوپرآلیاژها 2-5- کلیات 2-5-1

استحکام دهی سوپرآلیاژها توسط سخت کاری محلولی )تداخل اتم های جانش��ینی همراه با تغییر شکل(، کار سختی )انرژی نهان ناشی از تغی��یر ش��کل( و رس��وب سختی )تداخل رسوب ها همراه با تغییر شکل( افزایش می یابد. هم چ��نین ایج��اد کاربیدها )توزیع مناسب از تداخل فازهای ثانویه به همراه تغییر ش��کل( ب��ه وی��ژه در سوپر آلیاژه�ای پای��ه کب��الت اف��زایش اس��تحکام را در پی دارد. اس��تحکام ی�ک عبارت نسبی اس��ت و توس��ط ن��وع آن تعری��ف می ش��ود. بعض��ی از کاربرده��ا ب��ه استحکام تسلیم و بعضی به استحکام نهایی نیاز دارند )خواص کوت��اه م��دت(. در بعضی دیگ��ر از کاربرده��ا اس��تحکام گس��یختگی خ��زش اهمیت دارد )خ��وص بلن��د مدت(. استحکام گسیختگی خزش سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پای��ه آهن- نیک��ل در

به ط��ور قاب��ل مالحظه ای نس��بت ب��ه س��وپرآلیاژهای پای��هoC650دماهای باالتر از کبالت پائین تر است.

- سوپر آلیاژهای پیشرفته 2-5-2 % ک��روم،16 دارای 16-25-6سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل ق��دیمی مانن��د آلی��اژ

وNimonic% مولیبدن بودند. اولین سوپر آلیاژهای نیک��ل ش��امل 6% نیکل و 25Inconelاز نوع استحکام یافته با محلول جامد بودند. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل

افزوده شده تا در اثرTi درصد( و 3-2 )Alو پایه آهن- نیکل بعدی مقادیر کمی در این س��وپرAlاستحکام در دمای ب��اال اف��زایش یاب��د. بع��دا مق��دار  رسوب فاز

در  درصد افزایش یافت و به دلی��ل بیش�تر ش��دن نس�بت حجمی ف�از 6آلیاژها تا

10

سختی دمای باالی آلیاژ اف��زایش ی��افت. س��وپرآلیاژهای پای��ه نیک��ل ریخت��ه زمینه بیشترین مقایر عناصر سخت کننده را دارند، و تعدادی از قطع��ات ب��ه روش ه��ای

CGDS و SCDS.از آنها ساخته شده اند درص��د(40بیش از  تعدادی از سوپرآلیاژهای دارای عناصر سخت کننده بیش��تر )

به روش متالورژی پ��ودر و ک��ار ش��ده تولی��د می ش��وند. س��وپرآلیاژهای پای��ه آهن- %، به حداکثر استحکام خود می رسند، و از این نظر نمی توانند20تقریبا  نیکل با

با سوپرآلیاژهای پایه نیکل کار شده در محدوده دمایی متوسط رقابت کنند. حتی ( کارایی دراز مدتی در ح��د ب��االییAstroloy% )مانند آلیاژ 40 آلیاژهایی با تقریبا

ب��اال ( با P/Mمحدوده دمایی متوسط ندارند. امروزه از آلیاژهای متالورژی پودر ) %( برای کار در حد باالیی محدوده دمایی متوسط اس��تفاده می ش��ود،50)تقریبا

و آلیاژهای کار شده از طراحی ها حذف شده اند. س��وپرآلیاژهای پای��ه کب��الت ریخت��ه چن��د بل��وری، دم��ای ذوب ب��االتری نس��بت ب��ه سوپرآلیاژهای پایه نیکل دارند، و به همین خاطر استحکام آنه��ا در دماه��ای ب��االتر

بیشتر اس��ت. ام��ا واقعیت این اس��ت ک��ه س��وپرآلیاژهای پای��ه نیک��ل )oC1093از SCDS توان��ایی ک��ار در دماه��ای ب��االتر از )oC1093را دارن��د، و در بعض��ی م��وارد

جایگزین آلیاژهای پایه کبالت شده اند. آلیاژهای پایه کبالت ریخته با شبکه بل��وری (، زمینه محلول جامد و دارای کاربیدهایFCCمکعبی با سطح مرکزدار )آستنیتی

پیچیده، دارای سابقه موفقی در استفاده در پره های هواشکن توربین گ�از )اک�ثرا به صورت پره های هواشکن و گاهی به صورت تیغه های توربین( هستند. آلیاژهایپایه کبالت کار شده کاربردهایی در محفظه های احتراق توربین گاز پیدا کرده اند.

- خواص مکانیکی و کاربرد سوپرآلیاژها 2-5-3 استحکام تابعی از زم��ان اس��ت و م��دت زم��ان قرارگ��یری قطع��ه در س��رویس و دمای آن از عوامل موثر بر انتخاب یک سوپرآلیاژ ویژه هستند. ن��رخ افت بعض��ی از آلیاژها در مقایسه با آلیاژهای دیگر کمتر است. به عنوان مثال اگر چه خ��واص مکانیکی و کاربرد سوپرآلیاژهای پایه نیکل استحکام یافت��ه ب��ا ف��از اکس��ید توزی��ع

دارای استحکامی پایین تر از سوپر آلیاژهای پایه نیک��ل رس��وب[6](�� ODSشده ) سخت شده هستند، ولی نرخ کاهش استحکام گسیختگی خ��زش کم��تری نس��بت به انواع مشابه رسوب سخت شده دارند. در نتیجه وقتی ن��رخ ک��اهش اس��تحکام بهتر در اولویت اول، قرار داشته و استحکام اولیه نیز قابل قبول باشد، یک آلی��اژ

ODS.به مدت طوالنی تری می تواند کار کند ب��ا س��ه گ��روهODS رفت��ار اس��تحکام گس��یختگی خ��زش ی��ک آلی��اژ 2-2در شکل

مختلف سوپر آلیاژها مقایسه شده است. آلیاژی که عمر گسیختگی طوالنی تری دارد، برای تولید قطعاتی که دم��ای ک��اری آنها در داخل محدوده خزش ق��رار دارد، ت��رجیح داده می ش��ود. ی��ک آلی��اژ انجم��اد جهت دار یافته دانه ستونی، در ش��رایط خ��زش ب��ا ک��رنش پ��ایین دارای اس��تحکام

کمتری نسبت به آلیاژ چندبلوری است.

11

سوپرآلیاژها انعطاف پذیر هستند، ولی عموما انعطاف پ��ذیری س��وپرآلیاژهای پای��ه کب��الت نس��بت ب��ه س��وپرآلیاژهای پای��ه آهن- نیک��ل و پای��ه نیک��ل کم��تر اس��ت. سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پای��ه آهن- نیک��ل در ش��رایط اکس��ترود ش��ده، آهنگ��ری شده و یا نورد شده وجود دارن��د ام��ا آلیاژه��ای پ��ر اس��تحکام تر فق��ط در ش��رایط

ریخته یافت می شوند. تغییر شکل گرم در فرآیند شکل دادن ارجح می باشد و شکل دادن سرد به تولید مقاطع نازک )ورق( محدود است. از نورد سرد می ت��وان ب��رای اف��زایش خ��واص

می توان استفاده کرد.oC540استحکام کوتاه مدت در دماهایی پایین تر از GPaس��وپرآلیاژها دارای ض��ریب کشس��انی در ح��دود هس��تند. ولی ض��ریب207

GPaکشسانی آلیاژهای ویژه بسته به نوع آلیاژ در دمای اتاق از GPa241 ت��ا 172 تغییر می کند. تغییر ساختار آلیاژ از چند بلوری به دانه های ستونی بسته ب��ه جهت

قرارGPa310 تا GPa 124دانه ها و جهت آزمایش ضریب کشسانی را در محدوده می ده��د. ح��داقل ض��ریب کشس��انی در آلیاژه��ای انجم��اد جهت دار یافت��ه دی��ده

می شود.- انتخاب سوپرآلیاژها 2-6

- کاربردهای آلیاژهای کار شده در دمای متوسط 2-6-1 می باشد. اگر آلیاژی برای کار سنگینoC760 تا oC540محدوده دمایی متوسط از

مانند، دیسک های ت��وربین در نظ��ر گرفت��ه ش��ده اس��ت بای��د دارای اس��تحکام های تسلیم و کششی مناسب، انعطاف پذیری خوب و رفتار خستگی کم دامنه ع��الی، با یک سرعت رشد ترک قابل قب��ول، و ش��کل پذیری و ق��ابلیت جوش��کاری خ��وب )در محصوالت ورق( باشد. قطعات سنگین مانند دیسک ها بای��د ق��ابلیت آهنگ��ری خوبی داشته باشند. با متالورژی پودر می ت��وان قطع��ات آهنگ��ری ش��ده ای را ک��ه نمی توان به روش های دیگر تولید ک�رد، ب��ه دس��ت آورد. ق�ابلیت بازرس��ی قطع�ه نهایی اهمیت زیادی دارد. هزینه متغیر بس��یار مهمی اس��ت، ام��ا ب��ا تولی��د قطع��ه مناسب قابل جبران است. عالوه بر این، با استفاده از مت��الورژی پ��ودر می ت��وان

هزینه ها را کاهش داد. برای انتخاب سوپرآلیاژها برای کار در محدوده دم��ایی متوس��ط آلیاژه��ایی مانن��د

Waspaloyو آلیاژه��ای مش��ابه وج��ود دارن��د، ک��ه می ت��وان آنه��ا را ب��ه روش ه��ای معمول آهنگری تولید نموده و استفاده کرد.

- کاربردهای آلیاژهای ریخته در دمای باال 2-6-2 تا دمای ذوب فلز در نظر گرفت.oC816محدوده دماهای باال را می توان از دمای

پره های هوای ت�وربین در این دماه�ا ک�ار می کنن�د. آلی�اژی ک�ه در پره ه�ای ه�وای توربین استفاده می شود باید دارای استحکام گسیختگی خزش و استحکام خزش باالیی باشد. برای به حداکثر رساندن استحکام گسیختگی خزش از آلیاژهای نوع

SCDSدر نواحی پر فشار توربین استفاده می شود. عالوه بر اف��زایش اس��تحکام گسیختگی خزش به دلیل جهت گیری ویژه محور طولی دان��ه، ب�ه م�وازات مح��ورپره هوا، ضریب کشسانی کاهش یافته و استحکام خس��تگی ح��رارتی مک��انیکی )

12

TMF)[7]بهینه ای به دست می آید. آلیاژی ک�ه ب�رای ب�دترین ش��رایط ک�اری پ�ره (oC760هوای توربین در نظر گرفته می شود باید در دمای کاری مربوطه )تقریب��ا

دارای دمای ذوب باال، مقاومت اکسیداسیون خوب، اس��تحکام خس��تگی ح��رارتی مکانیکی و گسیختگی خزشی باال، قابلیت پوشش دهی عالی و استحکام خستگی

کم دامنه خوب باشد. با فرآیند تک بلور انجماد جهت دار یافته، از بهینه بودن خواص مکانیکی در مقاطع نازک اطمینان حاصل می شود. در یک بارگذاری ثابت، با کاهش ضخامت مقط��ع، گس��یختگی س��وپر آلی��اژ نس��بت ب��ه آزم��ایش انج��ام ش��ده ب��ر روی ی��ک نمون��ه ب��ا ضخامت استاندارد در زمان کمتری اتفاق می افتد. شدت کاهش خواص مکانیکی در اثر ضخامت به ساختار میکروسکپی قطعه بستگی دارد و می ت��وان این چ��نین

= حداقل.SCDS= کمتر و CGDS= حداکثر، Pcدرجه بندی کرد: در پره های هوای توربین، در ج��ائی ک��ه ب��ار گری��ز از مرک��ز وج��ود نداش��ته باش��د می توان از آلیاژهای پایه کب��الت، دارای س��اختار چن��د بل��وری هم مح��ور ب��ه ج��ای آلیاژهای پایه نیکل ب��ا س��اختار انجم��اد جهت دار یافت��ه اس��تفاده ک��رد، در پره ه��ای هوای ناحیه اول دمای ذوب موضعی باالتر مناسب است. در بعض��ی از کاربرده��ا

با اکسیدMA-754 در ساخت پره های هوا استفاده شده است. آلیاژ ODSاز آلیاژ ایتریا توزیع شده در زمینه مقاوم به خوردگی نیکل- کروم، اس��تحکام گس��یختگی خزش افزایش یافته ای دارد. آلیاژهای استحکام یافته، با فاز اکس��ید توزی��ع ش��ده

مث��ال دیگ�ری اس��ت ک�ه می توان�د دارایMA-6000کاربرد عمومی ندارن�د. آلی�اژ استحکام کافی برای به ک��ارگیری در تیغه ه��ای پرفش��ار توربین ه��ای گ��از هواپیم��ا باشد. مشکل دیگر پره های هوای از نوع چند بلوری هم مح��ور این اس��ت ک��ه ب��ه خاطر ضریب کشسانی باالتر این ساختار، تنش های حرارتی- مکانیکی وارد شده

اس��ت. ض��ریبCGDS و SCDSب��ه آن بیش از مق��ادیر مرب��وط ب��ه س��اختارهای درص��د60 آلیاژهای پایه نیک��ل ریخت��ه. تقریب��ا CGDS و SCDSکشسانی قطعات

می باش��د. در اک��ثر ش��رایط مش��کالت خس��تگیpcض��ریب کشس��انی قطع��ات باید با استفاده از آلیاژی با ساختار انجماد جهت دار یافته به[8]حرارتی مکانیکی

حداقل رسانده شود. آلیاژهای پره هوای کم فش��ار ت��وربین از آلیاژه��ائی مانن��د )Rene 41)IN-100 یا آلیاژهای IN-792 و Rene 80 چن��د بل��وری هم مح��ور ک��ه قبال

برای پره های ه��وای پرفش�ار اس��تفاده ش��ده اند، انتخ��اب می گردن��د. اگ��ر دم��ا ی��ا پیش��نهادU-700 ی��ا IN-713شرایط تنش به مقدار کافی مناسب باشند، آلیاژه��ای

می شوند.

متالورژی سوپرآلیاژها- گروه ها، ساختارهای بلوری و فازها 3-1 

- گروه های سوپرآلیاژها 3-1-1

13

همانطور که قبال گفته شد سه گروه سوپرآلیاژ وجود دارد )پایه آهن- نیک��ل، پای��ه نیکل و پایه کبالت( که هر کدام از نظ��ر ماکروس��کوپی ب��ه دو ن��وع ریخت��ه و ک��ار ش��ده )ش��امل آلیاژه��ای مت��الورژی پ��ودر( تقس��یم می ش��وند. عالوه ب��ر س��اختار ماکروسکوپی )درشت ساختار(، ساختار بلوری )در مقیاس اتمی( و ریز س��اختار )در مقیاس میکروسکوپی( نیز وجود دارد. فلزات تمایل دارند که ساختار بل��وری

ساده ای داشته باشند.- ساختار بلوری 3-1-2

اگر گوی های کروی سخت، که برای نشان دادن س��اختار بل��وری فل��زات ب��ه ک��ار می روند، کنار هم چی��ده ش��وند، دی��ده می ش��ود ک��ه موقعیت ه��ای اتمی مح��دودی برای قرارگیری آنها در کنار یکدیگر وجود دارد. شبکه مکعبی با سطوح مرکز دار

(FCC(مکع��بی مرک��ز دار ،)BCC( و هگزاگون��ال فش��رده )HCPدر ب��ر گیرن��ده ) ( ب��ه این فهرس��تBCTساختار بلوری اکثر آلیاژها هستند. اگر شبکه تتراگون��ال )

ب��ه و  اض��افه ش��ود، س��اختار س��وپرآلیاژها ب��ه اس��تثناء فازه��ای پیچی��ده ای مانن��د سهولت نشان داده خواهد شد. البته نیازی به توضیح همه فازها نیست. هنگ��امی که در یک سیستم بیش از یک عضو وجود داش��ته باش��د )مانن��د آنچ��ه ک��ه در ی��ک آلیاژ وجود دارد(، یک ساختار تشکیل می شود. بدین معنی که برای عنصر اض��افه شده موقعیت های بلوری ویژه ای باید وج��ود داش��ته باش��د. ب��ه عن��وان مث��ال ف��از

درNi اس��ت ک��ه در آن اتم ه��ای FCC دارای ساختار بل��وری Ni3Alثانویه ای مانند در گوشه ها قرار می گیرند.Alمرکز سطوح و اتم های

- فاز در سوپرآلیاژها 3-1-3 آس��تنیتی وFCCب��ا ش��بکه  سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیک��ل دارای ف��از

فازهای ثانویه مختلفی هستند. سایر فازهای ثانویه کنترل کننده خواص دیگ��ر این,M7C3,M6C از نوع FCCسوپرآلیاژها عبارتند از: کاربیدهای M23C6,MC ب��ا  و ف��از

و ت��رکیبBCTب��ا س��اختار بل��وری   ف��از Ni3(TI,Al) و ترکیب FCCساختار بلوری Nb3Ni ب��ا س��اختار بل��وری هگزاگون��ال و ت��رکیب  ، فازNi3Ti ب��ا  و ف��از بین فل��زی

.Ni3Nbساختمان بلوری اورتورمبیک و ترکیب اس��ت. تولی��د و کن��ترل[9](�� gcpاز ن��وع فش��رده ) و  ساختمان بل��وری فازه��ای

فازهای گوناگون در سوپرآلیاژها، ویژگی های منحصر به فردی را در آنها به وجود می آورد. سوپرآلیاژها استحکام خود را توسط سخت کنن��ده های محل��ول جام��د و

و فازهای رس��وبی بدس��ت می آورن��د. فازه��ای رس��وبی اس��تحکام دهن��ده اص��لی هستند، که در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل یافت می شوند.

کاربیدها به طور مستقیم )مانند آلیاژهای سخت شده با محلول جامد( به مق��دار محدود و یا به طور غیر مستقیم )ب��ا تق��ویت م��رز دانه ه��ا و جلوگ��یری از ح��رکت برشی( استحکام را بهبود می بخشند. کاربیدها در هر س��ه گ��روه از س��وپرآلیاژها

در طی فرآین��د تولی��د از نظ��ر کن��ترل س��اختار و  ی��افت می ش��وند. فازه��ای سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل کار شده مفید هستند. میزان مشارکت مستقیم کاربیدها در بهبود استحکام به نوع آلیاژ و فرآیند بس��تگی دارد. عالوه ب��ر

14

هس��تند، عناصری که سخت کننده محلول جامد، کاربی��دزا و تش��کیل دهن��ده ف��از ،Bعناصر دیگ��ری مانن��د Zr و Hfب��رای اف��زایش خ��واص مک��انیکی ی��ا ش��یمیایی

سوپرآلیاژها افزوده می شوند. این عناصر جزئی در س��وپر آلیاژه��ای پای��ه کب��الت ممکن اس��ت ب��ه یافت نمی شوند. بعضی از عناصر کاربیدزا و تشکیل دهنده فاز

نحو موثری در خواص ش��یمیایی مش��ارکت کنن��د. ترکیب��ات ب��ور )بوری��دها( ممکناست در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل تشکیل شوند.

