در کاربردهای دانش بنیان، گاه نیاز به موادی می باشد که علاوه بر خواص کلی فلزات، دارای برخی خواص فیزیکی و مکانیکی خاص باشند که در دیگر آلیاژها دیده نمی شود. صنایع الکترونیک، هوافضا، نظامی و … آن دسته از صنایع می باشند که این گونه نیازمندی ها در آنها بیش تر دیده می شود.
از جمله خواص فیزیکی و مکانیکی خاص که در کاربردهایی در صنایع فوق مد نظر می باشند عبارتند از:
- مقاومت مکانیکی مناسب و شکل پذیری (ductility) در دمای فوق سرد (کرایوژنیک)
- مقاومت به سایش بالا
- ضریب انبساط حرارتی پایین
- ثبات ضریب الاستیسیته با تغییر دما
- مشخصات فرومغناطیسی خاص
برخی از سوپرآلیاژهای با خواص فیزیکی خاص
قابلیت استفاده در دمای فوق سرد (کرایوژنیک)
صنایع غذایی، فولاد، نفت و گاز و بسیاری از صنایع دیگر در کشور با گازهای مایع سر و کار دارند. تولید، حمل و مصرف گازهای مایع در شرایط فوق سرد (کرایوژنیک) انجام می شود. دما در کاربردهای کرایوژنیک کمتر از 100 درجه سلسیوس زیر صفر است. بسیاری از مواد فلزی و غیر فلزی در این دماها به شدت ترد و شکننده می شوند. این شکنندگی علاوه بر این که موجب نشتی گاز و اتلاف می گردد، می تواند خطرات جانی نیز به همراه داشته باشد. لذا استفاده از سوپرآلیاژهایی که خواص مکانیکی و شکل پذیری (ductility) خود را در این دما حفظ می کنند بسیار حائز اهمیت است. جوشکاری این سوپرآلیاژها برای کاربرد در این دما نیز ملاحظات خاص خود را دارد. یکی دیگر از کاربردهای سوپرآلیاژهای سازگار با محیط کرایوژنیک، صنایع فضایی است. دمای بدنه یک راکت در لایه های خارج جو در صورت عدم قرار گرفتن در معرض نور خورشید تا منفی 120 درجه سلسیوس کاهش می یابد. از طرفی دمای همین راکت هنگام ورود به جو تا صدها درجه گرم میشود. اینجاست که اهمیت سوپرآلیاژها بیش از پیش مشخص می شود. اینکونل 718 به عنوان یکی از پرکاربردترین سوپرآلیاژهای پایه نیکل در دماهای کرایوژنیک، پاسخگوی اغلب این نیازهاست.
ضریب انبساط حرارتی پایین
در بسیاری از فطعات الکترونیکی و تجهیزات دقیقی که در مواجهه با طیف وسیعی از دما قرار دارند، ثبات ابعاد قطعه در دماهای مختلف از اهمیت بسزایی برخوردار است. برای مثال یک مکانیکال سیل که درون یک شیر کرایوژنیک قرار دارد، دارای تلرانس ساخت در حد صدم میلیمتر است. از طرفی این شیر باید در فاز گاز و مایع سیال را آب بند کند. اختلاف دمای این دو فاز در برخی کاربردها به 100 درجه میرسد. همین طور یک دیافراگم سنسور فشار خازنی با ضخامت چند صدم میلیمتر را در نظر بگیرید. مقدار کمی تغییر ابعاد ناشی از تنش های حرارتی به دلیل تغییر دما می تواند از دقت سنسور تا حد قابل ملاحظه ای بکاهد. هم چنین در گیج های مقاومتی (strain gauge) نیز با تغییر دما نباید تغییر طول قابل ملاحظه ای رخ دهد. تمام این کاربردها لزوم استفاده از سوپرآلیاژهایی با ضریب انبساط حرارتی پایین نشان می دهد. اینوار 36 (Invar 36) یکی از سوپرآلیاژهایی است که با ضریب انبساط حرارتی معادل 0.1 فولاد کربنی، یکی از کاراترین فلزات برای این گونه کاربردهاست.
مقاومت به سایش
وقتی سطح یک فلز با سطح یک فلز دیگر در تماس دینامیک است، افزایش دما ناشی از اصطکاک موجب ایجاد جوش موضعی در نقاطی از دو فلز می گردد که با کنده شدن این نقاط جوش اثر سایش تشدید شده و به تدریج منجر به تخریب فلز می گردد. برای این کاربردها سوپرآلیاژهایی طراحی شده اند که امروز در صنایع ساخت چاقو، تیغه های برش و ابزارهای ماشینکاری به کار گرفته می شوند. این گونه فلزات می بایست دارای سختی و مقاومت به حرارت بالا باشند. اگرچه اکثر آلیاژها با مقاومت سایشی بالا ترد و شکننده می باشند، اما شکل پذیری مناسب به عنوان یک نقطه قوت در این آلیاژها به حساب می آید. آلیاژهای کبالت نظیر استلایت 6B (Stellite 6B) از جمله سوپرآلیاژهایی هستند که علاوه بر مقاومت بالا نسبت به سایش، از شکل پذیری مناسبی نیز برخوردارند.
خواص مغناطیسی
آلیاژهای فرو مغناطیس به آن دسته از آلیاژهایی گفته می شود که در دمای اتاق قادر به ایجاد یک میدان مغناطیسی دائمی می باشند. فلزات آهن، کبالت، نیکل و آلیاژهای آنها اصلی ترین فلزات مغناطیسی موجود در طبیعت می باشند. در برخی صنایع کاربردهایی وجود دارد که نیاز به خواص مغناطیسی با ویژگی خاص می باشد. برای مثال در مواقعی که نیاز به یک میدان مغناطیسی قدرتمند وجود دارد، باید از سوپرآلیاژی استفاده کرد که قادر به تامین این نیاز باشد. هیسترسیز یکی دیگر از مشخصات مغناطیسی است که در ساخت هسته الکتروموتورها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
