सुपरलॉय: Difference between revisions

[[Image:Turbinenschaufel RB199.jpg|thumb|right|निकेल सुपरअलॉय जेट इंजन ([[ RB199 ]]) टर्बाइन ब्लेड]]एक सुपरऑलॉय, या उच्च-प्रदर्शन [[ मिश्र धातु ]], एक मिश्र धातु है जो इसके गलनांक के एक उच्च अंश पर काम करने की क्षमता रखता है।<ref name=":3">{{cite book |doi=10.7449/1984/Superalloys_1984_399_419 |chapter=A History of Superalloy Metallurgy for Superalloy Metallurgists |title=Superalloys 1984 (Fifth International Symposium) |year=1984 |last1=Sims |first1=C.T. |pages=399–419 }}</ref>एक सुपरएलॉय की प्रमुख विशेषताओं में यांत्रिक शक्ति, थर्मल [[ रेंगना (विरूपण) |रेंगना (विरूपण)]] प्रतिरोध, सतह स्थिरता और [[ जंग |जंग]] और[[ ऑक्सीकरण | ऑक्सीकरण]] प्रतिरोध शामिल हैं।

क्रिस्टल संरचना आम तौर पर [[ चेहरा केंद्रित घन ]] (FCC) [[ austenitic |ऑस्टेनिटिक]] होती है। इस तरह के मिश्र धातुओं के उदाहरण हैं [[ hastelloy |हास्टेलॉय]], [[ Inconel |इनकोनेल]], [[ वास्पलोय ]], [[ रेने 41 ]], [[ इंकोलॉय ]], [[ एमपी98टी ]], टीएमएस मिश्र [[ सीएमएसएक्स एकल क्रिस्टल मिश्र धातु ]]।  

सुपरअलॉय विकास रासायनिक और प्रक्रिया नवाचारों पर निर्भर करता है। गामा प्राइम और कार्बाइड जैसे माध्यमिक चरण अवक्षेपण से [[ ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण ]] और [[ वर्षा सुदृढ़ीकरण ]] के माध्यम से सुपरलॉइज़ उच्च तापमान शक्ति विकसित करते हैं। [[ अल्युमीनियम ]] और [[ क्रोमियम ]] जैसे तत्वों द्वारा ऑक्सीकरण या संक्षारण प्रतिरोध प्रदान किया जाता है। सुपरऑलॉयज को अक्सर एक क्रिस्टल के रूप में डाला जाता है - जबकि अनाज की सीमाएं कम तापमान पर शक्ति प्रदान कर सकती हैं, वे रेंगने के प्रतिरोध को कम करते हैं।

क्योंकि ये मिश्रधातु उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए अभिप्रेत हैं(अर्थात उनके गलनांक के पास तापमान पर उनके आकार को धारण करना), इसलिए उनका रेंगना (विरूपण) और ऑक्सीकरण प्रतिरोध प्राथमिक महत्व का है। [[ निकल ]] (नी)-आधारित सुपरऑलॉय इन अनुप्रयोगों के लिए पसंद की सामग्री के रूप में उभरे हैं क्योंकि उनके अद्वितीय γ' अवक्षेप हैं।<ref name=":3" /><ref name="RCREED"/>{{page needed|date=December 2016}} इन नी-आधारित सुपरऑलॉयज़ के गुणों को एक निश्चित सीमा तक विभिन्न अन्य तत्वों, सामान्य और असाधारण दोनों के योग के माध्यम से कुछ हद तक तैयार किया जा सकता है, जिसमें न केवल [[ धातुओं ]], बल्कि [[ धातु के रूप-रंग का एक अधातु पदार्थ ]][[ अधातु ]] भी शामिल हैं; क्रोमियम, [[ लोहा ]], [[ कोबाल्ट ]], [[ मोलिब्डेनम ]], [[ टंगस्टन ]], [[ टैंटलम ]], एल्यूमीनियम, [[ टाइटेनियम ]], [[ zirconium |जिरकोनियम]], [[ नाइओबियम ]], [[ रेनीयाम ]], [[ yttrium |येट्रियम]], [[ वैनेडियम ]], [[ कार्बन ]], [[ बोरान ]] या [[ हेफ़नियम ]] उपयोग किए गए मिश्र धातु परिवर्धन के कुछ उदाहरण हैं। प्रत्येक जोड़ वा गुणों को अनुकूलित करने में एक विशेष उद्देश्य प्रदान करता है।   