فازهای مضر نیز در سوپرآلیاژها تشکیل می شوند. در بین این فازه�ا می ت�وان از TCP نام برد. این فازه��ا دارای س��اختار بل��وری فش�رده از ن��وع Lavesو  فازهای

هستند و در صورت جزئی بودن مورد مطالعه ق��رار نمی گیرن��د، ولی اگ��ر مق��دار اطالعات مربوط به فازه��ای1-3آنها افزایش یابد بسیار مضر هستند. در جدول

شناخته ش��ده در س��وپرآلیاژهای پای��ه نیک��ل و پای��ه آهن- نیک��ل نش��ان داده ش��دهاست.- مقدمه ای بر گروه های آلیاژی 3-2

- سوپر آلیاژهای پایه آهن- نیکل 3-2-1 مهم ترین آلیاژهای گروه س��وپرآلیاژهای پای��ه نیک��ل، آلیاژه��ای اس��تحکام یافت��ه ب��ا

آستنیتی هستند.FCCرسوب ترکیبات بین فلزی در زمینه Incoloyاست، ک��ه در آلیاژه��ای  عمومی ترین رسوب، فاز 901، V-57 ی��ا A-286

و  ک��ه دارای فازه��ای رس��وبی IN-718[10]دیده می شود. بعضی از آلیاژها مانن��د هستند، در گذشته جزو گروه پایه آهن- نیک��ل بودن��د ولی اکن��ون در گ��روه س��وپر آلیاژهای پایه نیکل قرار گرفته اند. استحکام سوپرآلیاژهای دیگ��ر پای�ه آهن- نیک��ل ش��امل فوالده��ای زن��گ ن��زن اص��الح ش��ده در ابت��دا ب��ا محل��ول جام��د اس��تحکام

)فوالد زنگDL9-19می یافتند. این دسته از سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل از آلیاژ با ک��روم و نیک��ل اص��الح ش��ده، ک�ربن بیش�تر و دارای عناص�ر س��خت18-8نزن

)Incoloy-800Hکننده محلول جامد( تا آلیاژ وAl کرم(، نیک��ل ب��اال و کمی 21% Ti-برای تشکیل فاز ( تغی��یر می کنن��د. در ح��ال حاض��ر س��وپرآلیاژهای پای��ه آهن(

نیکل به صورت کار شده مورد استفاده قرار می گیرند.- سوپرآلیاژهای پایه نیکل 3-2-2

اگ��ر چ��ه س��وپرآلیاژهای پای��ه نیک��ل س��خت ش��ده، ب��ا محل��ول جام��د هس��تند ولی FCCمهم ترین آلیاژهای این گ��روه، دارای رس��وب ترکیب��ات بین فل��زی در زمین��ه

بهب��ود پی��دا می کن��د.  استحکام با رس��وب ف��از Al و Tiهستند. در آلیاژهای حاوی ،Waspaloyآلیاژهای کار شده مانند 720-U، 700-U، Astroloyآلیاژهای ریخته و

،IN-�� 713مانن��د 80 Rene، MAR-M-200، 80Reneاز این قبی��ل هس��تند. در IN-718بهبود می یابد.  سوپرآلیاژهای پایه نیکل کبالت دار، استحکام با رسوب فاز

می باش��د. بعض��ی از آلیاژه��ای پای��ه نیک��ل از آلیاژهای سخت شده با رسوب فاز به��ره می برن��د. و   بوده، و هر دو در بهب��ود اس��تحکام از رس��وب Al,Ti,Ndدارای

،IN-706آلیاژهای IN-909گاهی در فهرست س�وپرآلیاژها پای�ه آهن- نیک�ل آورده می شوند.

15

در بین سوپرآلیاژهای پایه نیکل استحکام یافته با محل��ول جام��د آلیاژه��ایی مانن��دHastelloy و IN-627قرار دارند. آلیاژهای پایه نیکل استحکام یافته ب��ا توزی��ع ف��از

هستند، که استحکام آنه��اIN-MA-600E و IN-MA-654(، مانند آلیاژ ODSاکسید ) اف��زایش با توزی��ع ذرات خن��ثی مانن��د ایتری��ا و در بعض��ی م��وارد ب��ا رس��وب ف��از

می یابد. سوپرآلیاژهای پایه نیکل به هر دو شکل ریخته و کار شده مورد استفاده قرار می گیرند. فرآیندهای وی��ژه دیگ��ری )مت��الورژی پ��ودر/ آهنگ��ری هم��دما( ن��یز

،IN-�� 100برای تولید انواع ترکیبات سوپرآلیاژ ک��ار ش��ده آنه��ا مانن��د 9 Reneو Astroloyمورد استفاده قرار گرفته ان��د. ی��ک بع��د اض��افی در س��وپرآلیاژهای پای��ه

نیکل کنترل مورفولوژی )نسبت جوانب و جهت گیری دانه ها( به عنوان وس��یله ای برای بهبود خواص است. در بعضی موارد مرز دانه ها حذف شده اند. در آلیاژهای

با کنترلMAR-M-247 و آلیاژهای ریخته مانند ODSمتالورژی پودر کار شده نوع مورفولوژی توسط تبلور مجدد جهت دار و یا انجماد جهت دار خ��واص آلی��اژ بهب��ود

یافته است.- سوپرآلیاژهای پایه کبالت 3-2-3

استحکام سوپرآلیاژهای پایه کبالت. توسط کاربیدها و س��خت کنن��ده های محل��ول جامد بهبود می یابد. در این آلیاژه��ا ف��رق اساس��ی بین س��اختارهای ریخت��ه و ک��ار

و یک نمون��ه از آلیاژه��ای ک��ارX-40شده وجود دارد. یک نمونه از آلیاژهای ریخته )605ش��ده �-HA-25)L ک��ه در  هس��تند. ترکیب��ات بین فل��زی مانن��د رس��وب های

سوپرآلیاژهای پایه نیکل یا پای��ه آهن- نیک��ل در مح��دوده وس��یعی وج��ود دارن��د درآلیاژهای پایه کبالت یافت نمی شوند.

- عناصر آلیاژی و اثرات آنها بر ریزساختار سوپرآلیاژها 3-3 - تنوع خواص سوپرآلیاژها )در یک ت��رکیب ش��یمیایی مش��خص( معم��وال ب��ا3-3-1

ت��رکیب ش��رایط محص��ول )ریخت��ه ی��ا ک��ار ش��ده( و عملی��ات ح��رارتی پس از آن گسترش می یابد. ت��رکیب ش��یمیایی آلی��اژ در رس��یدن ب��ه ی��ک س��طح اس��تحکام و مقاومت خوردگی بسیار اهمیت دارد، ولی فرآیند تولید نقش اساسی در رسیدن ب��ه خ��واص بهین��ه س��وپرآلیاژ دارد. س��اختار بل��وری در طی فرآین��د تولی��د ایج��اد می شود. تغییرات ریز س��اختار ب��ا انحالل تم��ام ی��ا بخش��ی از کاربی��دها و فازه��ای

و ( و سپس توزیع مجدد آنها در یک شکل مناسب دیگر رسوبی بین فلزی )مانند ایجاد می شود. اندازه دانه در آلیاژهای ریخته تابع مستقیمی از فرآیند ریخته گ��ری است. اندازه دان��ه آلیاژه��ای ک�ار ش��ده در مح��دوده گس�ترده تری تغی��یر می یاب��د. ان��دازه دان��ه آلیاژه��ای ک��ار ش��ده نس��بت ب��ه آلیاژه��ای ریخت��ه ک��وچک تر اس��ت. ریزساختار نه تنها ش��امل ان��دازه دان��ه و مورفول��وژی بلک��ه ش��امل ن��وع و توزی��ع

فازهای ثانویه در زمینه آستنیتی سوپرآلیاژ است.- عناصر اصلی در سوپرآلیاژها 3-3-2

تعدادی از عناصر به صورت محلول جامد در می آیند تا یک یا چند مورد از خواص مقاومت خوردگی توسطMo, Ta, W, Reزیر را بهبود بخشند: استحکام توسط

Al, Cr مقاومت خوردگی دما باال توسط ،Ti پای��داری ف��از توس��ط ،Niاف��زایش ،

16

بهب��ود می یابن��د. عناص��رCo و رسوب های ثانوی��ه مفی��د توس��ط Vfنسبت حجمی به ترکیب و  ( برای تشکیل رسوب های سخت کننده مانند Nb( و )Ti, Alدیگری )

شیمیایی افزوده می شوند. در سالهای اخیر یکی از عناصر اصلی اضافه شده به ( ب��وده اس��ت، ک��ه درReترکیب شیمیایی سوپرآلیاژهای پایه نیک��ل، عنص��ر رنیم )

آلیاژهای ریخته محدوده دم��ای فرآین��د دانه ه��ای س��تونی انجم��اد جهت دار یافت��ه )CGDS( و تک بلور انجم�اد جهت دار یافت��ه )SCDSرا اف�زایش می ده��د. رنیم ب�ه )

این بهبود را به وجود می آورد. واسطه کاهش سرعت رشد رسوب - عناصر جزئی مفید در سوپرآلیاژها 3-3-3

,Cعناصر جزئی ) Bبرای تشکیل کاربی��د و بوری�د اض��افه می ش��وند. تع�دادی از ) ,Hfعناصر ) Zr, Bنیز برای آماده سازی مرز دانه ها، برای تشکیل رس��وب ها ی��ا )

کاربیدها افزوده می شوند. ب��رای بهب��ود مق��اومت خ��وردگی در بعض��ی از آلیاژه��ا ب��رای اف��زایش عم��ر[11](�� Yعنصر النتانیم اضافه شده است. افزودن ایتریم )

پوشش آلیاژ انجام می شود.- عناصر تشکیل دهنده فازهای ترد 3-3-4

,Crبعضی عناصر ) W, Mo, Re, Coو ...( گرچه برای ایج��اد کیفیت مطل��وب تر آلیاژه��ا اض��افه می ش��وند، ولی در بوج��ود آوردن بعض��ی از فازه��ای ن��امطلوب

معموال ترد و دارای انعطاف پذیری کم است و درtep [12]مشارکت می کنند. فاز صورتی که این تردی بیش از حد معمول باش��د، ب��اعث ک�اهش خ�واص مک�انیکی

)بعضی مواقع خوردگی( می شود.- عناصر ناخواسته و مضر در سوپرآلیاژها 3-3-5

حتی در مقادیر بسیار کم، به اندازهAg, Se, Te, Bi, Pb, S, P, Siعناصری نظیر (، اغلب در افت خواص سوپرآلیاژها مش��ارکت می کنن��دPPMقسمت در میلیون )

اما آنها ب��ا میکروس��کوپ های ن��وری ی��ا الک��ترونی دی��ده نمی ش��وند. ب��ا آنالیزه��ای اسپکتروسکوپی و الکترونی نشان داده شده است، که مرز دانه ها در اثر حض��ور

در اثر ترکیب با گوگرد اثرات ناخواسته آنMgعناصر مضر تغییر می کند. عنصر را تشکیل می دهد. در بعض��یTiN با نیتروژن ترکیب شده و Tiرا حذف می کند.

از موارد این ترکیبات و نظایر آن در ریز ساختار قابل مشاهده هستند.- عناصر ایجاد کننده مقاومت خوردگی و اکسیداسیون 3-3-6

همه سوپرآلیاژها دارای ک��روم و عناص��ر دیگ��ری ب��رای بهب��ود مق��اومت در براب��ر را تشکیل می ده��د.Cr2O3خسارت محیطی هستند. کروم در سطح خارجی آلیاژ

ن��یز تش��کیلAl2O3اگر آلومینیوم به حد کافی وج��ود داش��ته باش��د الی��ه اکس��یدی می شود و حفاظت بیشتری در مقابل اکسیداسیون انجام می دهد. مق��دار ک��روم

15 درصد، در سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیک��ل 22 تا 6در سوپرآلیاژهای پایه نیکل درص��د اس��ت. در30 ت��ا 20 درص��د و در س��وپرآلیاژهای پای��ه کب��الت 25ت��ا

درص��د آلومی��نیوم وج��ود داش��ته6سوپرآلیاژهای پایه نیکل ممکن است، بیش از باش��د. ک��روم عنص��ر اص��لی در مق��اومت خ��وردگی داغ اس��ت ولی ممکن اس��ت

تیتانیوم و عناصر دیگری نیز مکمل اثرات کروم باشند.

17

- استحکام دهی سوپرآلیاژها 3-4- رسوب ها و استحکام 3-4-1

رسوب ها به خ�اطر کن�د ک�ردن فرآین��د تغی�یر ش��کل ک�ه در اث�ر بارگ�ذاری اتف�اق می افت��د اس��تحکام آلی��اژ را اف��زایش می دهن��د. بعض��ی از ویژگیه��ای رس��وب های

سخت کننده که مانع تغییر شکل می شوند عبارتند از: - درجه عدم انطباق بین رسوب و زمینه: بهترین ح��الت این اس��ت ک��ه رس��وب و زمینه دارای ساختار بلوری و پارامتر شبکه یکسان باشند. در این صورت رسوب بیشتری در زمینه حل می شود. درجه عدم انطباق در سوپرآلیاژهای پای��ه نیک��ل و

درصد قرار دارد. پایه آهن- نیکل در محدوده - رسوب منظم: قرار گرفتن اتم ها در موقعیت های مرجح انرژی الزم برای عبور عوامل تغییر شکل )نابجایی ها( از میان رسوب را اف�زایش می ده�د. رس��وب های

منظم انرژی باالتری از رسوب های نامنظم دارند. - اندازه رسوب: وقتی که اندازه رسوب خیلی کوچک باشد، نابجایی ها به راح��تی می توانند از آنها عبور کنند. اگر اندازه رسوب خیلی ب��زرگ باش��د، نابجایی ه��ا ب��ه هنگام عبور از آنه�ا خم می ش�وند و امک��ان دارد اس��تحکام کم�تر از مق�دار بهین�ه باشد. مقدار بهینه تابعی سات از ویژگی اندازه گیری شده. در خزش یک تک بلور خیلی مطلوب تر است، ولی باید توجه داش��ت ک��ه ت��ک بل��ور ب��ا فرآین��دهای وی��ژه

SCDS,CGDSسوپرآلیاژهای پایه نیکل بدست می آید. در سوپرآلیاژهای کار شده دو نوع اندازه رسوب مطلوب است زیرا حساسیت به ت��رک را ک��اهش می ده��د.

که در عملیات حرارتی پیر ک��ردن در دم��ای پ��ایین بدس��ت رسوب های هم اندازه می آید باعث افزایش استحکام کششی و ک��اهش مق��اومت خ��زش می ش��ود. در

FCCفاز رسوبی اصلی است. این رسوب یک فاز با ساختار بل��وری  سوپرآلیاژها است.Ni3(Ti,Al)بین فلزی منظم با ترکیب شیمیایی

ی��ک ف��از ب��ا زمین��ه اث��ر می گذارن��د.  عناصر آلیاژی بر درجه عدم انطباق رس��وب Tiغ��نی از   اس��ت ک��ه ش��کل ناپای��دار Ni3Tiهگزاگونال منظم با ترکیب شیمیایی

اورتورمبیک ب��ا ت��رکیب است. انواع دیگر فازهای بین فلزی مانند رسوب های فاز Ni3Nb و ترکیب  با شبکه  یا Ni3Nbنیز وجود دارن��د ک��ه اس��تحکام س��وپرآلیاژهای

پایه نیکل و پایه آهن- نیکل را به نحو قابل مالحظه ای افزایش می دهند.

 - فاز 3-4-2 و عناص��ر ح��ل ش��وندهTi اس��ت ک�ه Ni3Nbترکیب بین فلزی ب��ا ت��رکیب اس��می  

دیگری ن��یز در خ��ود دارد. این ف��از در مح��دوده ت��رکیب ش��یمیایی نس��بتا ک��وچکی پایدار است، اما خواص قابل توجهی دارد که آن راقادر می سازد تا استحکام دما

باال در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل را بهبود دهد.

18

تشکیل خواهد گردید که ممکن است پس از در آلیاژهای ریخته ترکیب یوتکتیک - عملیات حرارتی نیز باقی بماند. در مجموع در طی عملیات حرارتی یا ک��ار، ف��از

تشکیل می گردد.MC یا M23C6در مرز دانه ها و در اطراف ذرات کاربیدهای - فاز 3-4-3

است و در سوپرآلیاژهای پای��ه نیک��لNi3Nbیک رسوب منظم با ترکیب شیمیایی رس��وب می کن��د. در غی��ابIN-718 و IN-706)یا پایه آهن- نیکل( مانن��د آلیاژه��ای

Ni3Nbن��یز ب��ا هم��ان ت��رکیب ش��یمیایی  آهن ی��ا در دماه��ا و زمان ه��ای وی��ژه ف��از غیر منظم است و وقتی که مقدار آن زیاد باشد، استحکام تشکیل می شود. فاز

برای کنترل و ریز کردن اندازه دانه و در را افزایش نمی دهد. مقادیر کم رسوب نتیجه افزایش خواص کششی. مق�اومت خس��تی و خ�زش آلی��اژ ب�ه ک�ار می رود.

به جای ، به عملیات حرارتی دقیقی نیاز است. در آلیاژ برای اطمینان از رسوب IN-718 رسوب می کند، اما تحت بعضی شرایط رسوب اغلب به همراه فاز   فاز

فاز اصلی استحکام دهنده در آلیاژ است.- کاربیدها 3-4-4

کاربیدها نیز از ترکیبات بسیار مهم در سوپرآلیاژها هستند. کاربیدها به مخصوص��ا در آلیاژه��ای ریخت��ه چن��د بل��وری بواس��طه رس��وب در م��رز دانه ه��ا اس��تحکام و انعطاف پذیری مطلوبی ایجاد می کنند. مقدار کاربید در آلیاژهای کار ش��ده اغلب کمتر از آلیاژهای ریخته است. با افزایش درجه تمیزی سوپرآلیاژها مقدار کاربی��د

در آلیاژهای کار شده کاهش یافته است. حداقل انواع درشت کاربیدها یکی از عوامل محدود کننده در مکانیک شکست در

کاربردهای پیشرفته سوپرآلیاژها کار شده می باشند. کاربیدها می توانند در استحکام زمینه، به وی��ژه در س��وپرآلیاژهای پای��ه کب��الت، و کنترل اندازه دانه در بعضی از آلیاژهای کار شده موثر باش��ند. عملی��ات ح��رارتی بر روی تعدادی از کاربیدها اثر ن��دارد، در ح��الی ک��ه ب��ر روی بعض��ی دیگ��ر چ��نین نیست. تنوع کاربی��دها در ی��ک آلی��اژ ب��ه ت��رکیب ش��یمیایی و فرآین��د بس��تگی دارد.

,M23C6همانطور که قبال گفته شد ان��واع مهم کاربی��دها عبارتن��د از: M6C, MCو M7C3 که در آن Mیک یا چند عنصر فلزی است. اکثر کاربیدها به صورت ترکیبی

ک��ه درMCهستند و معموال در اثر واکنش های حالت جامد پس از تجزی��ه کاربی��د MCحالت مذاب شکل می گیرد، به وجود می آیند. از نظر دمای تش��کیل، کاربی��د

از ن��وع دم��ا پ��ایین هس��تند. کاربی��دM7C3 و M23C6یک کاربید دما باال و کاربیدهای M6C نیز در دماهای متوسط تشکیل می گ��ردد. کاربی��دهای MCدر م��ذاب در اث��ر

oCواکنش ی��ا رس��وب از محل��ول جام��د ف��وق اش��باع در دماه��ای ب��االتر از 1038 و شاید تاoC982 تا oC816 عموما در دمای بین M6Cتشکیل می شوند. کاربیدهای

oC1038 تشکیل می شوند. کاربی��دهای مطل��وب M23C6 ت��ا 790 در دم��ای oC 816 تشکیل می شوند.

