آلیاژ اینکونل، بی رقیب در مقاومت به حرارت و خوردگی

در این مقاله علاوه بر معرفی این آلیاژ و انواع آن، به محدودیت‌های این آلیاژها، نظیر هزینه بالا و فرایندهای تولید پیچیده، مورد تحلیل قرار گرفته و به چشم‌اندازهای آینده برای بهبود این ویژگی‌ها پرداخته شده است. 

تاریخچه توسعه و استفاده از اینکونل‌

توسعه آلیاژهای اینکونل از دهه 1930 آغاز شد، زمانی که صنایع نیازمند مواد مقاوم به حرارت و خوردگی شدند. اولین آلیاژهای نیکل-کروم توسط شرکت Special Metals Corporation معرفی شدند و به سرعت به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود در صنایع مختلف محبوبیت یافتند. این آلیاژها در ابتدا برای حل مشکلات مرتبط با اکسیداسیون و خوردگی در تجهیزات گرمایشی و محیط‌های شیمیایی طراحی شدند.

در طول جنگ جهانی دوم، نیاز به موادی که توانایی تحمل دماهای بسیار بالا و فشارهای شدید را داشته باشند، منجر به توسعه گسترده آلیاژهای اینکونل شد. در این دوران، اینکونل‌ها نقش حیاتی در ساخت موتورهای جت و تجهیزات هوافضایی ایفا کردند. آلیاژ Inconel 600 به دلیل مقاومت بالای خود در برابر اکسیداسیون و خوردگی در تجهیزات موتورهای جت و توربین‌های گازی مورد استفاده قرار گرفت.
پس از جنگ، تحقیقات بیشتر بر روی این آلیاژها ادامه یافت و منجر به توسعه انواع جدیدی از اینکونل با ویژگی‌های خاص شد. برای مثال:

• Inconel 718 که در دهه 1950 معرفی شد، به دلیل مقاومت بالا به خزش و خواص مکانیکی عالی در دماهای متوسط، در صنایع هوافضا و توربین‌های گازی جایگاه ویژه‌ای یافت.
• Inconel 625 نیز در دهه 1960 به‌عنوان آلیاژی مقاوم به خوردگی شدید و سازگار با محیط‌های شیمیایی و دریایی عرضه شد.

امروزه این آلیاژها به دلیل کاربردهای گسترده در صنایع نوظهور، همچنان مورد توجه هستند. تلاش‌ها برای کاهش هزینه تولید و بهبود خواص مکانیکی و شیمیایی این آلیاژها ادامه دارد و امکان استفاده گسترده‌تر از آن‌ها را فراهم کرده است.

ترکیب شیمیایی آلیاژهای اینکونل

آلیاژهای اینکونل ترکیباتی پیچیده از عناصر آلیاژی هستند که ترکیب دقیق آن‌ها متناسب با کاربرد و خواص موردنیاز تنظیم می‌شود.

1. نیکل (Ni): عنصر اصلی اینکونل‌ها، که باعث مقاومت بالا به اکسیداسیون و خوردگی می‌شود و نقش مهمی در پایداری در دماهای بالا دارد. نیکل معمولاً بین 50 تا 75 درصد از ترکیب شیمیایی این آلیاژها را تشکیل می‌دهد.
2. کروم (Cr): افزودن کروم (15 تا 25 درصد) مقاومت به اکسیداسیون و تشکیل لایه محافظ بر روی سطح آلیاژ در دمای بالا را فراهم می‌کند.
3. مولیبدن (Mo): بین 3 تا 10 درصد، که مقاومت به خوردگی در محیط‌های اسیدی و کلریدی را افزایش می‌دهد.
4. آهن (Fe): معمولاً بین 5 تا 20 درصد، که خواص مکانیکی را بهبود می‌بخشد و هزینه تولید را کاهش می‌دهد.
5. عناصر دیگر: عناصر جزئی مانند کبالت، تیتانیوم، نیوبیوم، و آلومینیوم نیز به‌منظور تقویت استحکام و پایداری در محیط‌های خاص اضافه می‌شوند. رسوبات تقویت‌کننده مانند Nb، Ti و Al در برخی گریدها موجب افزایش مقاومت مکانیکی و خزش می‌شوند.

