در صنعت کشور ما، هر جا نیاز به مقاومت مکانیکی بالاست، اغلب طراحان به سراغ فولادهای آلیاژی با قابلیت عملیات حرارتی همچون VCN150، VCN200 و MO40 می روند. این انتخاب با توجه به قیمت این آلیاژها و موجودی بازار کاملا منطقی است. اما در کاربردهایی که علاوه بر مقاومت مکانیکی بالا، مقاومت به خوردگی، حرارت و یا حتی مقاومت های مکانیکی بالاتر از این فولادها نیاز است، این گزینه های محدود طراحان را با مشکلات بسیاری مواجه خواهد کرد. استفاده از پوشش های ضد خوردگی معمول، افزایش ابعاد و در نتیجه وزن قطعه، عایق های حرارتی و … همگی راهکارهایی است که هر یک دردسر و محدودیت های خود را در زمان اجرا خواهد داشت.
سوپرآلیاژهای با قابلیت عملیات حرارتی پیرسختی، بخش اعظم مشکلات صنعت در زمینه نیاز به مقاومت مکانیکی بالا توام با مقاومت به خوردگی، مقاومت به حرارت و … را حل کرده است.
پیر سختی (age hardening) یا رسوب سختی (precipitation hardening) نوعی عملیات حرارتی است که با قرار دادن سوپرآلیاژ در دمای کنترل شده کوره در مدت زمان مشخص، موجب ته نشین شدن عناصر آلیاژی با مقاومت بالا (هم چون تیتانیوم و آلومینیوم) با ساختار دانه بندی مجزا درون واحد های اصلی دانه بندی سوپرآلیاژ می گردد. دمای پیرسختی از دمای کوئنچ پایین تر است و مدت زمان پیرسختی از چند ساعت تا چند روز با توجه به نوع سوپرآلیاژها متفاوت خواهد بود. با اضافه شدن المان های پیرسختی (مانند تیتانیوم و آلومینیوم) به یک سوپرآلیاژ ضمن حفظ خواص ضد خوردگی و مقاومت به حرارت، می توان با پیرسختی به استحکام تسلیم بسیار بالا رسید. برخی فولادهایی که قابلیت عملیات حرارتی پیرسختی دارند، مانند مارایجینگ 350 (maraging 350) دارای استحکام تسلیم تا 2000 مگاپاسکال میباشند.
کاربردهای سوپرآلیاژهای با قابلیت عملیات حرارتی
سوپرآلیاژهای مقاوم به خوردگی با استحکام تسلیم بالا
فولادهای ضد زنگ رایج همچون استیل 304 و استیل 316 به دلیل استحکام تسلیم پایین، برای ساخت تجهیزات تحت بار مکانیکی که دارای محدودیت وزن می باشند مناسب نیستند. فولادهای ضدزنگ با قابلیت پیرسختی همچون استیل 630 (17-4PH) با مشخصات ضد زنگی مشابه و قیمت پایین تر، دارای استحکام تسلیم معادل 3.5 برابر فولادهای ضدزنگ رایج است. مونل 400 یکی از سوپرآلیاژهای پرکاربرد در ساخت تجهیزات شیرآلاتی است که با مواد خورنده سر و کار دارد. مقاومت تسلیم پایین آن (175 مگا پاسکال) موجب حجیم شدن تجهیزات شیر می شود. سوپرآلیاژ مونل K500 با خواص مشابه ضد خوردگی و با قیمت تنها 10 درصد بالاتر، استحکام تسلیم معادل 4 برابر مونل 400 را داراست. تجهیزات سرچاهی نظیر شیرهای اطمینان در مواجهه با گاز ترش قرار دارند. از طرفی فنر این شیرها باید دارای استحکام تسلیم بالا باشد. اینکونل X750 با قابلیت پیرسختی، به عنوان یکی از پرکاربردترین سوپرآلیاژها جهت ساخت فنر شیرهای اطمینان سرچاهی به کار می رود.
سوپرآلیاژهای مقاوم به حرارت با استحکام تسلیم بالا
دمای پره های توربین های گازی گاه تا 900 درجه گرم می شوند. از طرفی به دلیل سرعت بالای دوران این توربین ها، باید پره ها به گونه ای طراحی شوند که کمترین وزن ممکن را داشته باشند. اینجاست که مقاومت مکانیکی بالا توام با مقاومت به خزش و حرارت از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می گردد. سوپرآلیاژهای پایه نیکل مقاوم به حرارت با قابلیت عملیات حرارتی پیرسختی به این منظور طراحی و تولید شده اند. از مهمترین سوپرآلیاژهای مقاوم به حرارت که دارای قابلیت عملیات حرارتی پیرسختی می باشد می توان از نیمونیک 80A و نیمونیک 90 (Nimonic 90) نام برد که در مقایسه با هم رده قدیمی خود یعنی آلیاژ غیر قابل پیرسختی نیمونیک 75، 2.5 برابراستحکام تسلیم بالاتری دارد.
ابر آلیاژها با استحکام تسلیم بسیار بالا
در برخی کاربردها با توجه به محدودیت فضا، نیاز به استفاده از تجهیزات با استحکام تسلیم بسیار بالاست تا قطعات حدالامکان کوچکتر و سبکتر باشد. هواپیماها و سایر تجهیزات هوافضا بارزترین مثال از چنین کاربردی است. برای مثال تجهیزات مکانیکی چرخ هواپیما در زمان فرود تحت بار مکانیکی بسیار بالایی قرار می گیرد. از طرفی در یک هواپیما محدودیت بسیار زیادی در وزن تجهیزات به کار رفته وجود دارد. در چنین مواردی سوپرآلیاژها با مقاومت مکانیکی بسیار بالا به کار گرفته خواهد شد. فولادهای مارایجینگ (maraging steels) با استحکام تسلیم تا 2000 مکاپاسکال یکی از گزینه های منسب برای چنین کاربردهایی است.