کاربیدهای موجود در سوپرآلیاژها سه نوع هستند. اول کاربیدهای مرز دانه ای که اگر به نحو صحیحی تش��کیل ش��ده باش��ند، م��رز دان��ه را اس��تحکام بخش��یده و از

19

حرکت آن جلوگیری نموده و به آزاد ش��دن تنش کم��ک می کنن��د. دوم کاربی��دهای ریز رسوب کرده در زمینه که استحکام را افزایش می دهند. سوم کاربیدهایی که

عناصر ناپایدار کننده فازها در حین کار را حذف می کنند. اس��ت ک��ه معم��وال در طی س��رد ش��دنFCC دارای س��اختار بل��وری M6Cکاربی��د

سوپرآلیاژ تشکیل می شود. این کاربیدها به صورت ناهمگن در داخ��ل و خ��ارج از دانه ها و اغلب در میان ستون ها توزیع می شوند. کاربیدها منب��ع اص��لی دگرگ��ونی

HfC، TiC مانند MCفاز بعدی در طی فرآیند عملیات حرارتی است. کاربیدهای از پایدارترین کاربیدهای موجود در طبیعت هستند. هستند.TiC و HfC، TaC ، NbCکاربیدهای ارجح از نظر تشکیل در سوپرآلیاژها،

تشکیل شدهC(Nb, Ti می تواند از چند عنصر فلزی مانند )Mدر این کابیدها اتم ،Wباشد. عناصر با فعالیت کم مانند Moنیز می توانن��د در این کاربی��دها حض��ور -U و M-252، Rene77 که در آلیاژهای C(Ti, Moداشته باشند، برای مثال کاربید )

تشکیل می شوند.500 هستند، که بهMCآلیاژهای جدید دارای نیوبیوم و تانتالیوم زیاد، دارای کاربیدهای

-oC1260راحتی در طی فرآیند ی��ا عملی��ات ح��رارتی انحاللی، در مح��دوده دم��ایی در آلیاژه��ایی ب��ا ک��رومCr23C6 مانن��د M23C6 تجزی��ه نمی ش��وند. کاربی��دهای 1200

گ��اهی در امت��دادM23C6متوسط تا زیاد به سرعت تشکیل می ش��وند. کاربی��دهای مرز دوقلوها و محل های دارای نقص در چیده شدن، دیده می ش��وند. کاربی��دهای

M6C شبکه مکعبی پیچیده ای دارند. این کاربیدها وق��تی ک��ه مق��دار Mo ی��ا ،Wدر oC درصد باشد، در دم��ایی واق��ع در مح��دوده 8 تا 6ترکیب شیمیایی بین ت��ا815

oC980 تشکیل می شوند. کاربید M6C به همراه کاربی��د M23C6 در آلیاژه��ای ،Rene 80، Rene 41، AF1753 وجود دارد. به دلیل پای��داری بیش��تر کاربی��دهای M6Cدر

ب��ه عن��وان ی��ک رس��وب م��رز دانه ای وM23C6دماهای باالتر نسبت به کاربی��دهای کنترل کننده اندازه دانه در طی فرآیند آلیاژهای کار شده اهمیت بیشتری دارد.

M7C3- کاربیدهای 3-4-5 به طور گس��ترده ای در س��وپرآلیاژها مش��اهده نش��ده اند ولی درM7C3کاربیدهای

Nimonicبعضی از آلیاژهای پایه کبالت و سوپرآلیاژ پایه نیکل- ک��روم و 80 Aدر ,Mo وجود دارند. افزودن عناصری مانند oC1000دمای بیش از W, Nb و Coب��ه

Cr7C3 در آنها جلوگیری می کن��د. ت��وده کاربی��د M7C3آلیاژهای پایه نیکل از تشکیل

در مرز دانه هاoC1080 پس از حرارت دادن آن در دمای Nimonic 80 Aدر آلیاژ تشکیل می شود. در عملیات حرارتی پیر کردن بعدی برای رسوب ف��از ، تش��کیل

ب��ا ش��کل مکع��بی در م��رز دانه ه��ا ب��هCr7C3 به خاطر وج��ود کاربی��د M23C6کاربید تعویق می افتد.

- بوریدها و عناصر جزئی مفید دیگر )به جز کربن( 3-4-6 در بهب��ود مق��اومتB و Zrاضافه کردن مقادیر کمی از عناص��ر ج��زئی ب��ه وی��ژه

وجودMxZryخزش سوپرآلیاژها موثر است. اگر چه اطالعات محدودی از ترکیب دارد، ولی معلوم شده است که بوریدها در سوپرآلیاژهای پایه نیکل و احتم��اال در

20

آلیاژهای پایه آهن- نیک��ل تش��کیل می ش��وند. بوری��دها ذرات س��خت هس��تند و ب��ه شکل مکعبی تا شبه کروی در مرز دانه ها دیده می شوند. بوریدها عمدتا به شکل

M3B2 با شبکه بلوری تتراگونال یافت می شوند. بورید MB12نیز شناخته شده اما بررسی های اندکی روی آن انجام گرفته است.

( نیز یکی دیگر از عناصر جزئی مفی��د اس��ت ک��ه انعطاف پ��ذیری م��رزHfهافنیم ) دانه ها را بهبود می بخشد. منیزیم نیز ب��ا ت��رکیب ب��ا گ��وگرد ک��ه ب��ر روی انعط��اف

پذیری آلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن- نیکل اثرات مضری دارد، مفید است.- تاثیر فرآیند بر بهبود ریز ساختار 3-5

- فرآیند تولید س��وپرآلیاژ در واق��ع علم و ه��نر تب��دیل س��وپرآلیاژ ب��ه ش��کل3-5-1 نهایی آن است. فرآیند و عناصر آلیاژی به هم وابسته اند. تغییرات ریزس��اختار در نتیجه فرآیند و ت��رتیب انج��ام آن ب��ر روی ت��رکیب ش��یمیایی بدس��ت می آی��د. ری��ز ساختارها نه تنها تابعی از ترکیب ش��یمیایی بلک��ه ت��ابعی از ذوب، ک��ار و عملی��ات حرارتی هستند. بخش های اصلی تولید سوپرآلیاژ، فرآیندهای ذوب، تب��دیل ش��دن به محص��ول ریخت��ه ی��ا ک��ار ش��ده و عملی��ات ح��رارتی هس��تند. عملی��ات ح��رارتی شناخته شده ترین مرحله فرآین��د اس��ت زی��را آخ��رین م��رحله ای اس��ت ک��ه در آن

خواص مطلوب، به ویژه در آلیاژهای رسوب سخت شونده، بدست می آید.

ذوب و تبدیل 

برای ذوب آلیاژه��ای آهن پ��ر ک��روم زن��گ1960 از سال EAF/AOD- فرآیند 4-1 درص��د ک��روم ی��ا بیش��تر( اس��تفاده ش��ده اس��ت. بعض��ی از5/11ن��زن )دارای

س��وپرآلیاژها از نظ��ر خ��واص همانن��د فوالده��ای زن��گ ن��زن مخص��وص هس��تند. سوپرآلیاژهای پایه نیکل پر کروم را می توان به طریق مشابه ب��ا فوالده��ای زن��گ نزن ذوب ک��رد. همانن��د اک��ثر فرآین��دهای ذوب ت��رکیب ش��ارژر م��واد اولی��ه ذوب،

این مزیت ویژهEAF/AODاقتصادی ترین بخش فرآیند را تشکیل می دهد. فرآیند

21

را دارد که در آن می توان ارزانترین مواد خام را نسبت به فرآیندهای ذوب دیگ��ر به کار برد. در این روش مستقیما از قراضه استفاده می شود، بدون آنک��ه نی��ازی به ذوب اولیه آن باشد. هم چنین در شرایط محدود شده به جای استفاده از مواد

می ت��وان از اکس��یدهای آنه��ا ک��ه ارزان��تر هس��تند.Nb و Moخام ب��ا ارزش مانن��د کم هزینه ت��رین فراین��د ذوبEAF/AODاس��تفاده ک��رد. در مجم��وع روش ذوب

سوپرآلیاژهاست.EAF/AOD- تشریح فرآیند 4-1-1

همان گونه که از نام فرآیند بر می آید این روش شامل دو ن��وع تجه��یزات اس��ت: ( و یک تانک ک��ربن زدایی ب��ا آرگن و اکس��یژن ب��ارEAFیک کوره قوس الکتریکی )

قرار داده می شود.EAFکه در کوره توان الکتریکی کوره قوس الکتریکی از طریق الکترودهای بزرگ گرافیتی ک�ه در سقف کوره قرار دارد، به بار منتقل می شود. در ش��روع عملی��ات ذوب، الک��ترود به داخل بار فرو می رود، تا جریان الکتریکی از بار عب��ور ک��رده و ب��ه ک��ف ک��وره برسد. سپس الکترودها به تدریج بیرون کشیده می شوند تا یک ق��وس پای��دار بین

بار و الکترود برقرار شود. این قوس توان الزم برای ذوب بار را تامین می کند. ( اض��افه می ش��ود، ت��ا ب��ا ایج��اد س��رباره،CaOپس از ذوب ش��دن ب��ار آه��ک )

گوگردمذاب را کاهش دهد. عالوه بر این اکسیژن با لوله های مخصوص با فش��ار در زی��ر س��طح م��ذاب دمی��ده می ش��ود. واکنش اکس��یژن ب��ا ک��ربن، سیلس��یم و آلومینیوم، این عناصر را اکسید کرده و به سرباره منتقل می کند و گرمای ایج��اد ش��ده از این واکنش ه�ای گرم�ازا دم��ای م�ذاب را در ح�د مطل��وب نگ��ه می دارد. حذف عناصر ناخواسته از مذاب مرحله احی��اء م��ذاب نامی��ده می ش��ود. ذک��ر این

ض��روری اس��ت ک��ه پس از ایج��اد م��ذاب ح��رارت الزمEAFنکته در مورد فرآیند ب��رای ادام��ه فرآین��د توس��ط واکنش ه��ای گرم��ازا ت��امین می ش��ود، ن��ه توس��ط انرژی های خارجی. چنانچه الزم باش��د، ب��ا اف��زودن قراض��ه ب��ه ذوب دم��ای آن را

کاهش می دهند. در این فرآیند مقدار زیادی سرباره در مراحل اکسیداسیون و گوگرد زدایی ایجاد می شود. سرباره به طور دستی از مذاب جدا ش��ده و از طری�ق دریج��ه س��رباره که بر روی کوره قرار دارد، ب��ه ب��یرون منتق��ل می ش��ود. پس از س��رباره گیری از ذوب، ترکیب شیمیایی نمونه گیری گرفته می ش��ود. تنظیم آن��الیز ش��یمیایی ذوب، بر مبنای آنالیز به دست آمده از این نمونه صورت می گیرد. برای نگه داشتن دما در سطح مطلوب در طی مدت نمونه گیری و تنظیم ترکیب شیمیایی می توان ب��ه

ذوب آلومینیوم اضافه کرد و سپس با دمش اکسیژن آن را حذف نمود. وقتی که ترکیب شیمیایی مورد نظر بدست آمد، بار ذوب شده از طری��ق دریچ��ه بار ریز جلو کوره به داخل پاتیل انتقال ذوب ریخته می شود. پاتیل انتقال ذوب به

دارای واحد تامینAOD منتقل می شود. تانک AODبخش دوم فرآیند یعنی تانک انرژی مستقلی نیست. در داخل این تانک مخلوطی از گازه�ای آرگن در مخل��وط گازی افزایش داده می شود، تا درص�د اکسیداس�یون ک�اهش پی�دا کن�د )ب�ه دلی��ل

22

کاهش فشار جزئی اکسیژن(. عمل دمش تا وقتی ک��ه اکس��ید ک��روم موج��ود در سرباره احیاء شده و کروم فلزی به مذاب منتقل شود، ادامه پیدا می کن��د، زی��را از نظر ترمودینامیکی کروم فلزی از اکسید کروم پای��دارتر اس��ت. مش��ابه ک��وره قوس برای ثابت نگهداشتن دمای مذاب می ت��وان از اف��زودن آلومی��نیوم و ح��ذف

آن با اکسیداسیون استفاده کرد. وقتی که فرآیند بازیابی کروم به پایان خود نزدی��ک ش��د. اص��الحات الزم ب��ر روی ترکیب ش��یمیایی نمون��ه انج��ام می ش��ود. م��ذاب س��رباره گیری ش��ده و ب��ه پاتی��ل ریخته گری منتقل می شود. این پاتیل در کف خود دارای یک توپی است که با ب��از شدن آن مذاب به داخل قالب ریخت��ه می ش��ود. ق��الب می توان��د ب��ه دو روش پ��ر شود. در روش اول مذاب از سر قالب مستقیما به درون آن ریخته می ش��ود. در روش دوم مذاب در یک لوله بار ریز میانی ریخته می ش��ود و از طری��ق این لول��ه مذاب از کف تعدادی از قالب ها به درون آن ها وارد می شود. ق��الب الکتروده��ای گرد و تختال های چهارگوش به ط��ور گس��ترده ای در تولی��د س��وپرآلیاژها اس��تفاده می شوند. پس از ریخته گری ش��مش از ق��الب خ��ارج ش��ده و می توان��د مس��تقیما مورد استفاده قرار گیرد و یا بسته ب��ه ویژگیه��ای انجم��اد ب��رای ب��ه دس��ت آوردن

ساختاری با جدایش کمتر با فرآیندهای دیگری ذوب مجدد شود. - عملیات کوره قوس الکتریکی/ کربن زدایی با اکسVVیژن و آرگن4-2

(EAF/AOD)- ترکیب شیمیایی آلیاژ و آماده کردن شارژ4-2-1

تعیین کننده نوع س��وپرآلیاژ تولی��د ش��ده ب��اEAF/AODچند ویژگی مهم در فرآیند و ریخت��ه اس��تفادهAODاین روش هس��تند. اول اینک��ه اگ��ر محص��ول در ش��رایط

می شود، ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژ و ویژگیهای انجماد آن تعیین کننده نوع آلی��اژ است. این روش ریخته گری عموما به طریق استاتیکی انجام می ش��ود. در نتیج��ه ساختار جدایش یافته حاصل باید در محصول نهایی قابل قبول باشد. بدین مع��نی که مقدار عنصر محصول سوپرآلیاژها باید کم باشد تا جدایش ش��دیدی ب��ه وج��ود نیاید. هم چنین سوپرآلیاژهایی را ک��ه ج��دایش متوس��ط دارن��د، ولی وج��ود آن در

کاربرد نهایی سوپرآلیاژ زیان آور نیست، می توان به این روش تولید کرد. دوم اینکه اگر محصول به مقدار گاز محلول بسیار کم یا کنترل ترکیب ش��یمیایی دقیق ک�ه در فرآین��دهای تحت خالء وج�ود دارد، نی��از نداش��ته باش��د س��وپرآلیاژ را

ذوب نموده و به صورت الکترود، ریخته گ��ری ک��رد.EAF/AODمی توان با فرآیند به جای فرآیندهای تحت خالء، پ��ایینEAF/AODبیشترین دلیل استفاده از فرآیند

بودن قیمت مواد اولیه شارژ و کوتاه بودن زمان ذوب است. چنانچ��ه گفت��ه ش��د، سوپرآلیاژها نوعی فوالدهای زن��گ ن��زن مخص��وص هس��تند. فل��ز ک��روم اف��زودنی اصلی در اکثر سوپرآلیاژهاست. بدست آوردن کروم خالص دش��وار و ح��ذف آهن

و کربن آن بسیار پر هزینه است. در کاهش سطح ک��ربن و بازی��افت قس��مت اعظمی ازEAF/AODتوانایی فرآیند

کروم. این فرآیند را قادر ساخته که از فروکروم پر کربن ب��ه ج��ای فروک��روم کم

23

این م��واد ب��ه ت��رتیب2000کربن یا کروم خالص استفاده کند )قیمت ه��ای س��ال کربن بهEAF دالر بر کیلوگرم بوده است.( در طی فرآیند 89/8 و 33/1،� 89/0

عن��وان س��وخت مص��رف می ش��ود و ب��ه همین لح��اظ الزم نیس��ت قراض��ه م��ورد استفاده، گریس زدایی و یا با روش های وی��ژه ای آماده س��ازی ش��ده باش��د، زی��را آلودگی های کربنی در جریان فرآیند حذف می شوند. حذف هزینه های آماده سازی

قراضه نیز به کاهش هزینه فرآیند می انجامد. بازیافت قراضه از مسائل مهم صنعت سوپرآلیاژهاس�ت. قراض�ه تولی��د ش��ده در

درص��د باش��د. ماش��ین کاری50 ت��ا 25مرحل��ه ن��ورد محص��ول ممکن اس��ت بین س�وپرآلیاژها ب�رای رس�یدن ب�ه ش�کل نه�ایی ن�یز یکی دیگ�ر از عوام�ل اف�زایش

در اس��تفادهEAF/AODقراضه به صورت ماشین کاری می باشد. توان��ایی فرآین��د EAF/AODاز این براده ها و حذف آلودگی ها بس��یار ثم��ربخش اس��ت. در فرآین��د

عناصری که انرژی آزاد اکسیداسیون ب��االیی دارن��د، ح��ذف می ش��وند و ب��ه همین خاطر قراضه های آلیاژهای مش��ابه و ن��ه دقیق��ا یکس��ان ن��یز در این فرآین��د قاب��ل استفاده هستند. از طرف دیگر تولید و کنترل ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژهایی که دارای عناصری با انرژی آزاد اکسیداسیون باال و نیز آلیاژه��ایی ک��ه دارای ت��رکیبشیمیایی بسیار محدود و یا عاری از ناخالصی هستند، با این روش دشوار است.

EAF/AODدرس��ت ب��ه هم��ان ترتی��بی ک��ه می ت��وان م��واد پ��ر ک��ربن را در روش استفاده کرد، بعضی از مواد پر گوگرد را نیز می توان در این فرآیند به ک��ار ب��رد. حذف گوگرد از سنگ معدن هزینه باالیی دارد. م��واد اولی��ه گ��وگرددار نس��بت ب��ه

ب��ا اف��زودن م��وادEAF/AODانواع بدون گوگرد قیمت پایین تری دارند. در فرآیند گوگردزا )مانند آه��ک( ب��ه م��ذاب از انتق��ال گ��وگرد ب��ه س��رباره اطمین��ان حاص��ل

می شود.EAF- بارگذاری 4-2-2

عموم��ا از برنامه ه��ای رای��انه ای ب��رای انتخ��اب ت��رکیب ب��ار م��واد اولی��ه اس��تفاده می شود. شکل مواد اولیه و کوره قوس تعیین کننده ترکیب م��وادی هس��تند، ک��ه در آن بارگذاری خواهند شد. بار داخل ظرف کف ریز ریخته می ش��ود. ظ��رف ب��ه ب��االی ک��وره منتق��ل و ک�ف آن ب��از ش��ده و محتوی��ات آن ب��ه داخ�ل ک�وره ریخت��ه می شود. برخورد قطعات درشت قراضه با نسوز ک�ف ک�وره می توان�د خس�ارات شدیدی به آن وارد کرده و عمر الیه نسوز ک��وره را ک��اهش ده��د. بن��ابراین ابت��دا قطعات ریز قراضه مانن��د براده ه��ای ماش��ین کاری و س��پس قطع��ات درش��ت در ک��وره ب��ار می ش��وند. آخ��رین الی��ه م��وادی ک��ه ب��ه ب��ار ک��وره اض��افه می ش��وند، قراضه های سبک می باشند، تا هنگامی که الکترود پایین آورده می شود، بتواند در داخل آنها فرو رفته و قوس بین الکترود و بار کوره ایجاد شود و از ایج��اد ق��وس بین الکترود و دیواره جلوگ��یری گ��ردد. نتیج��ه این ک��ار حف��اظت بیش��تر از نس��وز

کوره است.- کوره قوس الکتریک 4-2-3

24

نش��ان داده ش��ده اس��ت. ظ��رفیت1-4 در شکل EAFیک طرح عمومی از کوره EAF/AOD یکس��ان باش��د. عملی��ات AOD بای��د ب��ا ظ��رفیت تان��ک EAFک��وره

می تواند انجام گیرد، اما اکثرا ظرفیت تولید اینKg 9000سوپرآلیاژها با ظرفیت انتخاب می شود.kg36000روش در حدود

دیواره کوره فوالدی مدور با سیستم آبگ��رد و الی��ه نس��وز آج��ری اس��ت. انتخ��اب آجرهای نسوز به نوع آلیاژ و طراحی کوره بستگی دارد. هزینه نس��وز ک��اری ی��ک