 

रेंगना प्रतिरोध एक क्रिस्टल संरचना के भीतर [[ अव्यवस्था | अव्यवस्था]] गति की गति को धीमा करने पर, आंशिक रूप से निर्भर है। आधुनिक नी-आधारित सुपरऑलॉयज में, γ'-Ni3(Al,Ti) चरण अव्यवस्था के लिए बाधा के रूप में कार्य करता है। इस कारण से, यह γ '[[ इंटरमेटेलिक | इंटरमेटेलिक]] चरण, जब उच्च मात्रा के अंशों में उपस्थित होता है, तो इसकी आदेशित प्रकृति और γ मैट्रिक्स के साथ उच्च सुसंगतता के कारण इन मिश्र धातुओं की सामर्थ्य बढ़ जाती है। [[ अल्युमीनियम | अल्युमीनियम]] और टाइटेनियम के रासायनिक जोड़ γ' चरण के निर्माण को बढ़ावा देते हैं। γ' चरण के आकार को गर्मी उपचार को मजबूत करने वाली सावधान वर्षा द्वारा ठीक से नियंत्रित किया जा सकता है। दो-चरण ताप उपचार का उपयोग करके कई सुपरऑलॉयज़ का उत्पादन किया जाता है जो प्राथमिक चरण के रूप में जाने वाले क्यूबाइडल γ' कणों का फैलाव बनाता है, इनके बीच द्वितीयक γ' के रूप में जाना जाता है। इन मिश्र धातुओं के ऑक्सीकरण प्रतिरोध को बेहतर बनाने के लिए अल, सीआर, बी और वाई को जोड़ा जाता है। अल और सीआर ऑक्साइड परतें बनाते हैं जो सतह को निष्क्रिय करते हैं और सुपरऑलॉय को आगे के ऑक्सीकरण से बचाते हैं जबकि बी और वाई का उपयोग इस ऑक्साइड स्केल के आसंजन को सब्सट्रेट में सुधारने के लिए किया जाता है।<ref>{{cite journal | last1 = Klein | first1 = L. | last2 = Shen | first2 = Y. | last3 = Killian | first3 = M. S. | last4 = Virtanen | first4 = S. | year = 2011 | title = Effect of B and Cr on the high temperature oxidation behaviour of novel γ/γ′-strengthened Co-base superalloys | journal = Corrosion Science | volume = 53 | issue = 9| pages = 2713–720 | doi=10.1016/j.corsci.2011.04.020}}</ref> Cr, Fe, Co, Mo और Re सभी प्रमुखता रूप से γ मैट्रिक्स का विभाजन करते हैं जबकि Al, Ti, Nb, Ta, और V प्रमुखता रूप से γ' के अवक्षेप और ठोस विलयन मैट्रिक्स को मजबूत करते हैं और क्रमशः अवक्षेपित होते हैं। ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण के अलावा, यदि अनाज की सीमाएं मौजूद हैं, तो कुछ तत्वों को अनाज की सीमा को मजबूत करने के लिए चुना जाता है। B और Zr अनाज की सीमाओं को अलग करने की प्रवृत्ति रखते हैं जो अनाज की सीमा ऊर्जा को कम करता है और इसके परिणामस्वरूप बेहतर अनाज सीमा सामंजस्य और लचीलापन होता है।<ref>{{cite journal | last1 = Shinagawa | first1 = K. | last2 = Omori | first2 = Toshihiro | last3 = Oikawa | first3 = Katsunari | last4 = Kainuma | first4 = Ryosuke | last5 = Ishida | first5 = Kiyohito | year = 2009 | title = Ductility Enhancement by Boron Addition in Co–Al–W High-temperature Alloys | journal = Scripta Materialia | volume = 61 | issue = 6| pages = 612–15 | doi=10.1016/j.scriptamat.2009.05.037}}</ref> अनाज की सीमा को मजबूत करने का एक अन्य रूप C और एक कार्बाइड फॉर्मर, जैसे Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti, या Hf के अतिरिक्त के माध्यम से प्राप्त किया जाता है, जो अनाज की सीमाओं पर कार्बाइड की वर्षा को बढ़ाता है और इस तरह अनाज की सीमा फिसलने को कम करता है।   