تأثیر عملیات حرارتی و فرآوری بر ریزساختار و عملکرد آلیاژهای اینکونل

عملیات حرارتی و فرآوری نقش بسیار مهمی در بهینه‌سازی ریزساختار و در نتیجه عملکرد آلیاژهای اینکونل دارند. این فرایندها با کنترل رسوب‌دهی فازهای تقویت‌کننده، کاهش تنش‌های داخلی، و تغییر ریزساختار پایه، خواص مکانیکی، حرارتی و مقاومت به خوردگی را بهبود می‌بخشند.

• عملیات انحلالی (Solution Treatment): در این مرحله، آلیاژ در دمای بالایی (معمولاً 1150-980درجه سانتی‌گراد) حرارت داده می‌شود تا رسوبات موجود در در زمینه آستنیتی آن حل شوند. این عمل باعث یکنواختی ساختار و کاهش احتمال تشکیل ترک‌های ناشی از تنش‌های داخلی می‌شود. هدف اصلی از عملیات انحلالی، آماده‌سازی آلیاژ برای مراحل بعدی عملیات حرارتی است.
• پیرسازی: پس از عملیات انحلالی، آلیاژ در دمای متوسطی (900-650درجه سانتی‌گراد) نگهداری می‌شود. در این دما، رسوبات تقویت‌کننده‌ای مانند γ′(Ni₃Al) و (Ni₃Nb) ″γ در ساختار تشکیل می‌شوند. این رسوبات مانع از حرکت نابجایی‌ها شده و باعث افزایش قابل توجه استحکام، سختی و مقاومت به خزش آلیاژ می‌شوند. به عبارت دیگر، پیرسازی باعث افزایش مقاومت آلیاژ در برابر تغییر شکل در دماهای بالا می‌شود.

8

دقیــقه مطالعه

عملیات حرارتی سوپر آلیاژهای پایه نیکل

عملیات حرارتی سوپرآلیاژ های پایه نیکل مقدمه: عملیات حرارتی سوپرآلیاژ های پایه نی...

• آنیلینگ: این مرحله معمولاً برای بهبود شکل‌پذیری و کاهش تنش‌های داخلی انجام می‌شود. در این فرایند، آلیاژ در دمای بالایی (دمای 1050-900درجه سانتی‌گراد) حرارت داده شده و سپس به آرامی سرد می‌شود. آنیلینگ باعث می‌شود آلیاژ در هنگام عملیات مکانیکی مثل خم‌کاری یا کشش، رفتار انعطاف‌پذیرتری داشته باشد و در دماهای کاری بالا به دلیل ساختار متالورژیکی ایجاد شده، پایدارتر باشد و به راحتی دچار تغییر شکل دائمی نشود. همچنین، عملیات آنیلینگ با ایجاد یک ساختار همگن‌تر، باعث افزایش پایداری ساختار و بهبود مقاومت به خوردگی آلیاژ می‌شود.

انواع آلیاژهای رایج اینکونل و کاربرد آن‌ها

آلیاژهای اینکونل به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد، به شکل گسترده‌ای در صنایع مختلف استفاده می‌شوند. در ادامه لیستی از آلیاژهای رایج اینکونل همراه با ترکیب شیمیایی و ویژگی‌های کلیدی آن‌ها بر اساس استانداردهای ASTM ارائه می‌شود:

آلیاژ 600 Inconel

آلیاژ اینکونل 600 با پایه نیکل-کروم، به دلیل مقاومت بالای خود در برابر خوردگی، اکسیداسیون و اثرات دماهای بالا شناخته می‌شود. وجود نیکل بالا در این آلیاژ باعث می‌شود که در محیط‌های خورنده حاوی کلریدها یا اسیدهای اکسیدکننده عملکرد عالی داشته باشد.

نکته قابل توجه در جدول بالا مقادیر استحکام کششی و حد تسلیم است. در شرایط حرارتی متلف مقادیر استحکام با یکدیگر متفاوت است. معمولا در شرایط سردکار دانشــنـامه سردکار چیست ؟ فلزی که تحت کارمکانیکی در زیر دمای کریستاله شدن خود قرار گرفته است. ی شدید مقدار استحکام کششی و حد تسلیم بیشتر است.