ه��زار دالر اس��ت. قس��مت پ��ایین ک��وره ث��ابت و18 تنی تقریبا 18کوره متوسط سقف آن متحرک است. سقف کوره می تواند در یک صفحه افقی ح��رکت ک��رده و کامال از کوره دور شود تا بار به درون آن ریخته شود. سقف ک��وره دارای س��ه الکترود گرافیتی است، که در داخل کوره قرار می گیرند. در قسمت جلو دی��واره کوره مجرای خروج مذاب و در قسمت عقب آن دریچه سرباره گیری ق��رار دارد. کوره قوس تقریبا در داخل یک چاله قرار دارد، به نحوی که مجرای خروج مذاب و دریچه سرباره گیری تقریبا در کف کارگ��اه ق��رار می گیرن��د. وج��ود چال��ه اج��ازه می دهد، که پاتیل حمل مذاب و پاتیل سرباره می توانن��د ت��ا ن��زدیکی ک��وره آورده شوند. سطح این پاتیل ها پایین تر از سطح مجراها قرار می گیرن��د. ک��وره ق��ابلیت

درجه به طرف جل�و را دارد، ت�ا فل�ز م�ذاب ک�امال ب�ه درون پاتی�ل90چرخش تا ریخته شود. زاویه چرخش کوره به طرف عقب به منظور س��رباره گیری ح��داکثر

درجه است.20 به دلیل پایین بودن چگالی مواد اولیه نمی توان هم��ه آن را یکب��اره ب��ه ک��وره ب��ار کرد. ابتدا بخشی از بار به کوره اضافه می ش��ود و س��قف ک��وره مج��ددا در ج�ای خود قرار می گیرد. الکترودها به طرف شارژ حرکت می کنن��د و ق��وس الک��تریکی بین بار و الکترود ایجاد می شود. ابتدا قوس کم ولتاژ ایجاد می شود. با شروع ب��ه ذوب شدن بار الکتروده��ا پ��ایین تر می رون��د و ولت��اژ جری��ان اف��زایش می یاب��د. ت��ا قوسی با طول بیشتر ایجاد گردد و در نتیجه بازدهی ذوب افزایش یابد. عملی��ات مزبور تا ذوب شدن همه بار ادامه پیدا می کند. سقف کوره کن��ار می رود و ب��اقی مانده بار به کوره ریخت��ه می ش��ود )بارگ��ذاری مج��دد(، پس از بارگ��ذاری مج��دد، سقف کوره به محل قبلی خود برگشته و تا زمانی که کل بار ذوب ش��ود، ق��وس بر قرار می شود. پس از آن گرم کردن ذوب با دمش اکس��یژن و آرگن می توان��د

انجام شود. اکسیدهایی که در این مرحله به وجود می آیند، ممکن است بسیار خورنده باشند و به الیه نسوز کوره آسیب وارد کنند. ساییدگی نس��وزها در هم��ه ذوب ه��ا اتف��اق می افتد، ولی برای جلوگیری از آسیب های موضعی شدید نسوز دی��واره، معم��وال آهک به بار کوره اضافه می کنند. آهک نقش س��رباره س��از دارد و س��رباره ایج��اد شده در کوره به صورت دستی از آن گرفته می شود. ب��رای س��رباره گیری ک��وره به سمت عقب چرخیده و سرباره جمع آوری شده، از دریچه س�رباره گیری خ�ارج

می شود. این عمل در صورت نیاز و بسته به نوع بار قابل تکرار است.

25

پس از آنکه بخش عمده ای از سرباره تشکیل شده تخلیه گردید، یک نمونه آنالیز شیمیایی از ذوب تهیه می شود. بر مبن��ای ت��رکیب ش��یمیایی بدس��ت آم��ده از این نمونه ممکن است دمش گاز ادامه یابد یا تعدادی از عناص��ر آلی��اژی ب��رای تنظیم

به آن افزوده ش��ود. زم��ان تقری��بیAODترکیب شیمیایی قبل از انتقال به واحد س��اعت اس��ت. پس از آم��اده ش��دن3 تا 1 تقریبا EAF/AOD فرآیند EAFمرحله

ذوب آن را به درون پاتیل انتقال مذاب می ریزند. پاتیل انتقال )یک ظ��رف نس��وز کاری شده با مجرای خروج مذاب( در مقاب��ل ک��وره ق��وس ق��رار داده می ش��ود. کوره می چرخد و محتویات خود را به درون پاتیل می ریزد. ممکن است پاتی��ل ب��ا

MgOنسوزکای شده باشد، تا با سرباره آهک مطابقت داشته باشد. امک��ان دارد موقع سرباره گیری ذرات سرباره بر روی م��ذاب ش��ناور ب��اقی ب��ه مان��د. قب��ل از ریختن م��ذاب ب��رای جلوگ��یری از افت دم��ای م��ذاب در پاتی��ل، آن را پیش گ��رم

برده می شود و م��ذاب ب��ه درون تان��کAODمی کنند. پاتیل انتقال مذاب به تانک ریخته می شود.

AOD- تانک 4-2-4 نشان داده شده است. دی��واره تان��ک ف��والدی و نس��وز AOD تانک 6-4در شکل

کاری شده است. نمای بیرونی تانک شبیه به مخلوط کن های بتن با تن��ه م��دور و سر مخروطی است که در مح��ل قرارگ��یری خ��ود می توان��د ب��ر روی ی��ک ص��فحه

EAFعمودی چرخش نماید. ظرفیت تانک متناس��ب ب��ا ظ��رفیت ک��وره و معم��وال این است ک��ه در ک��فAOD تن است. یکی از مشخصات ویژه تانک 36کمتر از

آن تعدادی لوله برای دمش مخلوط اکسیژن و آرگن وجود دارد. این لوله تعدادی لوله هم مرک�ز هس�تند ک�ه از لول�ه مرک�زی مخل�وط آرگن و اکس�یژن و از لول�ه بیرونی فقط گاز خن��ثی )معم��وال آرگن( ب��رای خن��ک ک��ردن انته��ای لول��ه مرک�زی

دمیده می شود. اس��ت و در طی فراین��د فرس��ودهEAF شبیه نس��وز ک��وره AODالیه نسوز تانک

می شود. کنترل درجه قلیایی سرباره یک عامل کلی�دی ب�رای اطمین��ان از آس��یب ک��ربنAODندیدن الیه نسوز از طرف سرباره می باشد. اولین مرحل��ه در تان��ک

زدایی مذاب است. اگر درون مذاب اکسیژن خالصی دمیده شود، نتیج��ه ک��ار ن��ه تنها کربن زدایی مذاب نخواهد شد بلکه ک��روم بیش�تری ب�ه اکس�ید ک�روم تب��دیل خواهد ش��د. ب��رای اقتص��ادی ک��ردن واکنش ک��ربن زدایی، فش��ار ج��زئی اکس��یژن دمیده شده به م��ذاب ب��ا اض��افه ک��ردن آرگن ب��ه آن ک��اهش داده می ش��ود ت��ا از مقدار کرومی که به اکسید کروم تبدیل می شود، کاسته شود. وق��تی ک��ه مق��دار

در نظ��ر1 ب��ه 3کربن مذاب باال باشد، نسبت آرگن به اکسیژن در مخلوط گازی گرفته می شود. با کاهش مقدار کربن مقدار آرگن باید اف��زایش یاب��د. ب��ا نزدی��ک

در نظر1 به 6شدن به مرحله کربن زدایی کامل نسبت آرگن به اکسیژن تقریبا گرفته می شود.

حرارتی ک��ه در اث��ر واکنش ک��ربن زدایی ب��ه وج��ود می آی��د، مق��داری از ک�روم را اکسید می کند. در اثر دمش گاز، سیلسیم نیز اکسید می شود ولی حرارت ناشی

26

از اکسیداسیون آن ناچیز است و اث�ر کمی در گ�رم ک�ردن م�ذاب دارد. ی�ادآوری فاقد منبع انرژی حرارتی خارجی سات وAODاین موضوع اهمیت دارد که تانک

دمای آن در اثر واکنش های گرمازا افزایش پیدا می کند. چنانچه الزم باشد دم��ای مذاب پایین آورده شود، از قراضه جامد استفاده می شود. یکنواخت نگه داش��تن دمای مذاب از لحاظ اقتصادی اهمیت دارد، زیار تب��دیل عناص��ر آلی��اژی ب��ا ارزش )به ویژه کروم و نیوبیوم( به سرباره تحت تاثیر دما انجام می گیرد. از فوق گ��داز شدن مذاب باید جلوگیری کرد، زیرا خنک کردن و گرم کردن مجدد آن زم��ان ب��ر

بوده و بازیابی کامل عناصر آلیاژی موجود در سرباره را دشوار می سازد. در طی فرآیند کربن زدایی به مذاب آهک اضافه می ش��ود. آه��ک اض��افه ش��ده در مرحله دمش گاز کامال با م��ذاب مخل��وط ش��ده و درج��ه ب��االیی از گ��وگرد زدایی

حاصل از گوگردزدائی به صورت سرباره در می آید.CaSمذاب به دست می آید. چنانچه پس از نمونه گیری از ترکیب شیمیایی، کربن زدایی ت��ا س��طح م��ورد نظ��ر

شروع می شود.AODانجام شده باشد، مرحله بازیابی عملیات مخل��وط ش��ده ب��اAl و Siدر این مرحله سرباره با عناص��ر ارزان قیمت )عموم��ا

تمای�لNb و Crآهک( واکنش داده می شود. این عناصر نسبت به عناصری نظ�یر بیشتری برای تش��کیل اکس��ید دارن��د و ب��ه همین دلی��ل اکس��یدهای عناص��ر گ��ران قیمت موجود در سرباره احی��اء ش��ده و عناص��ر فل��زی ب��ه م��ذاب ب��ر می گردن��د. درباره استفاده از ترکیب شیمیایی نمونه گرفت��ه ش��ده از پاتی��ل انتق��ال و مق��دار اکسیژن دمیده شده ب��ه م��ذاب ب��رای پیش بی��نی مق��دار ک��روم و نیوبی��وم اکس��ید

شده ای که باید احیاء شود، نظریه های گوناگونی ارائه شده است. پس از اتم��ام مرحل��ه بازی��ابی )توس��ط ت��رکیب ش��یمیایی نمون��ه گرفت��ه ش��ده از مذاب( س��رباره گیری انج��ام می ش��ود. ب��ه هنگ��ام س��رباره گیری تان��ک چرخی��ده و س��رباره جمع آوری ش��ده از س��طح م��ذاب از دریچ��ه خ��ارج می ش��ود. ب��ه هنگ��ام سرباره گیری تانک چرخیده و سرباره جمع آوری شده از س��طح م��ذاب از دریچ��ه خارج می شود. پس از آن عملیات نهایی تنظیم ترکیب شیمیایی انج��ام می ش��ود.

سپس تانک بیشتر چرخیده و مذاب به درون پاتیل ریخته گری منتقل می شود.- پاتیل ریخته گری 4-2-5

پاتی��ل ریخته گ��ری و ب��ار م��ذاب درون آن ب��ه مح��ل ایس��تگاه ریخته گ��ری منتق��ل طرح کلی سیستم ریخته گری با قالب پر ش��ونده از ک�ف را7-4می شوند. شکل

نشان می دهد. با کنار رفتن توپی کف پاتیل، مذاب به بیرون جریان پیدا می کن��د. با وارد شدن مذاب به لوله بارریز مرکزی یا شیپوری می توان از یک جری��ان گ��از آرگن برای جلوگیری از تماس مذاب با اکسیژن و نیتروژن اتمسفر استفاده کرد. لول��ه ب��ارریز تع��دادی راهگ��اه را ک��ه ب��ه ص��ورت ش��عاعی در پ��یرامون آن ق��رار

گرفته اند، پر می کند. از طریق این راهگاه ها فلز مذاب از کف قالب به درون آن ریخته گری می ش��ود. برای جلوگیری از واکنش بین جداره داخلی قابل و فلز م��ذاب پودره��ای وی��ژه ای به سطح داخلی ق��الب زده می ش��ود. اث��ر دیگ��ر این پودره��ا بهب��ود کیفیت س��طح

27

شمش ریخته و نیز عایق حرارتی ب��ودن اس��ت. در پای��ان ریخته گ��ری ترکیب ه��ای گرم�ازایی ب�ه س�طح ق��الب اض�افه می ش��وند ت��ا ب�ه عن��وان ع�ایق ح�رارتی س��ر الکترودهای در حال انجماد را گرم نگه دارند. لذا این قسمت می تواند به عن��وان تغذیه عمل نماید و انقباض های ناشی از انجم��اد قس��مت های مرک��زی ش��مش را

جبران کند. قالب الکترودهای کربن زدایی شده با آرگن و اکسیژن را می توان از س��ر ق��الب ریخته گری کرد اما به دلیل مشکالتی مانند دشوار بودن این روش، مسائل ایمنی و طوالنی بودن زمان ریخته گری، عموما از روش ریخته گری قالب پ��ر ش��ونده از

کف استفاده می شود.[13]( VIM- مروری بر ذوب القایی در خالء )4-3

- در فرآیند ذوب القایی تحت خالء در مقایسه با فرآین��دهای ذوب در ه��وا،4-3-1 مقدار اکسیژن و نیتروژن مذاب به مقدار قالب توجهی کاهش می یابد. در نتیج��ه

اکسیدها و نیتریدهای کمتری داشته و نسبت بهVIMسوپرآلیاژهای تولید شده با تم��یزتر هس��تند. بعالوه عناص��رEAF/AODس��وپرآلیاژهای تولی��د ش��ده ب��ه روش

دارای فشار بخار باال )ب��ه وی��ژه س��رب و بیس��موت( ک��ه ممکن اس��ت از طری��ق قراض��ه وارد ش��ده باش��ند، در طی فرآین��د ذوب ب��ه این روش ح��ذف می ش��وند. مجم���وع این عوام���ل ب���اعث بهب���ود خ���واص خس���تگی و گس���یختگی خ���زش

می شوند.EAF/AOD در مقایسه با روش VIMسوپرآلیاژهای تولید شده با اس��ت وEAF/AODکن��ترل عناص��ر آلی��اژی در این روش خیلی دقیق ت��ر از روش

EAF/AOD است. در فرآین��د EAF/AOD پر هزینه تر از روش VIMتولید به روش و ...( ص��ورتAl,Si,S,Ti,Cاص��الح ت��رکیب ش��یمیایی )ک��اهش عناص��ری مانن��د

ترکیب شیمیایی نهایی به ترکیب ب��ار وارد ش��ده ب��هVIMمی گیرد ولی در فرآیند کوره بسیار نزدیک اس��ت. ممکن اس��ت در مق��دار ک�ربن ک�اهش ج�زئی ص��ورت

جدید مرحله گوگردزدایی نیز وج��ود دارد. در این روشVIMگیرد. در فرآیندهای ترکیب شیمیایی مذاب توسط ترکیب بار وارد شده به کوره تع��یین می ش��ود؛ ب��ه

در مقایسه با مواد اولیه استفاده ش��دهVIMهمین دلیل قیمت مواد اولیه فرآیند گران تر است.EAF/AODدر فرآیند

VIM- تشریح فرآیند 4-3-2 بار کوره عموما دارای س��ه بخش اس��ت: بخش م��واد خ��ام ک��ه قبال در خالء ذوب نشده اند، بخش دیرگداز که شامل عناص��ر خالص��ی اس��ت ک��ه اکس��یدهای پای��دار تشکیل می دهند و تمایل دارن��د ق��ابلیت انحالل اکس��یدها و نیتری��دهای موج��ود در مواد خام را افزایش دهن��د. بخش آخ�ر ب�ار ش��امل قراض��ه های داخلی و خ�ارجی است که قبال در خالء ذوب شده اند. به خاطر اینکه امکان دارد قراض��ه ها در طی تولید آلودگی پیدا کرده باشند، الزم است دقت کافی در جدایش و آم��اده س��ازی

انجام گیرد. ابتدا بخش مواد خام بار درونVIMآنها قبل از وارد شدن به فرآیند قرار داده می شود. این عمل ممکن است با باز شدن سقف ک��وره وVIMکوره

یا بارگذاری توسط یک محفظه تحت خالء نصب شده در باالی س��ر ک��وره انج��ام

28

( را10 )و اغلب کم��تر از 100 گ��یرد. ک��وره ق��ابلیت ایج��اد س��ریع خالء کم��تر از دارد. با ایجاد جریان القایی توسط سیم پیچ های مس��تقر در محی��ط بوت��ه نس��وز. مواد خام ذوب می شوند. پس از ذوب کامل، مواد گاززدائی می ش��وند. در اینج��ا ممکن است مقدار دیگری از مواد به بار ذوب ش��ده اض�افه ش�ود ت�ا وزن آن ب�ه

مقدار برنامه ریزی شده برسد. پس از کامل شدن ذوب یک نمون��ه ت��رکیب ش��یمیایی از آن گرفت��ه می ش��ود. ب��ر اساس ترکیب شیمیایی نمون��ه، افزودنی ه��ای الزم ب��ه ذوب اض��افه می ش��ود، ت��ا ترکیب شیمیایی آن به ح�د م��ورد نظ�ر برس��د. ب��ا توج�ه ب��ه اینک��ه در این فرآین��د تغییرات قابل توجهی در ت�رکیب ش�یمیایی ص�ورت نمی گ�یرد، ل�ذا بای�د در تنظیم ترکیب شیمیایی ذوب بدست آمده دقت کرد تا در صورت نیاز بتوان مجددا آن را تکرار نمود. پس از به پایان رسیدن مرحله اض�افه ک��ردن م�واد اف�زودنی، دم��ای

مذاب به دمای مناسب برده شده و به درون قالب ها ریخته گری می شود. مذاب با وجود اینکه در خالء تولید شده ولی مقدار قاب��ل ت��وجهی س��رباره ایج��اد ش���ده از اکس���یژن زدایی، گ���وگرد زدایی و ذرات نس���وز ک���وره دارد. در حین ریخته گری مذاب تا حد ممکن سعی می شود ک�ه ذرات س��رباره ب��ه داخ��ل ق�الب راه پیدا نکنند. عموما از سیستم ریخته گری برای هدایت فلز مذاب به ق��الب ک��ه دارای تعدادی تله برای به دام انداختن ذرات س��رباره اس��ت، اس��تفاده می ش��ود. سیستم ریخته گری در نهایت به بار ریز ختم می شود. در بارریز همواره مق��داری مذاب وجود دارد، تا ذرات سرباره راه یافته به آن شناور شده و از جریان مذاب ریخته گ��ری ح��ذف ش��وند. جری��ان م��ذاب از ک��ف ب��ارریز خ��ارج می ش��ود. زم��ان

ریخته گری توسط قطر افشانک بارریز و دمای ریخته گری تعیین می شود. ب��ه ن��درت در ش��رایط ریخت��ه اس��تفادهVIMسوپرآلیاژهای تولید ش��ده ب��ه روش

می ش��وند و ب��ه ک��ارگیری آنه��ا در ش��رایط ک��ار ش��ده مناس��ب تر اس��ت. یکی از برتری ه��ای این روش اس��تفاده از ش��مش های آن در عملی��ات ذوب مج��دد ب��رای

می توانن��دVIMبهبود ساختار آلیاژ و افزایش درجه تم��یزی آن اس��ت. قالب ه��ای VARبرای ذوب مجدد به روش های ESR و [14] استوانه ای باشند یا ب��رای[15]

تخت��ال در نظ��ر گرفت��ه ش��وند. در اص��طالح ف��نی ب��هESRذوب مج��دد ب��ه روش محصوالت ریخته تولید شده به این روش شمش گفته نمی شود، بلک��ه ب��ا عن��وان الکترود شناخته می شوند، و این نام نشانگر آن است که مواد نیمه تم��ام ب��وده و

از آنها در فرآیند ذوب بعدی استفاده خواهد شد.- عملیات ذوب القایی در خالء4-4

- عملیات ذوب القایی در خالء4-4-1 بر حسب ترکیب شیمیایی هدف محاسبه می شود. محاسبه انجام ش��دهVIMبار

بر مبنای استفاده از سه نوع مختلف مواد به عالوه یک فاکتور تصحیح است. نوع اول مواد که با عنوان مواد خام یا تازه توضیح داده ش��دند، دارای عناص��ر خ��الص هس��تند. این م��واد ممکن اس��ت دارای اکس��یژن و نی��تروژن ح��ل ش��ده باش��ند. اکسیژن در طی عملیات ذوب کاهش خواه��د ی��افت. ک��اهش نی��تروژن در فرآین��د