|ये तत्व सुपरऑलॉय के बेस मैट्रिक्स γ चरण का निर्माण करते है। Ni आवश्यक है क्योंकि यह γ' (Ni₃Al) भी बनाता है।<br />Fe और Co में Ni की तुलना में अधिक गलनांक होता है और ठोस घोल को मजबूत बनाने की पेशकश करता है। Fe भी Ni या Co से काफी सस्ता है।

|MC और ''M''₂₃C₆ (M ⁠= ⁠धातु) कार्बाइड γ' की अनुपस्थिति में सुदृढ़ीकरण चरण हैं।

|बोरॉन और जिरकोनियम अनाज की सीमाओं को मजबूती प्रदान करते हैं। सिंगल-क्रिस्टल टर्बाइन ब्लेड में यह आवश्यक नहीं है, क्योंकि कोई अनाज सीमा नहीं है।

|Nb से γ<nowiki>''</nowiki> बन सकता है, कम (700 डिग्री सेल्सियस से नीचे) तापमान पर एक मजबूत चरण।

|उच्‍चतापसह धातु, ठोस विलयन को मजबूत करने (और कार्बाइड गठन) के लिए थोड़ी मात्रा में जोड़ा जाता है। ये भारी होते हैं, लेकिन इनका गलनांक अत्यधिक उच्च होता है।

नी-आधारित सुपरऑलॉयज की तुलना में सह-आधारित सुपरऑलॉयज में संभावित रूप से उच्च गर्म जंग, ऑक्सीकरण और घिसाव का प्रतिरोध होता है। इस कारण से, पिछले कई वर्षों में सह-आधारित सुपरलॉइज़ विकसित करने के प्रयास भी किए गए हैं। हालाँकि, पारंपरिक सह-आधारित सुपरऑलॉयज का व्यापक अनुप्रयोग नहीं हुआ है क्योंकि उनके पास नी-आधारित सुपरऑलॉयज की तुलना में उच्च तापमान पर कम शक्ति होती है।<ref name="Sato, J 2006">{{cite journal | last1 = Sato | first1 = J | year = 2006 | title = Cobalt-Base High-Temperature Alloys | journal = Science | volume = 312 | issue = 5770| pages = 90–91 | doi=10.1126/science.1121738| pmid = 16601187 | bibcode = 2006Sci...312...90S | s2cid = 23877638 }}</ref> इसका मुख्य कारण यह है कि उनमें मूल रूप से नी-आधारित सुपरऑलॉयज में पाए जाने वाले γ’ अवक्षेपण प्रबलन की कमी प्रतीत होती है। मेटास्टेबल γ’-Co₃(Al,W) इंटरमेटेलिक कंपाउंड पर 2006 की एक रिपोर्ट में L1₂ संरचना के साथ सह-आधारित मिश्र धातु का सुझाव दिया गया था। एलॉय के इस वर्ग को पहली बार सी.एस. ली की 1971 की पीएचडी थीसिस में रिपोर्ट किया गया था।<ref name=":4">{{cite thesis|type=PhD dissertation|last1=Lee|first1=C. S.|title=Precipitation-hardening characteristics of ternary cobalt - aluminum - X alloys|url=http://arizona.openrepository.com/arizona/handle/10150/287709|year=1971|publisher=University of Arizona}}</ref> दो-चरण की सूक्ष्म संरचना में घनाकार γ' अवक्षेप होते हैं जो एक सतत γ मैट्रिक्स में अंतः स्थापित होते हैं और इसलिए रूपात्मक रूप से नी-आधारित सुपरऑलॉय के सूक्ष्म संरचना के समान होते हैं। यह दो चरणों के बीच उच्च सुसंगतता प्रस्तुत करता है, जो मुख्य कारकों में से एक है जिसके परिणामस्वरूप उत्कृष्ट उच्च तापमान शक्ति होती है।

