وقتی در یک فرآیند صنعتی با دماهای بالا ناشی از مواجهه با یک منبع گرمایی قرار داریم، می بایست تبعات این افزایش دما را بر روی تجهیزات به کار رفته در آن دما در نظر گرفت. به طور کلی تبعات ناشی از افزایش دما بر روی آلیاژها را می توان به دو دسته عمده تقسیم کرد:
- کاهش مقاومت مکانیکی آلیاژ که موجب بروز خزش و درنهایت شکست تجهیز می شود
- افزایش سرعت واکنش شیمیایی با عوامل محیطی که منجر به خوردگی دما بالا می گردد
با توجه به محیط، دما و تنش مکانیکی قطعه در شرایط کارکرد دما بالا، سوپر آلیاژ به کار رفته می بایست طراحی شود. برخی سوپرآلیاژهای پایه نیکل و کبالت به دلیل مشخصات مقاومت به حرارتی این دو فلز، به عنوان شاخص ترین گزینه ها در این گونه کاربردها مطرح می باشند.
برخی از سوپرآلیاژهای مقاوم به حرارت
مقاومت به خزش و گسیختگی در دمای بالا
با افزایش دما مشخصات مکانیکی ماده نظیر تنش تسلیم، استحکام کششی، سختی، مدول الاستیسیته و … افت می کند. همچنین در این گونه شرایط با پدیده خزش نیز مواجه می شویم که به معنای تغییر شکل پلاستیک قطعات تحت بار در نواحی پایین تر از تنش تسلیم آلیاژ به کار رفته می باشد. در پره های توربین های گازی این تغییر شکل علاوه بر تاثیر گذاری بر روی مشخصات ایرودینامیک، منجر به کاهش مقاومت مکانیکی و شکست در ناحیه تغییر شکل یافته می گردد. برای جلوگیری از این شکست، در طراحی تجهیزات تحت بار مکانیکی و دمای بالا نظیر پره توربین ها، محفظه احتراق و … باید به دو مشخصه توجه ویژه ای داشت:
- مقاومت شکست دما بالا با عمر کارکرد 10000 ساعت در دمای کارکرد (10000hr rupture strength)
- حداقل تنش مولد خزش 0.0001% در ساعت (min creep rupture strength)
خزش و گسیختگی دما بالا، مهمترین فاکتور در طراحی پره های توربین های گازی و موتورهای جت می باشد.
مقاومت به خوردگی دما بالا
در دماهای بالا، آلیاژها تمایل بیشتری به واکنش شیمیایی با گازهای موجود در محیط نظیر نیتروژن و اکسیژن دارند. از طرف دیگر ترکیبات تولید شده در فرآیندهای احتراق نظیر ترکیبات گوگرد و کربن، به شدت خورنده می باشند. در دماهای بالاتر از 900 درجه سلسیوس تاثیر این مواد خورنده بر فلز به شدت افزایش یافته و منجر به خوردگی و ترد شدن آلیاژ پس از کارکرد کوتاه مدت می گردد. مهمترین خوردگی های دما بالا عبارتند از:
- اکسیداسیون،
- نیتراته شدن،
- کربوریزه شدن
- سولفیداسیون
همگی از تبعات کارکرد در دماهای بالا می باشد. لذا علاوه بر در نظر گرفتن برنامه تعمیراتی مدون جهت زدودن این لایه های خورنده از روی سطح فلز، می بایست متناسب با دمای کارکرد و گازهای محیطی، مقاوم ترین سوپرآلیاژ به این عوامل خورنده را در نظر گرفت.
سوپر آلیاژهای به کار رفته در پره های توربین های گازی، اگزوز خروجی راکت ها، فلرهای پالایشگاه، تجهیزات عملیات حرارتی، بدنه کوره های القایی، محفظه احتراق و … همگی از نوع مقاوم به خوردگی دما بالا هستند.