29

VIMبا سرعت پایینی صورت می گیرد و باید در انتخاب م��واد اولی��ه از م��واد کم نیتروژن استفاده کرد. تفاوت اصلی بین مواد خام و بقیه م��واد در این اس��ت ک��ه

سطح گاز محلول آنها با عملیات ذوب در خال قبلی کاهش نیافته است. بر پایه این تعری��ف م��واد خ��ام از نظ��ر اقتص��ادی ن��وع مهمی از تولی��دات فرآین��د

EAF/AOD،هستند. این مواد از بازی��افت س��وپرآلیاژهای برگش��تی از خ�ط تولی��د فلز باقی مانده به دیواره کوره و براده های ماش��ین کاری و پوس��ته کنی ب��ا ان�دازه

از آنها اس��تفاده ک��رد. بعض��یVIMکوچک هستند، که می توان مستقیما در کوره تول��دی می ش��وند ک��ه دارای ک��ربن و عناص��ر فع��الEAF/AODاز مواد با فرآین��د

هم تولید شوند اکس��یژن زی��ادی خواهن��دVIMکمی هستند. این مواد حتی اگر با هستند از آنهاVIMداشت و باید بدون توجه به روش تولید و اینکه قراضه فرآیند

به عنوان مواد خام استفاده کرد. دسته دوم تحت عنوان مواد فع��ال ش��ناخته می ش��وند. م��واد فع��ال عموم��ا م��واد

اکس��یدها و نیتری��دهای پای��داری تش��کیلAl و Tiخالص هستند. این م��واد عم��دتا می دهند و قابلیت انحالل گازها را در بار کوره اف��زایش می دهن��د. این م��واد بای��د توزین شده و جداگانه نگهداری شوند و فقط پس از گاززدایی کامل مذاب به آن

افزوده شوند. دسته سوم مواد برگشتی هستند. در طی فرآین��دهای تولی��د س��وپرآلیاژها مق��دار زی��ادی قراض��ه تولی��د می ش��ود. بازی��افت این قراض��ه، هم قراض��ه داخلی )مانن��د قراض��ه ذوب( و هم قراض��ه خ��ارجی )مانن��د قراض��ه مراح��ل س��اخت و نص��ب قطعات( یک کار اقتصادی بسیار مهم در صنعت سوپرآلیاژهاست. قطعات بزرگ قراضه در طی فرآیند ذوب و مرحله شکل دادن سوپرآلیاژ تولی��د می ش��وند. این

ریخت��ه ش��وند. البت��ه بای��د امکان��اتیVIMقطعات ممکن است مستقیما به ک�وره برای تشخیص ترکیب شیمیایی آنه��ا وج��ود داش��ته باش��د. ی��ک منب��ع ب��زرگ دیگ��ر

قراضه های برگشتی براده های فرآیند ماشین کاری است. براده ها باید جداگانه نگهداری شوند و به شکل فشرده باشند، ت��ا به��تر ب��ه ک��وره بار شوند. هم چنین محلول آب و صابون و روغن به ج��ای مان��ده از ماش��ین کاری آنها باید زدوده شود. قید و بندهایی که برای نگهداشتن قطع��ات در ماش��ین کاری اس��تفاده می ش��وند، ممکن اس��ت دارای س��رب و بیس��موت باش��ند. چنانچ��ه براده های ماشین کاری به این فلزات آلوده شده باشند، وجود س��رب و بیس��موت در سوپرآلیاژ تولید شده اث��رات بس��یار مخ��ربی ب��ر ج��ای خواه�د گذاش��ت. ب��رای جلوگیری از این شرایط الزم است از هر توده براده نمونه کوچکی تهیه نموده و آن را ذوب کرد و سپس آنالیز شیمیایی آن را به دس��ت آورد. ب��ا توج��ه ب��ه اینک��ه ممکن است آلودگی در توده براده ها یکنواخت توزیع نشده باشد. لذا نتایج آن��الیز نمونه ممکن است. در پیش بینی مقدار آلودگی س�رب و بیس�موت گم�راه کنن�ده باشد. خوشبختانه چنانچه سطح این آلودگی ها در بار ک��وره پ��ایین باش��د، در طی

مقدار خیلی زیادی از آنها حذف می شود، ولی اگر سطح آلودگی باالVIMفرآیند باشد پس از ذوب در خالء کامال حذف نمی شوند، مگر اینکه تشخیص داده ش��وند

30

که در این صورت باید زمان فرآیند بیشتر از حد معم��ول در نظ��ر گرفت��ه ش��ود واین حالت از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

قراضه برگشتی حتما نباید ترکیب شیمیایی بار را داشته باش��د. ب��ا محاس��به وزن مواد خام و اختالف ترکیب شیمیایی آنها به راحتی می توان از قراضه های مختلف

استفاده کرد. پیش بی��نی مق��دار م��اده ای اس��ت ک�هVIMعامل باقی مانده در محاسبه بار کوره

تخلی��ه می ش��ودVIMقرار است از فرآین��د ذوب گرفت��ه ش��ود. وق��تی ک��ه م��ذاب مقداری از فلز مذاب به دیواره بوته می چسبد. در فرآیند ذوب بع��دی فل��ز ب��اقی مان��ده مج��ددا ذوب می گ��ردد. ب��ه همین خ��اطر ترکیب ه��ای ش��یمیایی ذوب ه��ای

باید با یکدیگر مطابقت داشته باشند. ب��ه هنگ��ام محاس��بهVIMمتوالی در فرآیند بار یک عامل تصحیح بخاطر تغییر ترکیب شیمیایی به وجود آمده از مواد بر جای مانده از ذوب قبلی باید در نظر گرفته شود. این عامل تصحیح ب��ر مق��دار و ن��وع مواد خام اثر خواهد گذاشت. تحت بعضی شرایط قبل از ش��روع عملی��ات ذوب، بوته را با یک پاک کننده مواد باقی مانده برای ذوب ترکیب جدید آماده می کنن��د. ذوب های آماده ساز عموما غیرآلیاژی بوده و اجزاء اص��لی ذوب بع��دی را تش��کیل

می دهند.- کوره القائی تحت خالء4-4-2

کوره دارای یک پوسته فوالدی متصل به سیستم ایجاد خالء سریع است. کوره ه��ا VIMاز سقف یا بدنه ب��از می ش��وند و از این نظ��ر طرح ه��ای مختل��ف کوره ه��ای 4500تفاوت کمی با یکدیگر دارند. بوته در مرکز کوره قرار دارد. ظرفیت بوت��ه

کیلوگرم است. نسوز دیواره بوته یکپارچه نیست و در آن از آجره��ای22750تا نسوز )دو الیه آجر نسوز، یک الیه پشتیبان که از سیم پیچ القایی حفاظت می کند و یک الیه بیرونی که در تماس ب��ا فل��ز م��ذاب اس��ت( اس��تفاده می ش��ود. پس از مدتی ضخامت این الیه نسوز کاهش می یابد و آن را تعویض می کنند. ی��ک عام��ل اصلی در کاهش عمر نسوز دی�واره بوت�ه انبس�اط و انقب�اض نس�وز در طی چن��د ذوب متوالی است. آجرهای نسوز تجاری اکثرا به طور کامل تف جوش��ی نش��ده و در حین کار منبسط می شوند و ظ��رفیت ک��وره را پ��ایین می آورن��د. در انتخ��اب آجرهای نسوز باید به مقاومت سایشی و انبساط کنترل کننده عمر الیه نس��وز و

توجه نمود.VIMمدت زمان عملیات بعد از الیه نسوز، سیم پیچ های القایی هستند که از جنس لوله های مس��ی آبگ��رد می باشند. با عب��ور جری��ان الق��ایی ب��ار جام��د ذوب می ش��ود. پس از ذوب ش��دن کامل بار جریان القایی باعث تالطم ذوب می ش��ود. فرک��انس بهین��ه در س��یم پیچ القایی برای حرارت دادن بار با شکل، اندازه و حالت بار )جامد یا م��ذاب( تغی��یر

می کند. در تجه��یزات ق��دیمی از ی��ک فرک��انس اس��تفاده می ش��د ام��ا تجه��یزات جدی��د ب��ا فرکانس های مختلفی کار کرده و ذوب را س��ریعتر آم��اده می کنن��د. در بعض��ی از

سیم پیچ ه��ایی در مق��اطع مختل��ف ک��وره نص��ب ش��ده اند. پس ازVIMکوره های

31

آماده شدن ذوب از این سیم پیچ ها می توان برای به هم زدن مذاب استفاده کردبدون اینکه انرژی اضافی برای این کار مصرف شود.

در اکثر کوره های ذوب القایی در خالء یک محفظه بارگ��ذاری تحت خالء در ب��االی بوته نصب شده است. موادی که بع��دا ب��ه ذوب اض��افه می ش��وند از طری��ق این محفظه به درون بوته ریخته می ش��وند. نح��وه ک��ار ب��دین ش��کل اس��ت ک��ه م��واد اضافه شونده درون ی��ک ط��رف ک��ف ری��ز ق��رار داده می ش��وند و س��پس ظ��رف کف ریز و محتویات آن در داخل محفظه قرار می گیرند. درب محفظه بسته و در آن خالء ایجاد می ش��ود. دریچه ه��ایی ک��ه محفظ��ه بارگ��ذار تحت خالء را از ک��وره ذوب در خال جدا می کنند، باز می شود. ظرف کف ری��ز ت��ا ن��زدیکی س��طح م��ذاب

پایین می رود و کف آن باز می شود، تا مواد به داخل بوته ریخته شوند. کوره های قدیمی ذوب القایی در خالء ب��ا ی��ک محفظ��ه س��اخته می ش��دند. در این نوع کوره ها قالب ریخته گری در داخل کوره ذوب القایی قرار می گرفت. یکی از معایب کوره های قدیمی این بود که پس از هر بار پر شدن قالب بای��د ک��وره ب��از می شد ت��ا ق��الب پ��ر ش��ده را خ��ارج کنن��د و ق��الب جدی��د ک��ار گذاش��ته ش��ود. در کوره ه��ای جدی��د ی��ک محفظ��ه تحت خالء جداگان��ه ب��رای قالب ه��ا وج��ود دارد )کوره های دو محفظه ای(. در هر ن��وع ک��وره قالب ه��ای آم��اده ش��ده بای��د پس از

ط��رح ک��وره2-4آماده شدن ذوب به قسمت ریخته گری منتقل شوند. در ش��کل VIM.دو محفظه ای نشان داده شده است

- سیستم های ریخته گری 4-4-3 سیستم هایی ک��ه فل��ز م��ذاب را انتق��ال می دهن��د ناودان��ک ن��ام دارن��د. ناودانک ه��ا

دو محفظه ایVIMلوله های فوالدی نسوزکاری شده ای هستند ک��ه در کوره ه��ای از آنها استفاده می شود. اگر اندازه ناودانک بزرگ باشد، از آجرهای نس�وز در آن اس��تفاده می ش��ود، ولی در ناودانک ه��ای کوچ��ک از نس��وزهای کوبی��دنی ی��ا ت��ف جوشی شده استفاده می شود. در ناودانک ها موان��ع و تله ه��ایی در مس��یر جری��ان فلز مذاب به قالب ایجاد می کنند، تا از ورود س��رباره ب��ه داخ��ل ق��الب جلوگ��یری

شود. حذف نهایی س��رباره توس��ط ب��ارریز ص��ورت می گ��یرد. م��ذاب پس از خ��روج از ناودانک در داخ�ل ب��ارریز ریخت��ه می ش��ود)در بعض��ی از سیس�یتم های ریخته گ�ری راحی شده مذاب مستقیما از بوته به بارریز ریخت��ه می ش��ود(. در ب��ارریز ارتف�اع فلز مذاب را به نحوی انتخاب می کنند که در ته آن یک جریان آرام برقرار ش��ود. در ته ب��ارریز افش��انک ق��رار دارد و فل��ز م��ذاب توس��ط آن وارد ق��الب می ش��ود.ممکن است در بارریز هم موانعی برای جذب ذرات سرباره وجود داشته باشد.

یکی از مهم ترین عوامل موجود در ب��ارریز زم��ان قرارگ��یری م��ذاب در داخ��ل آن است. این مدت زمان کنترل کننده مقدار سرباره ش�ناور ش�ده اس�ت. ب�ا تنظیم سرعت ورودی مذاب از ناودانک به بارریز ارتفاع فلز مذاب در بارریز ث��ابت نگ��ه داشته می شود. با ثابت ماندن دمای فل��ز م�ذاب و ارتف�اع آن در ب��ارریز س��رعت

خروج مذاب از افشانک بارریز ثابت باقی می ماند.

32

قالب های ریخته گری عموما از مواد فلزی )معموال چ��دن( هس��تند، ولی اس��تفاده از فوالد آهنگری شده نیز افزایش یافته است. عمر قالب و قیمت تمام شده آن تعیین کننده نوع قالب ریخته گری هستند. خستگی حرارتی مهم ترین عامل از کار افتادگی قالب ها است. مقاومت شکست فوالدهای آهنگری شده بیشتر از چ��دن اس��ت، عوام��ل دیگ��ری ن��یز در فرس��وده ش��دن قالب ه��ا م��وثر هس��تند، از جمل��ه برخورد مستقیم جریان مذاب به دیواره قالب که در این ح��الت قالب ه��ای ارزان چدنی مناسب تر هستند. دیواره قالب ها برای کمک به خارج شدن الک��ترود جام��د از درون قالب ش��یب کمی دارد. انقب��اض الک��ترود منجم��د ش��ده آن را از دی��واره قالب جدا می کند، به نحوی که به نیروی زیادی برای جدا کردن الکترود از ق��الب

نیاز نیست.- عملیات ذوب القایی در خالء4-4-4

دو محفظه ای را نشان می دهد. اکثرVIMمراحل ذیل نحوه تولید مذاب در کوره از این روش پ��یروی می کنن��د ولی جزئی��ات بعض��ی ازVIMمراح��ل عملی��ات

عملیات های ویژه مانند اندازه گیری های تحت خالء متفاوت هستند. پس از کام��ل ش��دن عملی��ات ذوب قبلی محفظ��ه ذوب از محفظ��ه ق��الب ج��دا می شود. مقدار خالء محفظه ذوب یادداشت می شود. تمام دریچه های خالء بسته

دقیقه افت خالء محفظه ثبت می شود. افت3می شوند و پس از مدتی در حدود خالء به خاطر وجود نشت در کوره ب��ه وج��ود می آی��د. پمپ ه��ای ب��زرگ اس��تفاده

می توانند خالء زیادی ایجاد کنن�د، ک�ه افت خالء ناش�ی ازVIMشده در کوره های نشست را جبران می کند. بالفاصله پس از اطمینان از اینک��ه خالء الزم در ک��وره ایجاد شده است، افزودن بخش مواد خام از محفظه بارگذار شروع می شود. در شروع ذوب توان کامل ذوب به کارگرفته می شود وقتی ک��ه ک��ل ب��ار ذوب ش��د، دمای آن کنترل می گردد و برای عملیات گاززدایی تنظیم می شود. سرعت تخلیه محفظه افزایش پیدا می کند، زیرا گازهای خارج شده از ب��ار ذوب ش��ده بای��د ب��ه بیرون کوره منتقل شوند. با کاهش فشار جزئی گاز در محفظ�ه گ��از بیش��تری از ذوب خارج می شود به طور مثال کربن وجود دربار با اکسیژن ترکیب شده و ب��ه

آزاد می شود. پیش��رفت گ�اززدایی ب��ا ان��دازه گیری س��رعت تخلی��ه درCOصورت زمان های مختلف پی گیری می شود. وقتی که س��رعت تخلی��ه ث��ابتی برق��رار ش��د

بدین معنی است که گاززدایی مذاب خاتمه یافته است. کنترل دما در طی فرآیند با دماسنج های نوری انجام می شود. ممکن است گفت��ه شود که استفاده از دماسنج های نوری نتایج خیلی دقیقی ب��ه هم��راه ن��دارد. بای��د خاطرنشان ساخت که استفاده از دماسنج نوری وقتی که سطح مذاب شروع به س��رد ش��دن می کن��د، ب��ا دقت زی��ادی دم��ای م��ذاب را ان��دازه گیری می کن��د و

کنترل های بعدی دما نیز برای اندازه گیری فوق گداز مورد نیاز انجام می شود. پس از گ��اززدایی کام��ل ذوب، اف��زودن بخش قراض��ه های برگش��تی ب��ار ش��روع می شود. عناصر نسوز یا قسمتی از آن ممکن است به همراه این بخش اف��زوده شود. مقداری آلومی�نیوم ب��رای اکس�یژن زدایی و کلس�یم ن�یز ب��رای گ�وگردزدایی

33

ذوب به آن افزوده می شود. برای افزودن کلسیم عموما از افزودنی های نیک��ل - تشکیل شده به سربارهCaSکلسیم، آهک یا ترکیبی از این دو استفاده می شود.

تبدیل می شود و بخشی جزیی از آن به دیواره بوته می چسبد. ب��رای اطمین��ان از چسبیده ب��ه دی��واره بای��د مق��داری آلومی��نیوم در م��ذاب وج��ودCaSعدم برگشت داشته باشد.

در سوپرآلیاژها بدون استفادهVIMباید خاطر نشان ساخت که استفاده اولیه از از مواد سرباره ساز بوده اس��ت. ب��ا ش��ناخت اث��رات مخ��رب گ��وگرد ب��ر خ��واص سوپرآلیاژهای دما باال، نیاز ب�ه ک�اهش مق�دار گ�وگرد و اص�الح ت�رکیب ش��یمیایی

دارایVIMمذاب برای بهبود خواص مکانیکی پیدا شد. هم اکنون همه ذوب ه��ای ترکیبات سرباره ساز و نیز ترکیبات اکسیدی شناور بر روی سطح مذاب هستند. برای جلوگیری از ورود این مواد به داخل الکترودهای ریخته بای��د دقت ک��افی ب��ه

عمل آید. وقتی که ذوب قراضه های برگشتی، کنترل گوگرد و افزودن مواد نسوز به انج��ام رسید و ذوب آماده شد، یک نمونه ترکیب شیمیایی از آن تهیه می شود. بر مبنای آنالیز به دست آمده از روی این نمونه، مق��دار وزنی افزودنی ه��ای آلی��اژی ب��رای رس��اندن ان��الیز ب��ه دامن��ه ت��رکیب ش��یمیایی م��ورد نی��از محاس��به می ش��ود. افزودنی های مورد نیاز به مذاب اض��افه می ش��وند. در ص��ورتی ک��ه مق��دار م��واد افزودنی زیاد باشد، نمونه دوم انالیز شیمیایی برای اطمین��ان از درس��تی ت��رکیب شیمیایی برداشته می شود. پس از آماده شدن ذوب ناودانک از میان دریچ��ه بین دو محفظه عبور کرده و بر روی بارریز قرار می گیرد. بارریز قبال پیش گرم شده

است. قبل از ریخته گری، دم��ای ذوب ب��ا دماس��نج ن��وری کن��ترل می ش��ود و ص��حت آن توسط اندازه گیری دما با ترموکوپل کنترل می شود. کنترل دم��ای ریخته گ��ری ب��ه دلیل اینکه سیال ب��ودن م��ذاب و س��رعت ریخته گ��ری از افش��انک ب��ارریز را تحت تاثیر قرار می دهد، اهمیت دارد. دمای ریخته گری باید به حد ک��افی ب��اال باش��د، ت��ا

تش��کیل ش��ده بتوان��دTiNمذاب به دیواره افشانک نچسبد و آنقدر باال نباشد، که در مذاب حل شود. اغلب برای اطمینان از گوگردزدایی کامل، منیزیم به صورت نیک��ل - من��یزیم ب��ه م��ذاب اض��افه می ش��ود. در این ص��ورت گ��وگرد موج��ود در

ب��ه ص��ورت ذراتMgS در خواهد آمد. MgSسوپرآلیاژ کار شده نهایی به صورت کروی تشکیل می شود )برخالف سایر س��ولفیدها ک��ه ب��ه ص��ورت الیه ه��ای ن��ازک

تش��کیل ش��ده ب��ه نح��و قاب��ل مالحظه ایMgSم��رزدانه ای ظ��اهر می ش��وند(. انعطاف پذیری آلیاژ را افزایش می دهد. عنصر من��یزیم دارای فش��ار بخ��ار ب��االیی اس��ت و تحت خالء ج��زئی ی��ا کام��ل نمی توان��د در م��ذاب ب��اقی بمان��د و تبخ��یر می شود. ب��ه همین دلی��ل آرگن ب��ه محفظ��ه خالء وارد می کنن��د، ت��ا فش��ار محی��ط افزایش یافته و تبخیر منیزیم کنترل شود. به رسوب گرد و غبار من��یزیم ب��ر روی دیواره های کوره از نظر ایمنی باید توجه کرد، زیرا آتش زا است و غب��ار من��یزیم

نیز ممکن است در اثر جرقه منفجر شود.