यह गंभीर वातावरण में अनुप्रयोग के लिए लोड-बेयरिंग सह-आधारित सुपरलॉइज़ के वर्ग के विकास के लिए एक मार्ग प्रदान करता है।<ref>{{cite journal | last1 = Suzuki | first1 = A. | last2 = DeNolf | first2 = Garret C. | last3 = Pollock | first3 = Tresa M. | year = 2007 | title = Flow Stress Anomalies in γ/γ′ Two-phase Co–Al–W-base Alloys | journal = Scripta Materialia | volume = 56 | issue = 5| pages = 385–88 | doi=10.1016/j.scriptamat.2006.10.039}}</ref>इन मिश्रधातुओं में, W 'इंटरमेटेलिक यौगिक' बनाने के लिए महत्वपूर्ण जोड़ है; यह उन्हें अधिक घनत्व (>9.6 g/cm³) देता है। γ - γ' कोबाल्ट-आधारित सुपरऑलॉयज़ का एक वर्ग जो डब्ल्यू-फ्री है, निकेल-आधारित सुपरलॉइज़ की तुलना में बहुत कम घनत्व वाला है।<ref name=":5">{{cite journal|last1=Makineni|first1=S. K.|last2=Nithin|first2=B.|last3=Chattopadhyay|first3=K. |title=A new tungsten-free γ–γ' Co–Al–Mo–Nb-based superalloy |journal=Scripta Materialia|date=March 2015|volume=98|pages=36–39|doi=10.1016/j.scriptamat.2014.11.009}}</ref><ref>{{cite journal|last1=Makineni|first1=S. K.|last2=Nithin|first2=B.|last3=Chattopadhyay|first3=K.|title=Synthesis of a new tungsten-free γ–γ′ cobalt-based superalloy by tuning alloying additions|journal=Acta Materialia|date=February 2015|volume=85|pages=85–94|doi=10.1016/j.actamat.2014.11.016}}</ref><ref>{{cite journal|last1=Makineni|first1=S. K.|last2=Samanta|first2=A.|last3=Rojhirunsakool|first3=T.|last4=Alam|first4=T.|last5=Nithin|first5=B.|last6=Singh|first6=A.K.|last7=Banerjee|first7=R.|last8=Chattopadhyay|first8=K.|title=A new class of high strength high temperature Cobalt based γ–γ′ Co–Mo–Al alloys stabilized with Ta addition|journal=Acta Materialia|date=September 2015|volume=97|pages=29–40|doi=10.1016/j.actamat.2015.06.034}}</ref><ref name=":6">{{cite journal |last1=Reyes Tirado |first1=Fernando L. |last2=Perrin Toinin |first2=Jacques |last3=Dunand |first3=David C. |title=γ+γ′ microstructures in the Co-Ta-V and Co-Nb-V ternary systems |journal=Acta Materialia |date=June 2018 |volume=151 |pages=137–148 |doi=10.1016/j.actamat.2018.03.057 |doi-access=free }}</ref> Co का गलनांक Ni से अधिक होता है। इसलिए, यदि उच्च तापमान शक्ति में सुधार किया जा सकता है, तो सह-आधारित सुपरऑलॉय नी-आधारित जेट इंजनों को प्रतिस्थापित कर सकते हैं।