آلیاژ 601 Inconel

این آلیاژ به‌واسطه حضور آلومینیوم علاوه بر نیکل و کروم، از مقاومت بسیار بالایی در برابر اکسیداسیون و کربوریزاسیون در دماهای بالا برخوردار است. آلیاژ اینکونل 601 لایه اکسیدی پایداری تشکیل می‌دهد که از سطح در برابر تخریب محافظت می‌کند، حتی در محیط‌هایی با حرارت متناوب.

در ترکیب شیمیایی این آلیاژ مقادیری جزئی از کربن، منگنز، گوگرد و سیلیسیم به ترتیب حداکثر 0.1، 1، 0.015 و 0.5 درصد وجود دارد.

آلیاژ 617 Inconel

آلیاژ اینکونل 617 به دلیل ترکیب پایه نیکل-کروم-کبالت با مقدار قابل توجهی مولیبدن، مقاومت بسیار بالایی در برابر اکسیداسیون، خوردگی گازهای داغ و کربوریزاسیون دارد. این آلیاژ به طور ویژه در دمای بالاتر از 1000°C استحکام خود را حفظ می‌کند و در صنایع مرتبط با توربین‌های گازی، مبدل‌های حرارتی و سیستم‌های پتروشیمی به کار می‌رود.

در جدول بالا دیگر عناصر به مقدار جزئی وجود دارند. به عنوان مثال حداکثر مقادیر کربن 0.15-0.5، آهن 3، سیلیسیم 1، منگنز 1، تیتانیوم 0.6 و گوگرد 0.015 درصد در ترکیب آلیاژ اینکونل 617 موجود است.

آلیاژ 625 Inconel

آلیاژ اینکونل 625 با محتوای بالای مولیبدن و نیوبیوم، به مقاومت فوق‌العاده در برابر خوردگی ناشی از کلریدها، اسیدها و محیط‌های آبی خورنده شناخته می‌شود. انعطاف‌پذیری بالا و قابلیت جوشکاری خوب، آن را به یکی از محبوب‌ترین آلیاژها برای کاربرد در صنایع دریایی، شیمیایی، نفت و گاز و هسته‌ای تبدیل کرده است.

در جدول بالا عناصر دیگری به مقدار جزئی وجود دارد. به عنوان مثال حداکثر مقادیر کربن 0.1، منگنز 0.5، سیلیسیم 0.5، فسفر و گوگرد 0.015 درصد در ترکیب آلیاژ اینکونل 625 موجود است.

آلیاژ 718 Inconel

این آلیاژ که به دلیل استفاده از نیوبیوم و مولیبدن تقویت شده است، دارای استحکام تسلیم بالا، مقاومت به خزش و قابلیت تحمل بارهای سنگین در دماهای پایین و بالا است. به همین دلیل، آلیاژ 718 به‌ویژه در صنایع هوافضا، توربین‌های گازی و سیستم‌های فشار بالا به کار می‌رود.

آلیاژ X-750 Inconel

آلیاژ X-750، بر اساس آلیاژ پایه نیکل-کروم توسعه یافته و با افزودن تیتانیوم و آلومینیوم بهبود یافته است. این آلیاژ به دلیل مقاومت بالا در برابر خزش و خستگی در محیط‌های دما بالا، برای کاربردهایی نظیر فنرهای دما بالا، اجزای موتورهای هواپیما و قطعات هسته‌ای مناسب است.

8

دقیــقه مطالعه

مواد فنر - Spring materials

مواد فنر – Spring materials مواد بهینه برای ساخت فنرها، همان گونه که از نا...

جمع‌بندی

در مقاله مورد نظر، به بررسی سوپرآلیاژ اینکونل (Inconel) پرداخته شد. این آلیاژ به دلیل ترکیب شیمیایی خاص خود، مقاومت بالایی در برابر حرارت، اکسیداسیون و خوردگی دارد. همچنین، استحکام کششی و خزشی بالای آن در دماهای بالا، اینکونل را برای استفاده در صنایع مختلفی مانند هوافضا، نیروگاه‌های هسته‌ای و صنایع شیمیایی مناسب می‌سازد. در این مقاله، به ترکیب، خواص مکانیکی و کاربردهای اینکونل اشاره گردید.