34

قبل از ریخته گری، نمونه نهایی از ترکیب شیمیایی گرفته می شود. ب��ا خم ش��دن بوته، فلز مذاب زیر سرباره به آرامی در ناودانک جریان پیدا می کند. در ابتدا ب��ه منظور پر کردن سریع بارریز، سرعت جری��ان ری��زش م��ذاب از بوت��ه و ناودان��ک زیاد است. وقتی که بارریز تا سطح مطلوب پر شد، زاویه چرخش بوت��ه ک��اهش می یابد، ت��ا س��طح م��ذاب در ب��ارریز در ارتف��اع ث��ابتی نگ��ه داش��ته ش��ود. ش��روع ریخته گری با بارریز ق�رار گرفت��ه در ب��االی س��ر ق�الب انج��ام می گ�یرد، ب��ه همین لحاظ اندکی قبل از رسیدن بارریز به ظرفیت کامل ریخته گری ش��روع می ش��ود. با پر شدن هر یک از قالب های الکترود قالب بع��دی در زی��ر جری��ان م��ذاب ق��رار داده می شود )جریان مذاب معموال پیوسته است(. آخرین مذاب موجود در بوت��ه در یک قالب جداگانه ریخته می شود. احتمال وجود ذرات سرباره در آخرین قالب

وجود دارد. به همین دلیل از آن به عنوان الکترود استفاده نمی شود. با شرع عملیات ذوب بعدی الکترودهای ریخته نیز در محلی نگه داشته می شوند، تا زمانی که انجماد آنها کامل شود. سپس از قالب ها بیرون کشیده می شوند. در بس�یاری از آلیاژه�ا الکتروده�ای ریخت�ه قب�ل از ذوب مج�دد تابک��اری می ش�وند و ممکن اس��ت الکتروده��ا مس��تقیما ب��ه ک��وره تابک��اری منتق��ل ش��وند. محص��والت ریخته گری استاتیکی شده دارای جدایش مثبت باالیی هس��تند و ذوب مج��دد آنه��ا برای بدست آوردن ساختار ریخته گری مطلوب بای��د کن��ترل ش��ده باش��د. انجم��اد الکترودها از دیواره قالب شروع شده و به ط��رف مرک��ز پیش��روی می کن��د و ب��ه همین دلیل مک های انقباضی در خط مرکزی الکترود متمرک��ز می ش��وند. ب��ه این عیوب »مک های ثانویه« گفته می شود. مک های اولیه نیز در اثر تغییر حجم ناشی از انجماد در محل سه الکترود، ب�ه وج�ود می آین��د. انقب��اض اولی��ه ب�ا بک��ار ب��ردن پوش��ش گرم��ازا روی س��طح فوق��انی الک��ترود ح��ذف می ش��ود. پوش��ش گرم��ازا ماده ای است که سطح فوقانی الک��ترود را نس��بت ب��ه س��طوح پ��ایین تر آن ب��رای مدت زمان طوالنی تری در حالت مذاب نگه می دارد. در این صورت مذاب ب��اقی مانده در داخل حفره های انقباضی نفوذ ک��رده و آنه��ا را تغذی��ه می کن��د. قس��مت فوقانی الکترود بعدا بری�ده ش�ده و حفره ه�ای انقباض�ی اولی�ه ح�ذف می ش�وند. مقدار ماده هدر رفته در این ناحیه ناچیز است. دانستن این موضوع اهمیت دارد که با افزایش نسبت طول به قطر حفره های انقباضی، پوشش گرم سر الکترود نمی تواند همه حفره های انقباضی را ح��ذف کن��د. این نس��بت در ی��ک الک��ترود ب��ه

است.1 بر 9 تقریبا cm 380 و طول cm 43قطر - مروری بر ذوب مجدد 4-5

- ریخته گری استاتیکی فرآیندی است که ب��رای ریخته گ��ری حجم زی��ادی از4-5-1 فلز مذاب به درون قالب انجام می شود. کنترل انجماد توس��ط ط��راحی ق��الب و تغذیه فلز برای حذف م��ک ص��ورت می گ��یرد. در قطع��ات ب��زرگ ریخت��ه س��رعت انجماد پایین است و عیب جدایش مثبت ش��کل می گ��یرد. ب��ه همین خ��اطر تولی��د

معموال با ریخته گری استاتیکی آلیاژVIM یا EAF/AODسوپرآلیاژها به روش های

35

در الکترودها برای اس��تفاده در عملی��ات ذوب بع��دی تحت ش��رایط کن��ترل ش��دهانجام می شود.

وVARدو فرآیند عمده برای ذوب مج��دد وج��ود دارد ک��ه عبارتن��د از فرآین��دهای ESRدر هر دو فرآین��د الک��ترود در ی��ک بوت��ه آبگ��رد ق��رار داده می ش��ود. س��طح .

الکترود تا درجه حرارت ذوب گرم می شود. قطرات فلز مذاب چکیده از الکترود در بوته جمع شده و به سرعت منجمد می شوند. با مصرف شدن الکترود، سطح ذوب شونده به بوته نزدیکتر می شود تا فاصله یکنواختی بین سطح ذوب ش��ونده و محل انجماد فلز م��ذاب برق��رار ش��ود. ب��ا وج��ود این وج��وه اش��تراک عم��ومی، روش های بسیار متفاوتی برای ذوب سطح الکترود وجود دارد. متفاوت بودن این روشها، به تفاوت سرعت انجم��اد و ط��بیعت عی��وب بوج��ود آم��ده در ذوب مج��دد

اشاره دارد.(VAR- تشریح فرآیند ذوب مجدد در خالؤء با قوس الکتریکی )4-5-2

الکترود در محفظ��ه خالء ک��ه در آن بوت��ه آبگ��رد ق��رار دارد، ذوبVARدر روش مجدد می شود. یک جریان برق مستقیم از میان الکترود و پایه بوته عبور می کند. ب��ا ب��یرون کش��یده ش��دن الک��ترود قوس��ی بین پای��ه بوت��ه و ن��وک الک��ترود ایج��اد می شود. حرارت ایجاد شده توسط قوس سطح انتهایی الکترود را ذوب می کن��د و قطرات فلز مذاب بر روی پایه مس��ی ریخت�ه و منجم�د می ش��وند. ب��ا اف�زایش حجم فلز روی پایه مسی )ش��مش( ی��ک ح��الت تع��ادل بین ش��مش جام��د، ناحی��ه خمیری و ناحیه مذاب ایجاد می شود. به خاطر اینک��ه در ش��رایط تع��ادلی انتق��ال حرارت از طریق دیواره های جانبی سریع تر از انتق��ال ح��رارت توس��ط ش��مش و پایه مسی است، نواحی خمیری و مذاب در ن��زدیکی دیواره ه��ا نس��بت ب��ه مرک��ز شمش نازک تر هستند. همان گونه که در بخش انجماد گفته ش��د، ض��خامت ناحی��ه خمیری و زاویه رشد عوامل تعیین کنن��ده پی��دایش عیب ج��دایش مثبت ناش��ی از

ترکیب شیمیایی مایع بین دندریتی هستند. ، به وسیله م��یزان انتق��ال ح��رارت،VARضخامت ناحیه خمیری در مرکز شمش

قطر بوته و سرعت ذوب ش��دن س��طح الک��ترود کن��ترل می ش��ود. س��رعت ذوب الکترود به وسیله مقدار جریان عبوری از میان الک�ترود تع�یین می ش�ود. عوام�ل کنترل کننده دیگری که در ساختار انجم��اد نقش مثبت دارن��د، فاص��له بین س��طح

ذوب شونده و سطح حوضچه مذاب و فاصله الکترود از بوته هستند. زمانی که سطح الکترود ذوب می شود، قطرات مذاب فورا تحت تاثیر وزن خ��ود

فرآیندی است که در آن فوق گ��داز وج��ودVARسقوط می کنند و به همین دلیل را ب��ه روش تج��اری ب��رایVARندارد. همچنین قابلیت انتقال حرارت ب��اال روش

تولید شمش هایی با قطر باال از آلیاژهایی که تمایل به جدایش دارند، تبدیل کرده است. به عالوه وجود قطرات ریز م��ذاب در محی��ط خالء، امک��ان ح��ذف عناص��ر

امک��ان ح��ذفVIMدارای فشار بخار باال مانن��د س��رب و بیس��موت ک��ه در روش کامل آنها نبود را فراهم ساخته است. متاسفانه عناصر مفی��د دارای فش��ار بخ��ار باال مانند منیزیم نیز به این طری��ق ح��ذف می ش��وند. بی عیب ب��ودن ش��مش های

36

قابل تضمین نیست. قوس الکتریکی منشاء تعدادی از عیوبVARتولید شده با موجود در شمش است. یکی از این عی��وب عب��ارت اس��ت از ج��دایش منفی ک��ه اثرات آن به اندازه جدایش مثبت بر روی خواص آلیاژ مخرب نیست. این عی��وب ب��ه ص��ورت منفص��ل و ناپیوس��ته دی��ده می ش��وند و ممکن اس��ت وج��ود آنه��ا در

طراحی قطعات در نظر گرفته شود.(ESR- تشریح فرآیند مجدد با سرباره الکتریکی )4-5-3

ذوب مجدد با سرباره الکتریکی در خالء انجام نمی گیرد. منبع حرارتی ک��ه س��طح و افزودنی های اکس��یدیCaF2الکترود را ذوب می کند، سرباره مذاب متشکل از

دیگ��ر اس��ت. در این روش از جری��ان ب��رق متن��اوب استفادهمی ش��ود. جری��ان الکتریکی از میان الکترود، پوشش سرباره، شمش در حال انجماد و پای��ه مس��ی

قطرات فلز مذاب از می��ان خالء می گذرن��د ولی درVARعبور می کند. در روش از میان سرباره مذاب عبور می کنند. تماس فل��ز ب��ا س��رباره در طیESRروش

زمان عبور آن از میان سرباره اجازه می دهد که واکنش هایی بین این دو ص��ورت به مقدار بسیار زیادی گوگردزدایی انج��امCaF2گیرد. در اثر واکنش فلز مذاب با

می شود. کاهش مقدار عناصر سودمند دارای فشار بخار باال نیز به ان��دازه روشVAR نیس���ت. در ESR ش���مش تم���یزتر و کم گ���وگردتر از روش VARتولی���د

می شود. VARعمق غوطه وری الک��ترود در س��رباره نقش مش��ابه ط��ول ق��وس در روش

دارد. در اینجا نیز قطر الکترود و قطر بوته تعیین کننده عمق غ��وطه وری اس��ت. توسط ت��وان ورودی تع��یین می ش��ود و ب��اVARسرعت ذوب شدن مشابه روش

ب�رخالف روشVARکنترل جریان می توان س�رعت ذوب را کن��ترل ک�رد. فرآین��د ESR حجم زیادی سرباره دارد و به همین دلیل فرآین��د ،ESRحساس��یت ش��دیدی

به تغییرات توان ورودی ندارد. روابط بین ضخامت ناحیهESRبه خاطر وجود سرباره به عنوان منبع حرارتی در

خمیری و فاصله از دیواره بوت��ه آبگ��رد تغی��یر یافت��ه اس��ت. در اولین تق��ریب می توان گفت که در یک س��رعت ذوب ث��ابت و قط��ر بوت��ه یکس��ان، عم��ق حوض��چه

نسبت بهVAR در مقایسه با ESR بیشتر است یعنی VAR نسبت به ESRمذاب تشکیل جدایش مثبت حساس تر است، به بیان دیگر ح�داکثر قط��ر ش��مش قاب��ل

توان��ایی آنESR کمتر اس��ت. ی��ک م��زیت دیگ��ر VAR نسبت به ESRدسترس با برای تولید اشکال ساده است. حجم زیادی از سوپرآلیاژهای ورقه ای یا صفحه ای شکل را می توان به صورت الکترودهای تختال ریخته گری کرد و سپس آنها را در

VAR به ص��ورت ش��مش های تخت��ال بزرگ��تری درآورد. روش ESRداخل قالبهای معموال برای تولید شمش های گرد استفاده می شود.

- عملیات ذوب مجدد در خالء با قوس الکتریکی 4-6VAR- کوره 4-6-1

در ی��کVAR نش��ان داده ش��ده اس��ت. بوت��ه VAR ساختمان کوره 3-4در شکل تانک آب سرد شناور است. برای محدود کردن ضخامت جریان آبی که در س��طح

37

بیرونی بوته جریان دارد، اغلب از یک لوله ک�ه بوت��ه را احاط�ه می کن��د، اس��تفاده می شود. این عمل باعث افزایش سرعت جریان آب و افزایش انتقال حرارت از س��طح بوت��ه می ش��ود. این لوله ه��ا ه��ادی آب نامی��ده می ش��وند. در پای��ه بوت��ه مجراهایی برای ورود گاز خنثی )معموال هلیم( پیش بینی ش��ده اس��ت. وق��تی ک��ه شمش در بوته منجمد می شود، به تدریج با س��رد ش��دن ش��مش از دی��واره بوت��ه جدا می شود. در نتیجه انتقال حرارت از طریق دیواره بوته کاهش می یابد. ب��رای اینکه انتقال حرارت در شمش منجمد ش��ده ب��ه ح��داکثر رس��انده ش��ود گ��ازی ب��ا ظرفیت حرارتی باال مانند هلیم به داخل شکاف ایجاد شده بین شمش و دی��واره

دمیده می شود. ، لوله ه��ای خالء و نگ��ه دارن��ده الک��ترود ق��رارVARدر باالی بوته، درپ��وش ک��وره

دارند. وظیفه نگهدارن��ده الک��ترود ه��دایت آن ب��ه س��مت بوت��ه ب��ا ادام��ه مص��رف دارایVAR است. اکثر کوره ه��ای DCالکترود است. منبع توان الکتریکی از نوع

دو ایستگاه )محل قرارگیری بوته( هستند. در یکی از این ایس��تگاه ها الک��ترود در حال ذوب شدن است و ایستگاه بعدی ب��رای ش��روع عملی��ات ذوب بع��دی آم��اده

در ص��فحه افقیVARمی ش��ود. وق��تی ک��ه عملی��ات ذوب تم��ام ش��د، درپ��وش چرخیده و باالی سر الکترود و بوت��ه دوم ق��رار می گ��یرد. الک��ترود از طری��ق ی��ک رابط که بر روی الکترود جوشکای شده است، به نگهدارنده متصل می ش��ود. در طراحی های جدید، نگهدارنده الکترود توانایی حرکت در صفحات افقی و عمودی را دارد. در این ص��ورت امک��ان تنظیم ص��حیح الک��ترود در مرک��ز بوت��ه ف��راهم می شود. همچنین در صورتی که رابط جوشکاری شده بر روی الک��ترود ک��امال در امتداد آن نباشد، در این صورت نگهدارنده می توان��د ب��ه نح��وی ح��رکت کن��د، ک��ه

دیواره الکترود با دیواره بوته کامال موازی شود.- عملیات ذوب مجدد در خالء با قوس الکتریکی 4-6-2

دارد. وجود اکسید ها درVARآماده سازی الکترود تاثیر مهمی در کیفیت عملیات نامطلوب است، زیرا ذرات اکسید را وارد سیستم می کند. بعض��یVARالکترود

از اکسیدها در دماهای باال پایدار نیستند. ترکیبات اکسیدی تبخ��یر ش��ونده یون��یزه می ش��وند و ق��وس الک��تریکی را ناپی��دار می کنن��د. در نتیج��ه پیوس��تگی فرآین��د از کنترل خارج می شود. به همین خاطر اکسیدهای س��طحی الکتروده��ا را ب��ا س��نگ زنی حذف می کنند. هوای ک��وره ب��ا پمپ خ��ارج ش��ده و س��طح خالء ان��دازه گیری

ق��رار دارد.1/0-10می شود. سطح خالء ایجاد شده متغ��یر اس��ت و در مح��دوده تنها اثر شناخته شده خالء باال بهبود مقاومت قوس در برابر ناپایداری است.