ठोस विलयन को मजबूत करने के कारण तत्वों को जोड़ना आमतौर पर मददगार होता है, लेकिन इसके परिणामस्वरूप अवांछित अवक्षेपण हो सकता है। अवक्षेपों को ज्यामितीय रूप से निकट-संकुलित (जीसीपी), स्थैतिक रूप से निकट-संकुलित (टीसीपी), या कार्बाइड के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। जीसीपी चरण आमतौर पर यांत्रिक गुणों का लाभ उठाते हैं, लेकिन टीसीपी चरण अक्सर हानिकारक होते हैं जीसीपी चरण आमतौर पर यांत्रिक गुणों के लिए अच्छे होते हैं, लेकिन टीसीपी चरण अक्सर हानिकारक होते हैं। चूंकि टीसीपी चरण वास्तव में बंद पैक नहीं होते हैं, उनके पास कुछ पर्ची प्रणाली और भंगुर होते हैं। इसके अतिरिक्त, वे जीसीपी चरणों से तत्वों को "स्कैवेंज" करते हैं। कई तत्व जो γ' बनाने के लिए अच्छे हैं या ठोस विलयन मजबूत करने के लिए टीसीपी अवक्षेपित कर सकते हैं। उचित संतुलन टीसीपी से परहेज करते हुए जीसीपी को बढ़ावा देता है।

* टीसीपी चरण आमतौर पर नुकीली प्लेट या सुई जैसी आकारिकी बनाते हैं जो नाभिक दरारें करती हैं

मुख्य जीसीपी चरण γ' है। इस चरण के कारण लगभग सभी सुपरऑलॉय नी-आधारित हैं। γ' एक क्रमित L12 (उच्चारण L-एक-दो) है, जिसका अर्थ है कि यूनिट सेल के सामने पर इसका एक निश्चित परमाणु है, और यूनिट सेल के कोनों पर एक निश्चित परमाणु है। नी-आधारित सुपरऑलॉय आमतौर पर नी को सामने पर और Ti या Al को कोनों पर पेश करते हैं।  

|Ni, Co, Fe और ठोस विलयन में अन्य तत्व

|क्यूब्स, गोल क्यूब्स, गोले या प्लेटलेट्स (जाली बेमेल के आधार पर)

|कई कार्बाइड हैं, लेकिन वे सभी फैलाव सुदृढ़ीकरण और अनाज सीमा स्थिरीकरण प्रदान करते हैं।

|इस चरण के साथ मुख्य मुद्दा यह है कि यह γ के साथ सुसंगत नहीं है, लेकिन यह स्वाभाविक रूप से कमजोर नहीं है। यह आम तौर पर γ<nowiki>''</nowiki> को विघटित करने से बनता है, लेकिन कभी-कभी इसे अनाज सीमा शोधन के लिए जानबूझकर छोटी मात्रा में जोड़ा जाता है।

|इस टीसीपी को आमतौर पर सबसे खराब यांत्रिक गुण माना जाता है।<ref name="bowman"/> यह यांत्रिक गुणों के लिए कभी भी वांछनीय नहीं है।

संयुक्त राज्य अमेरिका 1905 के आसपास गैस टर्बाइन के विकास में दिलचस्पी दिखाई।<ref name=":3" />1910-1915 से, गैस टर्बाइनों में उच्च तापमान से बचने के लिए ऑस्टेनिटिक (γ चरण) स्टेनलेस स्टील्स विकसित किए गए थे। 1929 तक, 80Ni-20Cr मिश्र धातु मानक था, जिसमें Ti और Al के छोटे जोड़ थे। हालांकि प्रारंभिक धातुविज्ञानी इसे अभी तक नहीं जानते थे, वे नी-आधारित सुपरऑलॉयज में छोटे γ' अवक्षेप बना रहे थे। इन मिश्र धातुओं ने जल्दी ही Fe- और सह-आधारित सुपर मिश्रधातुओं को पीछे छोड़ दिया, जिन्हें कार्बाइड और ठोस घोल से मजबूत किया गया था।