  قوس الکتریکی بین الکترود و پایه مسی ایج��اد می ش��ود. ب��رای برق��راری ق��وس پایدار توان ذوب )شدت جریان الکتریکی( افزایش می یابد. اغلب برای گس��ترش سریع حوضچه مذاب در شروع، از قوس با آمپراژ باال استفاده می شود. در ابت��دا شکل حوضچه مذاب ب��ه نح��و قاب��ل مالحظه ای ب��ا بقی��ه ن��واحی ش��مش متف�اوت

38

است، زیرا در شروع فرآیند انتقال حرارت زیادی از طری��ق پای��ه مس��ی ص��ورتمی گیرد.- کنترل ذوب مجدد در خالء با قوس الکتریکی 4-6-3

سه عامل اصلی موثر در فرآیند ذوب عبارتند از: قطر ش��مش و الک��ترود. ط��ول قوس الکتریکی و سرعت ذوب. قطر شمش و الکترود لقی بین بوت��ه و الک��ترود را تعیین می کند. اگر لقی بین این دو به خاطر انتخاب نادرست فاص��له ی��ا خ��ارج از مرکز بودن الکترود کافی نباش��د، بخش��ی از جری��ان الک��تریکی از الک��ترود ب��ه دیواره بوته منتقل خواهد شد. انتخاب قطر ش��مش م��یزان انتق��ال ح��رارت و در نتیجه سرعت ذوب را کنترل می کند. در نتیجه برای ممانعت از جدایش مثبت در شمش، در انتخ��اب قط��ر ش��مش بای��د دقت ک��رد. البت��ه این انتخابه��ا بلن��د م��دت هستند و نمی توان آنها را روزانه کنترل کرد، زیرا نوع قالبها و بوته های خری��داری شده را تعیین می کنند. ط��ول ق��وس فاص��له بین س��طح ذوب ش��ونده الک��ترود و س��طح فوق��انی ش��مش منجم��د ش��ده می باش��د. ط��ول ق��وس م��ورد اس��تفاده،

mm5/12-5/2 ،است. قطر سطح ذوب شده الکترود نیز mm4/25-8/18.است ذوب مجدد در خالء یک مدار با جریان مستقیم است. طول قوس را می توان ب��ه عنوان مقاومت این مدار فرض کرد. وقتی که شدت جریان ثابت باشد، اف��زایش یا کاهش مقاومت مدار )تغییرات طول قوس( ولتاژ را تغییر خواهد داد. در نتیجه با ثابت نگه داشتن ولتاژ می توان ط��ول ق��وس ث��ابتی را ب��ر روی حوض��چه م��ذاب برقرار کرد. در سیستم های مدرن کنترل قوس، برای این منظور از ان��دازه گیری

استفاده می شود.[16]( DSFفرکانس ریزش قطرات مذاب در کوتاه مدت ) مشخص شده اس��ت ک��ه فرک��انس ری��زش قط��رات )معم��وال ب��ر حس��ب دقیق��ه/ قطره( با پهنای قوس ارتباط دارد. این ارتباط خطی نیست، ام��ا می ت��وان از آن به عنوان وسیله مفیدی در اندازه گیری و کنترل قوس استفاده کرد. ب��ا اف��زایش

DSFطول ق��وس ک��اهش می یاب��د و در نتیج��ه فرک��انس ری��زش قط��رات م��ذاب تغی��یرDSFافزایش پیدا می کند. با تغییرات جریان الکتریکی، ارتباط بین قوس و

می کند. با افزایش جریان )افزایش سرعت ذوب( قطرات بزرگتری ب��ا فرک��انس اس��ت، ت��ا ق��وس تع�ادلیDSFکم بوجود می آیند. افزایش جریان نیازمند ک��اهش

برقرار نگه داشته شود. سرعت ذوب شدن الکترود عامل مهم دیگری است که باید کنترل شود. سرعت ذوب شدن به شدت جریان الکتریکی بس��تگی دارد. بعض��ی از تولی��د کنن��دگان از یک شدت جریان ثابت در طول فرآیند ذوب استفاده می کنند. بعضی دیگر نیز در

از ابزار اندازه گیری وزن الکترود و تغییرات آن ب��رای محاس��بهVARداخل کوره سرعت ذوب شدن اس��تفاده می کنن��د. ان��دازه گیری های س��رعت ذوب ن��یز مانن��د

تفاوت های زیادی با یکدیگر دارند. طراحی و نصب بارنماه��اDSFاندازه گیری های از عوامل مهم در کنترل سرعت ذوب آلیاژ هستند. فرآیند ب��ا آم��پراژ ب��اال ش��روع می ش��ود و پس از آن ذوب ش��دن الک��ترود ب��ر حس��ب س��رعت ذوب م��ورد نظ��ر

مس��تقل ازDSFتنظیم می ش��ود. ب��ه خ��اطر داش��ته باش��ید ک��ه تغی��یرات ولت��اژ و

39

یکدیگر نمی باشند. در پایان مرحله ذوب اگر الکترود کامال مصرف ش��ود، جری��ان به طور ناگهانی قطع شده و حوضچه مذاب منجم��د خواه��د ش��د. در اث��ر انجم��اد ناگهانی حوضچه حفره های انقباض��ی در مرک��ز ش��مش تش��کیل خواه��د ش��د. این حفره ها و مک ها باید با عملیات برشکاری سر شمش ح��ذف ش��وند. ب��رای اینک��ه مقدار دور ریز برشکاری به حداقل برسد، بهتر است در پایان عملیات ذوب قب��ل

از الکترود باقیmm 4/25از اینکه الکترود کامال مصرف شود )هنگامی که حدود مانده است(، جریان الک��تریکی را ک��اهش داده و ب��ه حوض��چه م��ذاب ج��ازه داده شود که حرارت خود را به آرامی به الیه های پایین تر انتقال دهد، تا اینکه حوضچه کامال منجمد شود. در این ص��ورت مک ه��ای انقباض��ی در س��طح ب��یرونی ش��مش منجمد شده باقی مانده و نمی توانند به درون آن نفوذ کنند. این اقدام ی��ک عم��ل

اقتصادی است نه یک کار کیفی زیرا ناحیه مک دار بعدا برشکاری می شود.(ESR- عملیات ذوب مجدد با سربار الکتریکی )4-7

ESR- کوره 4-7-1 که در داخل و خارج دیواره آن سیستم خنک کنن��ده آبگ��رد ب��هVARبرخالف بوته

کار برده شده است، یک پایه آبگرد بر دیواره نصب شده تا کف بوت��ه را تش��کیل دهد. صفحه مطلع بین کف )پایه( و دیواره بوته قرار داده می شود. در بوته ه��ایی که از سرباره مذاب برای شروع فرآیند استفاده می کنند، ممکن است کف ب��وته دارای سوراخی باشد که سرباره مذاب از آن به درون بوته تزریق شود. برخالف

سقف بوته بسته نیست، بلکه در معرض هوا کار می کند.VARکوره نگه دارنده الکترود و سلول های بار قرار دارند. این قسمتESRدر سقف کوره

درج��ه90 میله عمودی که در اطراف بوته و زاویه 4به صورت الکتریکی توسط با یکدیگر نصب شده اند، به پایه بوته وص��ل ش��ده اس��ت. س��قف ک��وره می توان��د قبل از شروع عملیات ذوب، برای تنظیم و اس��تقرار الک��ترود در مرک��ز بوت��ه، در

اس��ت. اک��ثرAC ح��رکت کن��د. ت��وان ورودی ک��وره از ن��وع X-Yص��فحه افقی دو ایس��تگاه ذوب دارن��د. وق��تی ک��ه الک��ترود در ک��وره ای در ح��الESRکوره های

ذوب شدن است، ایستگاه دیگر برای عملیات ذوب آماده می شود. وقتی که ی��ک بصورت افقی حرکت ک��رده و در ایس��تگاهESRذوب تمام می شود، سقف کوره

دوم قرار می گیرد. )الکترود از طری��ق میل��ه راب��ط ک��ه ب��ه آن ج��وش داده ش��دهاست به نگه دارنده وصل می شود(.

- عملیات کوره ذوب مجدد با سرباره الکتریکی 4-7-2 از نظ��ر کیفیت فرآین��د وESR آماده س��ازی الکتروده��ای VARب��رخالف ک��وره

عملیات خیلی حساس نیست، زیرا اکسیدهای سطح الکترود ب��ه س��رباره منتق��ل س��نگ زنی نمی ش��وند، ب��هESRمی ش��وند. ب��ه همین خ��اطر س��طح الکتروده��ای

استثناء مواردی که در آن اس��تفاده کنن�ده نه�ایی طب��ق مشخص��ات خ�ود و ب��رای اطمینان از عدم وارد شدن آل�ودگی آهن ناش��ی از قالبه�ای ریخته گ��ری الک��ترود، درخواس��ت س��نگ زنی س��طح الکتروده��ا را ک��رده باش��د. همچ��نین مک ه��ای س��ر شمش مشکلی ب��ه ب��ار نمی آورن��د و می ت��وان ش��مش را از ط��رف س��ر آن ذوب

40

تولید نمی شوند و نی��از ب��هVIM همواره با فرآیند ESRنمود. بنابراین الکترودهای ب��رش ابت��دای آنه��ا نیس��ت. میل��ه راب��ط در ب��یرون ک��وره ب��ه الک��ترود جوش��کاری می شود. میله راب��ط اغلب ب��ه ش��کل لول��ه اس��ت. الک��ترود در داخ��ل بوت��ه ق��رار

ب��رایX-Yمی گ��یرد، و ب��ه س��قف ک��وره متص��ل می ش��ود. از ح��رکت در ص��فحه استقرار الکترود در مرکز بوته استفاده می شود.

در اینجا دو روش برای شروع عملی��ات ذوب وج��ود دارد. ش��روع س��رد و ش��روع گ��رم. در ش��روع س��رد، س��رباره و ذرات ری��زی از آلی��اژ )معم��وال براده ه��ای ماشین کاری( در روی صفحه شروع قرار داده می شود. الکترود به داخل مخلوط سرباره و فلز رانده شده و سپس عقب کش��یده می ش��ود، ت��ا ی��ک ق��وس ایج��اد شود. توان باالیی برای ذوب در مرحله شروع به کار گرفته می شود. قوس ایجاد شده مخلوط سرباره و براده های آلیاژ را ذوب می کند. در این موقع سر الکترود پ��ایین آورده ش��ده و در داخ��ل س��رباره غ��وطه ور می ش��ود. از این ب��ه بع��د ذوب الکترود توسط سرباره صورت می گیرد. همچنین توان الکتریکی شروع ذوب باید باال باشد تا از جوش خوردن )ذوب ش��دن و چس��بیدن( ص��فحه ش��روع کنن��ده ب��ه شمش جوانه زده اطمینان حاصل شود. این موضوع از این نظر اهمیت دارد ک��ه انتقال جریان الکتریکی از الکترود به سرباره و سپس به شمش و پس از آن ب��ه

صفحه آغازین و در نهایت به پایین صورت می گیرد. در شروع گ��رم، س��رباره در ب�یرون ک�وره توس��ط ق��وس در بوت��ه گرافی��تی ذوب می شود. سپس سرباره از طریق یک سوراخ در کف بوت��ه ب��ه آن وارد می ش��ود. الکترود پایین آورده می شود و در سرباره مذاب غوطه ور می شود و ذوب ش��دن آغاز می گردد. اگر چه توان الکتریکی باالیی برای ذوب شدن م��ورد نی��از نیس��ت، ولی در آغاز برای اطمینان از ذوب شدن ش��مش جوان��ه زده و ص��فحه آغ��ازین و

انتقال الکتریکی کامل، از توان باال استفاده می شود. ، اس��تفاده از ت��وان ب��اال در ش��روع عملی��ات ذوب از نظ��رVARهمانن��د فرآین��د

برقراری تعادل در انتق��ال ح��رارت توس��ط پای��ه و ایج��اد ش��رایط پای��دار ذوب درلحظات شروع فرآیند ذوب، مفید است.

- کنترل ذوب مجدد با سرباره الکتریکی 4-7-3سه متغیر اصلی تعریف کننده یک فرآیند ذوب عبارتند از:

(.VAR- قطر شمش و الکترود )مانند فرآیند - عمق غوطه وری الکترود در سرباره.

- سرعت ذوب )نرخ ذوب(. انتخاب قطر شمش و الکترود مقدار لقی بین بوته و الکترود را تعری��ف می کن��د. در فرآیند شروع با سرباره سرد که در آن ممکن است مخل��وط س��رباره- ب��راده به هوا برخاسته و در فاصله لقی آویزان شوند، به لقی ناکافی عموما ب��ه عن��وان ی��ک مش��کل نگ��اه می ش��ود. ولی ی��ک لقی بس��ته ممکن اس��ت ن��تیجه اش توزی��ع حرارتی یکنواخت تر در سطح مذاب باشد. در این مورد اطالعات منتشر ش��ده ای

است.VARبرای اثبات این ادعا وجود ندارد، از این رو مقدار لقی بیشتر از

41

عموما فکر می شود غوطه وری الکترود، عم��ق نف��وذ الک��ترود در داخ��ل س��رباره است. روش تعریف شده ای برای اندازه گیری مقدار غوطه وری وجود ندارد، ولی

میلی م��تر604طبق مشاهدات تجربی پیشنهاد شده است که این مقدار بیش از یک فرآیند باESRنباشد. درجه غوطه وری بر کیفیت شمش تولید شده تاثیر دارد

اس��ت و غ��وطه وری الک��ترود ب��ه عالوه ض��خامت پوش��ش س��رباره راACجریان می توان به عنوان مق��اومت این جری��ان در نظ��ر گ��رفت )امپ��دانس(. تغی��یر وزن سرباره در سیستم یا تغییر ترکیب ش��یمیایی آن، امپ��دانس م��دار و ن��یز آم��پراژ و ولتاژ مورد نیاز برای برقراری توان ورودی داده شده )در یک ساعت ذوب ثابت( را تغییر می دهد. ضخامت پوش��ش س��رباره تع��یین کنن��ده اص��لی اس��ت و م��یزان

درص��د آمپ��دانس را تش��کیل می ده��د. ان��دازه گیری20 ت��ا 10غوطه وری الکترود تغی��یرات این مق��اومت ی��ا تغی��یرات ولت��اژ مرب��وط ب��ه آن می توان��د ب��رای کن��ترل غوطه وری الکترود در سرباره م��ذاب م��ورد اس��تفاده ق��رار گ��یرد. س��رعت ذوب الکترود متغیر مهم دیگری اس��ت ک��ه کن��ترل می ش��ود. س��رعت ذوب ب��ه جری��ان

در جریان ثابت انجامVARالکتریکی ذوب بستگی دارد ولی بعضی از فرآیندهای ک��ه کیفیت ذوبESRمی گیرند، تا سرعت ذوب بهتر کنترل شود. متغیر بعدی در

را کنترل می کند، انتخ��اب ن��وع و حجم س��رباره م��ورد اس��تفاده اس��ت. مق��اومت پوشش سرباره مذاب به مقاومت سرباره و ضخامت پوشش سرباره که جریان الک��تریکی از می��ان آن بای��د عب��ور کن��د، وابس��ته اس��ت. مق��اومت س��رباره ب��ا

واکنشهایی که سرباره با فلز مذاب می دهد نیز تغییر می کند. یادآوری می گردد که تغییرات ولتاژ در اث��ر تغی��یرات آم��پراژ اس��ت. مانن��د فرآین��د

VARاگر در انتهای ذوب شدن، الکترود کامال مص��رف ش��ده باش��د، ی��ا ت��وان ب��ه یکباره قطع شده باشد، مک های انقباضی ایجاد شده که گاه طول آن ب��ه چن��دین سانتی متر می رسد، منجمد خواهد شد. این مک ها باید در مرحل��ه بع��دی عملی��ات تولید حذف شوند. برای کم کردن مق��دار م��اده ای ک�ه بای��د بری��ده و دور انداخت��ه شود، بهتر است در انتهاب مرحله ذوب قبل از اینکه الکترود تمام ش��ود، جری��ان الکتریکی به تدریج کاهش داده شود، ت��ا اینک��ه جری�ان ک�امال قط�ع گ�ردد، در این

میلی م��تر از25صورت مک های انقباضی تشکیل نمی شوند. در این روش ح��دود الکترود ذوب نمی شود.

- انتخاب سرباره4 هستند. اکسیدها ممکن اس��ت ب��رای اف��زایشCaF2 دارای ESRهمه سرباره های

مقاومت الکتریکی )ایجاد سهولت در ذوب فلز( و یا برای اصالح ترکیب شیمیایی ذوب به واسطه واکنشهایی که بین آنها می تواند صورت گیرد، به سرباره اض��افه شوند. روش نامگذاری ترکیب سرباره ب��ه این ص��ورت اس��ت، ک��ه درص��د اج��زاء تش���کیل دهن���ده آن را ب���ه ص���ورت مت���والی کن���ار هم می نویس���ند مانن���د:

CaF2/MgF2/CuO/MgO/Al2O3 یک سرباره با ترکیب پایه .Al2O3 20% و CuO20% % نیز می توان نوشت. متاسفانه20%� /� 20%� /� 60 را به صورت CaF2 60%و

این سیستم به ندرت در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد و نامگذاری فوق به

42

عناص��ر آلی��اژی هس��تند ک��ه اغلب درTi و Zr، به کار می رود. 20/20/60صورت با سرباره واکنش می دهندو به سرباره منتق��ل می ش��وند. ب��رایESRطی فرآیند

ممانعت از تل��ف ش��دن این عناص��ر در س��رباره در طی ذوب، ب��ه این س��رباره ها اضافه می شود. تلف شدن به واسطه اکسید شدن عنص��رZrO2 و TiO2افزودنی

فلزی و منتقل شدن به سرباره صورت می گیرد. مشکل عم��ومی س��وپرآلیاژهای اس��ت.SiO2 تجاری است و حاوی CaF2دارای تیتانیوم این است که سرباره ساز

نیزTi احیاء می شود و به مذاب منتقل می شود. Si به SiO2, ESRدر طی فرآیند مذابTi تبدیل شده و به سرباره می رود. در نتیجه مقدار TiO2اکسید شده و به

در شمش به وجود می آورد، زی��راTiکاهش می یابد. این پدیده یک شیب غلظتی SiO2 در همان اول کار مص��رف می ش��ود. وق��تی ک��ه از س��رباره ESRمج��ددا در

آن ب��ه مص��رف رس��یده،SiO2فرآیند ذوب استفاده می شود، به خاطر اینک��ه قبال واکنش فوق اتف�اق نمی افت��د. س��رباره هم�واره س��عی دارد ب�ا فل�زات م�ذاب در دمای سرباره به تعادل ش��یمیایی برس��د. ل��ذا در ص��ورت اس��تفاده مک��رر از ی��ک سرباره برای یک ترکیب شیمیایی ثابت، سرباره هایی ایجاد می ش��وند ک��ه نس��بت ب��ه افت عناص��ر ذوب ب��ه ص��ورت خن��ثی در می آین��د و در افت عناص��ر ت��اثیر نمی گ��ذارد. متاس��فانه افت س��رباره )ب��ه ص��ورت پوس��ته ای از س��رباره ب��ر روی

% سرباره می ش��ود و ب��ه همین100الکترود در طی فرآیند( عموما مانع بازیابی مورد نیاز است.ESRلحاظ همیشه مقداری سرباره تازه برای فرآیند

- محصوالت ذوب سه مرحله ای 4-8 - تعدادی از تولید کنن��دگان قطع�ات چرخان��دن بح��رانی در ص�نعت ت��وربین4-8-1

گاز، استفاده از یک فرآیند ذوب دو مرحله ای را پذیرفته اند ذوب اولی��ه ب��ا فرآین��دVIMکه با الک��ترود کم اکس��یژن و ت��رکیب ش��یمیایی دقی��ق و ب��ه دنب��ال آن ذوب

تم��یز و س��الم ب��وده و س��اختارESR انجام می شود. الکترود ESRمجدد یا فرآیند ب��هESRعاری از جدایش نهایی با استفاده از فرآیند ذوب سوم و با ذوب شمش

به دست می آید.VARروش - فرآیند ذوب سه مرحله ای شمش 4-8-2 نشان داده می شود زیرا شمشی است ک��هIngode )گاهی با عالمت ESRشمش

در ذوب مجدد به عنوان الکترود ب�ه ک�ار می رود(. می توان��د ب�ه یکی از دو روش زیر ذوب شود. مستقیم ترین فرآیند، یک فرآین��د ذوب س��ه م��رحله ای اس��ت. این

وESR ب��ه VIMفرآین��د )ذوب- ذوب- ذوب( نیازمن��د اف��زایش ان��دازه الک��ترود از ط��وری انتخ��اب می ش��ود ک��هVAR است. به همین خ��اطر قط��ر VARسپس به

IN-718ساختار عاری از جدایش مثبت به دست آید. به عنوان نمونه ب��رای آلی��اژ ب��ه ت��رتیب می توان��دVAR-ESR-VIMاندازه های متوالی قطر شمش فرآین��دهای

VAR س���انتی متر باش���د. وزن ی���ک الک���ترود فرآین���د نه��ایی 6/35-2/43-8/50 کیلوگرم باشد.2950می تواند

کیل��وگرم( اس��تفاده ش��ود،4950اگ��ر ی��ک الک��ترود ب��ا قط��ر بزرگ��تر )ب��ا وزن بزرگترین باید به دست آید. ب��رای ب��ه دس��ت آوردن قط��ر م��وردESRشمش های

43

با قطر بزرگتر آهنگری شده و اندازهESR شمش VARنظر شمش برای فرآیند م��ورد نظ��ر ب��ه دس��ت می آی��د، س��پس س��نگ زنی ش��ده، پوس��ته های اکس��یدی و آهنگری آن زدوده ش��ده و انته��ای آن برش��کاری می ش��ود. این فرآین��د ک��ه ذوب-

آهنگریESR, VIMذوب- آهنگری- ذوب نامیده می شود، دارای قطرهای پس از سانتی متر است. انجام فرآیند ذوب -8/50،� 2/43،� 8/50،� 2/43 یعنی VARو

ذوب - آهنگری- ذوب نیازمند زمان است. اما می توان با اس��تفاده از ش��مش های بزرگتر، راندمان تولید باالتری به دست آورد. همچ��نین قطع��ات خیلی ب��زرگ ک��ه نیازمند مواد اولیه ورودی زیادی هستند، تنها با فرآین��د ذوب - ذوب- آهنگ��ری- ذو قابل دستیابی هستند. شمش- الکترود سالم و تم��یز )ب��ه دس��ت آم��ده از فرآین��د

ذوب مجدد می شود.VARقبلی( به وسیله را آس��ان می س��ازد.VARتمیزی و بی عیبی بهبود یافت��ه الک��ترود، کن��ترل فرآین��د

محص��والت ذوب س��ه م��رحله ای نس��بت ب��ه محص��والت ذوب ه��ای دو م��رحله ایVIM+VARدارای نقاط آلوده سفید کمتری هستند. همچنین سالم بودن الکترود