हालांकि सीआर मिश्र धातुओं को ऑक्सीकरण और 700 डिग्री सेल्सियस तक जंग से बचाने के लिए बहुत अच्छा था, लेकिन धातुविदों ने अल के पक्ष में सीआर को कम करना शुरू कर दिया, जिसमें बहुत अधिक तापमान पर ऑक्सीकरण प्रतिरोध था। सीआर की कमी के कारण गर्म क्षरण की समस्या उत्पन्न हो जाती है, इसलिए कोटिंग्स को विकसित करने की आवश्यकता होती है।

1950 के आसपास, [[ वैक्यूम प्रेरण पिघलने ]] का व्यवसायीकरण हो गया, जिससे धातुकर्मियों को अधिक सटीक संरचना के साथ उच्च शुद्धता वाले मिश्र धातु बनाने की अनुमति मिली।

60 और 70 के दशक में, धातुविदों ने मिश्र धातु रसायन से मिश्र धातु प्रसंस्करण पर ध्यान केंद्रित किया। स्तंभकार या एकल-क्रिस्टल टरबाइन ब्लेड की अनुमति देने के लिए दिशात्मक ठोसकरण विकसित किया गया था। [[ ऑक्साइड फैलाव-मजबूत मिश्र धातु | ऑक्साइड फैलाव से मजबूत मिश्र धातु]] बहुत महीन दाने और [[ सुपरप्लास्टी ]] प्राप्त कर सकती है।

* गामा (γ): यह चरण नी-आधारित सुपरऑलॉय के मैट्रिक्स की रचना करता है। यह मिश्र धातु तत्वों का एक ठोस विलयन एफ सी सी ऑस्टेनिटिक चरण है।<ref name="bowman">{{Cite web|author=Randy Bowman|title=Superalloys: A Primer and History|via=tms.org|url=https://www.tms.org/meetings/specialty/superalloys2000/superalloyshistory.html|access-date=2020-03-06}}</ref><ref name="sabol">{{cite journal |last1=Sabol |first1=G. P. |last2=Stickler |first2=R. |title=Microstructure of Nickel-Based Superalloys |journal=Physica Status Solidi B |date=1969 |volume=35 |issue=1 |pages=11–52 |doi=10.1002/pssb.19690350102 |bibcode=1969PSSBR..35...11S }}</ref> अधिकांश वाणिज्यिक नी-आधारित मिश्र धातुओं में पाए जाने वाले मिश्र धातु तत्व हैं, C, Cr, Mo, W, Nb, Fe, Ti, Al, V, और Ta है। इन सामग्रियों के निर्माण के दौरान, जैसे ही नी-मिश्र धातुओं को पिगला कर ठंडा किया जाता है, कार्बाइड अवक्षेपित होने लगते हैं, इससे भी कम तापमान पर γ' चरण अवक्षेपित होता है।<ref name="sabol" /><ref>{{cite book |doi=10.7449/2004/Superalloys_2004_109_114 |chapter=Gamma/Gamma-Prime Microstructure Formed by Phased Separation of Gamma-Prime Precipitates in a Ni-Al-Ti Alloy |title=Superalloys 2004 (Tenth International Symposium) |year=2004 |last1=Doi |first1=M. |last2=Miki |first2=D. |last3=Moritani |first3=T. |last4=Kozakai |first4=T. |pages=109–114 |isbn=0-87339-576-X }}</ref>

* गामा प्राइम (γ'): यह चरण मिश्रधातु को मजबूत करने के लिए प्रयुक्त तलछट का गठन करता है। यह Ni₃(Ti,Al) पर आधारित एक अन्तराधातुक चरण है जिसमें एक आदेशित FCC L1₂ संरचना है।<ref name="bowman" />γ' चरण सुपरऑलॉय के मैट्रिक्स के साथ सुसंगत है जिसमें जाली पैरामीटर होता है जो