در قطرهای بزرگتر، کنترل عدم تشکیل جدایش مثبت را تسهیل می س��ازد. ولی حتی در ذوب های سه مرحله ای نیز نقاط سفید آلوده دیده می شوند و وجود آنه��ا

باید در طراحی قطعه در نظر گرفته شود.- تبدیل شمش و محصوالت نورد 4-9

- عملیات کارگرم اولیه با تبدیل شمش ریخته به محصول ن��وردی ص��ورت4-9-1 می گیرد. محص��والت ن��وردی ب��ه دو گ��روه تقس��یم می ش��وند: محص��والت طوی��ل

شمشال ها و میله ها و محصوالت تخت )ورق و صفحه(. در نتیجه فرآیند ذوب در هم��ه س��وپرآلیاژها، ج��دایش در درج��ات مختل��ف بوج��ود خواهد آمد. ترکیب های شیمیایی می توانند در اثر ق��رار گ��رفتن در مع��رض دم��ای باالی فرآیند کارگر، به سادگی همگن شوند. ترکیب های شیمیایی پیچیده تر ممکن است برای از بین رفتن شیب های غلظتی به وجود آمده در ش��مش، ب��ه دماه��ای

باالتر و زمان های طوالنی تر قبل از کارگرم، نیاز داشته باشند. عملیات اصلی استفاده ش��ده ب��رای تب��دیل ش��مش عبارتن��د از: آهنگ��ری، ن��ورد و اکستروژن. اکستروژن ب��ا آهنگ��ری و ن��ورد تف��اوت دارد، زی��را در آن تم��ام تغی��یر شکل در یک عبور اتفاق می افتد. در فرآیند کار ب��ر روی س��وپرآلیاژها تع��دادی از سیکل های حرارتی- مک��انیکی مانن��د گ��رم ک��ردن و تغی��یر ش��کل اتف��اق می افت��د. عالوه بر این ممکن است حالت دهی میان شمش نیز مورد نیاز باشد. ب��ه خ��اطر اینکه سوپرآلیاژها به پیشیه فرآیند حساس هستند، سیکلهای ح��رارتی - مک��انیکی می توانند، اثر مهمی برخواص نهایی قطعه آلیاژی داش��ته باش��ند. مراح��ل نه��ایی فرآیند )آهنگری یا نورد و عملیات حرارتی بعدی( پس از تبدیل مقطع شمش، به وج��ود آورن��دگان اولی��ه س��اختار و خ��واص هس��تند. ولی هم��ه مراح��ل ح��رکت از

شمش تا محصول کار شده نهایی، در نتایج بدست آمده مشارکت دارند. بعضی از محصوالت نورد ش��ده ب��ه وی��ژه محص��والت طوی��ل ممکن اس��ت ب��رای شکل دادن آنها به صورت قطعه نهایی بع��دا تحت ک��ارگرم ق��رار گیرن��د )معم��وال

44

آهنگری(. به خاطر عواملی نظیر دمای پایین آهنگ��ری، تغی��یر ش��کل غ��یر همگن، تبرید قالب، اصطکاک و غیره ریز س��اختار آهنگ��ری ش��ده در من��اطقی می توان��د، دارای ری��ز س��اختار باقیمان��ده از مراح��ل قب��ل باش��د. آهنگ��ری هم دم��ا )ف��وق مومسان( در به حداقل رساندن بعضی از اثرات مفید است. ولی با اهمیت پی��دا کردن خواص خستگی برای قطع��ات آهنگ��ری ش��ده، ان��دازه دان��ه مح��دود ش��ده، یکنواختی ریز ساختار و الزام��ات کیفی وض��ع ش��ده اند. این خواس��ته ها گ��اهی ب��ا مشخصات و گاهی به وس��یله توافق��ات بین س��ازنده و مش��تری انج��ام می گ��یرد. بهبوده��ای زی��ادی ک��ه در فن آوری ذوب و اس��تفاده از تجه�یزات کن��ترل اتوماتی��ک تبدیل شمش و کنترل اندازه دانه انجام شده است، ری��ز س��اختار و کیفیت را در شمشال ی��ا محص��ول ن��ورد تولی��د ش��ده از ش��مش ارتق��اء داده اس��ت. عالوه ب��ر کنترل های ساختار داخلی یک ش��مش ی��ا شمش��ال، در طی تب��دیل مقط��ع، بهب��ود کیفیت س��طح تم��ام ش��ده جهت ایج��اد ش��رایط مناس��ب ب��رای بازرس��ی ص��وتی

صورت گرفته است.

- همگن سازی توزیع عنصر محلول در شمش ها 4-9-2 مشکل توزیع غیر یکن��واخت عنص��ر محل��ول در ن��واحی بین دن��دریتی ش��مش های ریخته، باید در طی فرآیند تبدیل شکل در نظر گرفته شود. برای آلیاژه��ای دارای عنصر محلول کم مراحل حرارت دادن استفاده شده در تبدیل شمش ریخت��ه ب��ه محصول کار شده، یک ساختار نسبتا یکنواخت )از نظ��ر ش��یمیایی( ایج��اد خواه��د

,IN-718ک��رد. ولی ب��رای م��واد پ��ر آلی��اژ مانن��د U-720 و Waspaloyزمانه��ای طوالنی تر و دماهای باالتر از دمای آهنگ��ری ب��رای همگن ک��ردن محص��ول ریخت��ه مورد نیاز است. در بعضی از آلیاژها این دماها ممکن است از دمای ذوب بعضی

غ��یر معم��ولoC1204از نواحی بین دن��دریتی بیش��تر باش��د دماه��ای همگن س��ازی نیستند، در حالی که زمان های مربوط به این دماها گاهی به چهار روز می رسد.

علی رغم زمان های طویل المدت و دماهای باال ممکن اس��ت بعض��ی از ش��یب های %7/0غلظتی محلول حذف نشوند. اختالف بین مقادیر حداقل و حداکثر نیوبیوم

است. در ترکیب های شیمیایی کار شده، مقدار کربن عموما از آنچه که در همان آلیاژ با ریخته گری دقیق ی��افت می ش��ود، خیلی پ��ایین تر اس��ت. بن��ابراین س��اختار شمش ریخته برای آلیاژ کار شده دارای کاربیدهای قابل توجهی نیست. کربن در نواحی بین دندریتی متمرک��ز ش��ده و در طی عملی��ات همگن س��ازی ب��ه کاربی��دها تبدیل می شود. دمایی که در آن کاربیدها تش��کیل می ش��وند عام��ل اولیه ای ب��رای کنترل اندازه کاربی��د اس��ت. در مع��رض دماه��ای خیلی ب��اال و زمان ه��ای ط��والنی بعدی قرار گرفتن ممکن است کاربیدها را درشت کند. اما کاربی��دهای درش��ت و خشن تا وقتی که دمای آلیاژ به نزدیکترین نقط��ه ذوب نرس��د، دی��ده نمی ش��وند. ناحیه تشکیل کاربیدها همان ناحیه تشکیل دهنده بین دندریتی اس��ت. بن��ابراین ت��ا کار بعدی کاربیدها به صورت تیغه های موضعی که در آن فاصله بین تیغه ها نشان

دهنده، فاصله بین دندریتها است، ظاهر می شوند.

45

دومین پدیده ای که باید به آن توجه کرد و در طی همگن س��ازی اتف��اق می افت��د، پیدایش مک در شمش است. خیلی از سوپرآلیاژها اثرات کرکندال قوی )اتمه�ای عناصر با سرعت های مختلفی حرکت می کنند و حفره های اندازه اتمی پشت سر گذاشته شده می توانند با هم پیوند شوند(. را بین ناحیه دندریتی و زمینه دندریتی نشان می دهند. بنابراین شمش های همگن شده نوعا سطح باالیی از م��ک دارن��د. کار مکانیکی این شمش ها باید به حد کافی باشد، ت��ا مک ه��ا بس��ته ش��وند. تغی��یر شکل ناکافی یا تشکیل ناحیه مرده در طی تب��دیل ش��کل، می توان��د ب��اقی مان��ده

موجود در محصوالت نوردی را به وجود آورد.- آهنگری محصول نیمه تمام 4-9-3

تبدیل شکل چند مرحله ای شمش ها، ب��ه س��طح مقطع ه��ای کوچک��تر ی��ا ب��ا ط��ول بیشتر آهنگری محصول نیمه تمام نامیده می شود. آهنگی محصول نیمه تم��ام در برگیرنده کارگرم بر روی شمش با پرس های آهنگری ب��زرگ اس��ت )ن��ورد ممکن است برای همان کار استفاده ش��ود ولی در اص��طالح ف��نی ب��ه آن ن��رود شمش��ه گفته می شود(. هدف عملیات آهنگری محصول نیمه تمام خرد کردن ریز ساختار ریخته به وسیله کار و حرارت دادن چند مرحله ای ماده می باشد. فرآیند آهنگ��ری محصول نیمه تمام ساختار دانه را ریز می کند. در سال های اخیر نیاز به اف��زایش قابلیت بازرس��ی شمش��ال ها و میله ه��ا م��وجب ش��ده ک��ه کن��ترل ان��دازه دان��ه در شمش و شمشال صورت گیرد. برای عملیات نورد یا آهنگری بع��دی گفت��ه ش��ده است که آهنگری محصول نیمه تمام با فرآیندهای آهنگری شعاعی مانند آهنگری دوار ش���باهت هایی دارد، ولی ش���مش های آهنگ���ری محص���ول نیم���ه تم���ام ب���ا شمش های آهنگری شعاعی تفاوت دارند. چند نکته در ارتباط ب��ا فرآین��د آهنگ��ری

محصول نیمه تمام وجود دارد: - پرس باید ظرفیت کافی و سرعت ایج��اد ن��یروی آهنگ��ری محص��ول نیم��ه تم��ام مورد نیاز در زمان هر چه کوتاه تر، برای به حداقل رساندن س��طح تم��اس تبری��د شده را داشته باشد. نیروی ایجاد شده باید برای ایجاد ک��رنش در داخ��ل ش��مش

کافی باشد. - ش��عاع ق��الب آهنگ��ری بای��د ب��رای جلوگ��یری از نی��از ب��ه س��نگ زنی بع��دی ک��امال

طراحی شده باشد. - چنانچه نمی توان محصول گرد تولید کرد، آهنگری نیم��ه تم��ام چه��ارگوش مرب��ع

مستطیلی مطلوب است. - قالب هایی از سوپرآلیاژهای استحکام باال، برای به حداقل رساندن سایش ابزار

ارجحیت دارند.- استفاده از اتوماسیون بسیار مطلوب است.

به آهنگری محصول نیمه تمام شمشال، به وی��ژه ب��ا در نظ��ر گ��رفتن مدل س��ازی فرآیند توجه زیادی می شود. ولی مقاالت موجود درب��اره آهنگ��ری محص��ول نیم��ه

تمام )اکستروژن، نورد، کشش سیم و ...( سوپرآلیاژها خیلی محدود است.IN-718- آهنگری محصول نیمه تمام آلیاژ 4-9-4

46

یک سوپرآلیاژ پایه نیکل استحکام باال است که در دماه��ای متوس��طIN-718آلیاژ استفاده می شود. همان طور که قبال گفته شد، این آلیاژ پرکاربردترین س��وپرآلیاژ است و استفاده هایی در توربین های گاز هواپیماهای نظامی و تجاری، توربین های

گاز زمینی و قطعات موتورهای شاتلهای فضایی دارد. عموما ریز ساختار ریخته همگن سازی شده شامل دانه ه�ای خیلی درش�ت اس��ت که باید به ساختار دانه ریز یکنواخت شکسته شود. آهنگری محص��ول نیم��ه تم��ام فرآیندی است ه روی وجوه شمش چهار گوش انجام گرفت��ه و در ط��ول ش��مش چند بار پرس کوتاه صورت می گیرد تا کرنش مورد نی��از ب��ه آن اعم��ال ش��ود. در

هر بار پرس، قطر شمش به طور موضعی کاهش می یابد. یا بیش��تر اس��ت، ب��هcm2 1935در مقاطع بزرگ شمش های امروزی که در حدود

سختی می توان در ه�ر ب�ار پ�رس کوت�اه ک�رنش الزم را در ش�مش بوج�ود آورد. وقتی که کل طول شمش تحت کار قرار گرفت، فرآیند باید دوباره تکرار شود و این کار تا رسیدن به اندازه نهایی و س��اختار ری��ز دان��ه انج��ام می ش��ود. بن��ابراین

با آهنگریIN- 718همانگونه که قبال اشاره شد، آهنگری محصول نیمه تمام آلیاژ فشاری شروع ش��ده و ب��ا گ�رم ک�ردن مج��دد ب�رای مرحل��ه بع�د آهنگ��ری خاتم��ه می یابد. دمای کوره برای آهنگری محصول نیم��ه تم��ام ب��ا ک��اهش ان��دازه مقط��ع

ق��رار داده می ش��ود، ولی ب��ا ک��اهشoC1121تغییر می کند. ابت��دا ک��وره در دم��ای اس��ت، پ��ایینoC1010سطح مقطع، دمای کوره تا زیر دمای انحالل فاز که تقریبا

آورده می شود. این کاهش دما اجازه می دهد که فازه��ای ک��روی در م��رز دانه ه��ا ش��کل بگ��یرد و از رش��د دانه ه��ا در طی عملی��ات آهنگ��ری محص��ول نیم��ه تم��ام جلوگیری کند. عملیات آهنگری محص��ول نیم��ه تم��ام نه��ایی، گ��رد ک��ردن لبه ه��ای محصول آهنگری شده و ماش��ین کاری )پوس��ته ک��نی( محص��ول نیم�ه تم�ام ب�رای

تولید شکل مناسب جهت بازرسی با امواج فراصوت است.- اکستروژن 4-9-5

اکستروژن برای فشردن پودرها استفاده شده اس��ت و اک��ثر قطع��ات مت��الورژی پودر از شمشال های اکس��ترود ش��ده ش��روع می ش��وند. اکس��تروژن ب��رای تولی��د لوله های بی درز نیز استفاده شده اس�ت. اکس��تروژن زم��انی در آلیاژه��ایی نظ��یر

Astroloy.برای تبدیل شمش به شمشال استفاده شد اکس��تروژن می توان��د از روش ه��ای جدی��د ب��رای مدل س��ازی اس��تفاده کن��د. از اکستروژن می توان برای تولید اشکال محصول مشابه به مقاطع نورد مانند میله

ب�ا ق�رار دادن ش�مش در ی�کU-700استفاده ک�رد. اکس�تروژن آلیاژه�ایی نظ�یر محفظه فوالدی زنگ نزن شروع می شود. این مرحله ممکن است به ممانعت از تبرید سطح شمش در اثر تماس با دیواره محفظه و س��طح ق��الب و ایج��اد ت��رک

-Uناشی از آن نیاز داشته باشد. اگر از آلیاژی ب�ا دامن�ه ک�ار گ�رم گس�ترده تر از استفاده می شود ممکن است قرار دادن در محفظه مورد نی��از نباش��د، ولی700

به قالب ویژه ای نیاز است. روغن کاری کافی باید در تمام موارد ص��ورت گ��یرد و یک پرس اکستروژن فشار باال باید وجود داشته باشد. میله اکسترود شده ممکن

47

است برای تولید پره های هوای توربین کار شده اس��تفاده ش��ود ام��ا اکن��ون اک��ثرقطعات پره هوا در ناحیه داغ به صورت ریخته هستند.

- نورد 4-9-6 سوپرآلیاژها به وی��ژه س��وپرآلیاژهای نیک��ل مش��کل ترین م��واد ب��رای ن��ورد ک��ردن هس��تند. ن��ورد اولی��ه این م��واد معم��وال در دم��ایی نزدی��ک ب��ه نقط��ه ذوب انج��ام می شود و بسیاری از نوردهای خشن طوری طراحی شده اند ک��ه تنش زی��ادی در طی ک��ارگرم ب��ه این آلیاژه��ا اعم��ال می ش��ود. س��وپرآلیاژهای پای��ه نیک��ل دارای محدوده دمایی ک��ارگرم ک��وچکی هس��تند. محص��والت ن��ورد ش��امل میل��ه، ورق و اشکال هستند. زمانی از میله ها برای پره ه��ای ه��وای ناحی��ه داغ توربین ه��ای گ��از

در شکل ک�ار ش��ده ب�رای بعض�ی ازU-700استفاده می شد. به عنوان مثال آلیاژ قطعات استفاده شده اس��ت. ش��کل دادن ب��ا ن��ورد ی��ا آهنگ��ری آلیاژه��ا در تولی��د

B-1910تیغه ها به کار گرفته شده است. بعضی از آلیاژهای اس��تحکام ب��اال مانن��د ( به طور موفقی به صورت تیغه ها به کار برده شدند، اماB-1900)نوع کار شده-

بعدا از آنها به صورت ریخته در پره های هوا توربین پر فشار استفاده شد. ورق ها و محصوالت نیمه تمام دیگ��ر مانن��د مق��اطع گ��رد، چه��ارگوش و میله ه��ای شکل دار به وس��یله ن��ورد تولی��د ش��ده اند. چن��دبار ح��رارت دادن و آم��اده س��ازی س��طح ممکن اس��ت نی��از باش��د. محص��والت ب��ه ش��کل ورق اس��تفاده هایی در توربین های گاز پیدا کرده اند که در آنها به ش��کل پذیری و مق��اومت اکسیداس��یون دما باال و استحکام نیاز است. به وی��ژه محص��والت ورق س��وپرآلیاژهای کب��الت و

Hastelloyنیکل برای مشعل توربین های گاز عالی هستند. بعضی از آلیاژها مانن��د X, HA-188, C-263 و IN-617.در طول سالیان گذشته به کار گرفته شده اند

Hastelloy X .ارزان ترین آنها است HA-188سوپرآلیاژ پایه کب��الت اس��ت ک��ه ب��ه Hastelloyعنوان جایگزین X .کاربردهایی در دماهای باالتر پیدا کرده اس��ت HA-

استفاده شده، کاربرد دارد.F-15 که در هواپیمای F-100 در ناحیه داغ موتور 188 آورده است.F-100 را در موتور HA-188 تعدادی از کاربردهای آلیاژ 2-4جدول - دسترسی به محصوالت نورد 4-9-7

محصوالت نورد بنا به ترکیب شیمیایی آلیاژ ب��رای طی��ف گس��ترده ای از آلیاژه��ا و ان��دازه های مفت��ول، میل��ه، ص��فحه، ورق و لوله ه��ای بی درز در دس��ترس هس��تند.

م��تر تولی��د ش��ده اند. ن��وار بعض��ی از آلیاژه�ا ب��ه45/2ورق هایی به پهنای حداکثر وج�ود دارن��د. هم��ه س��وپرآلیاژهای ک��ار ش��ده قاب��لkg3636ش��کل کالف ت��ا وزن

دستیابی نیستند یا اینکه به تولید آنها در ش��کل محص��والت ن��ورد نی��از نمی باش��د.آلیاژهای حال حاضر که به صورت محصوالت نورد تولید شده اند عبارتند از:

HA-188 و HA-31, (L-605)HA-25- سوپرآلیاژهای کبالت مانند: ،HA-214, IN-X750,C-263, IN-617, HastelloyX- سوپرآلیاژهای پایه نیکل مانند:

Waspalloy, IN-718, rENE-41 و U-720A-286- سوپرآلیاژهای پایه آهن- نیکل مانند:

48

اگرچه تبدیل شکل شمش به تغییر شکل گرم نیاز دارد ولی بعضی از محصوالت نورد را می توان با کار سرد بدست آورد. عموما ساختار کار سرد شده برای ک�ار در دماهای باال مناسب نیست. ولی در مواردی که سوپرآلیاژ در دماه��ای پ��ایین تر استفاده می شود، ساختار کارسرد شده خواص استحکام کوتاه مدت را اف��زایش

داده و انعطاف پذیری و چقرمگی را کاهش می دهد.