सुपरलॉय: Difference between revisions

[[Image:Turbinenschaufel RB199.jpg|thumb|right|निकेल सुपरअलॉय जेट इंजन ([[ RB199 ]]) टर्बाइन ब्लेड]]एक सुपरऑलॉय, या उच्च-प्रदर्शन [[ मिश्र धातु |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 |चेहरा केंद्रित घन]] (FCC) [[ austenitic |ऑस्टेनिटिक]] होती है। इस तरह के मिश्र धातुओं के उदाहरण हैं [[ hastelloy |हास्टेलॉय]], [[ Inconel |इनकोनेल]], [[ वास्पलोय |वास्पलोय]], [[ रेने 41 |रेने 41]], [[ इंकोलॉय |इंकोलॉय]], [[ एमपी98टी |एमपी98टी]], टीएमएस मिश्र [[ सीएमएसएक्स एकल क्रिस्टल मिश्र धातु |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 |ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण]] और [[ वर्षा सुदृढ़ीकरण |वर्षा सुदृढ़ीकरण]] के माध्यम से सुपरलॉइज़ उच्च तापमान शक्ति विकसित करते हैं। [[ अल्युमीनियम |अल्युमीनियम]] और [[ क्रोमियम |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 |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 |धातुओं]], बल्कि [[ धातु के रूप-रंग का एक अधातु पदार्थ |धातु के रूप-रंग का एक अधातु पदार्थ]] [[ अधातु |अधातु]] भी शामिल हैं; क्रोमियम, [[ लोहा |लोहा]], [[ कोबाल्ट |कोबाल्ट]], [[ मोलिब्डेनम |मोलिब्डेनम]], [[ टंगस्टन |टंगस्टन]], [[ टैंटलम |टैंटलम]], एल्यूमीनियम, [[ टाइटेनियम |टाइटेनियम]], [[ zirconium |जिरकोनियम]], [[ नाइओबियम |नाइओबियम]], [[ रेनीयाम |रेनीयाम]], [[ yttrium |येट्रियम]], [[ वैनेडियम |वैनेडियम]], [[ कार्बन |कार्बन]], [[ बोरान |बोरान]] या [[ हेफ़नियम |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।

|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।

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।

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 |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 लगभग 0.5% भिन्न होता है। Ni3(Ti,Al) क्यूब सामने पर Ni परमाणुओं के साथ आदेशित प्रणाली हैं और क्यूब किनारों पर Al या Ti परमाणु हैं। जैसे ही γ' के कण एकत्रित होते हैं, वे घनाकार संरचनाओं को बनाने वाली <100> दिशाओं के साथ संरेखित करके अपनी ऊर्जा अवस्थाओं को कम कर देते हैं।<ref name="sabol" />इस चरण में 600 डिग्री सेल्सियस और 850 डिग्री सेल्सियस के बीच अस्थिरता की एक खिड़की है, जिसके अंदर γ' एचसीपी η चरण में बदल जाएगा। 650 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर अनुप्रयोगों के लिए, γ" चरण को मजबूत करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।<ref name="dunand"/>

[[File:Ni3Nb Body Centered Tetragonal.JPG|thumb|γ के लिए क्रिस्टल संरचना (नी₃नायब) (बॉडी सेंटर्ड टेट्रागोनल)]]* गामा डबल प्राइम (γ"):यह चरण आमतौर पर Ni3Nb या Ni3V है और इसका उपयोग γ' के सापेक्ष कम तापमान (<650 °C) पर Ni-आधारित सुपरऑलॉयज़ को मजबूत करने के लिए किया जाता है। γ" की क्रिस्टल संरचना [[शरीर-केंद्रित टेट्रागोनल]] (बीसीटी) है, और चरण γ में {001} परिवार के समानांतर γ" में (001) विमानों के साथ 60 एन एम एक्स 10 एन एम डिस्क के रूप में अवक्षेपित होता है। ये [[ असमदिग्वर्ती होने की दशा |असमदिग्वर्ती होने की दशा]] डिस्क शरीर-केंद्रित टेट्रागोनल अवक्षेप और चेहरे-केंद्रित क्यूबिक मैट्रिक्स के बीच जाली स्थिरांक के परिणामस्वरूप बनती हैं। यह जाली स्थिरांक उच्च सुसंगतता उपभेदों की ओर जाता है, जो एक साथ [[ आदेश सख्त |आदेश सख्त]] होने के साथ-साथ प्राथमिक सुदृढ़ीकरण तंत्र हैं। γ" चरण लगभग 650 डिग्री सेल्सियस से ऊपर अस्थिर है।<ref name="dunand">Dunand, David C. "Materials Science & Engineering 435: High Temperature Materials". Northwestern University, Evanston. 25 February 2016. Lecture.</ref>

* कार्बाइड चरण: कार्बाइड का निर्माण आमतौर पर हानिकारक होता है, हालांकि नी-आधारित सुपरऑलॉयज में उनका उपयोग उच्च तापमान पर विरूपण के खिलाफ सामग्री की संरचना को स्थिर करने के लिए किया जाता है। कार्बाइड अनाज की सीमाओं पर बनते हैं, अनाज की सीमा गति को रोकते हैं।<ref name="bowman" /><ref name="sabol" />

*टोपोलॉजिकली क्लोज़-पैक्ड (टीसीपी) चरण: शब्द "टीसीपी चरण" चरणों के एक परिवार के किसी भी सदस्य को संदर्भित करता है (σ चरण, χ चरण, μ चरण, और लवेस चरण सहित) जो एटॉमिकली क्लोज-पैक्ड नहीं हैं, लेकिन [[ हेक्सागोनल क्लोज-पैक |हेक्सागोनल क्लोज-पैक]] स्टैकिंग के साथ कुछ क्लोज-पैक्ड प्लेन रखते हैं। टीसीपी चरण अत्यधिक भंगुर होते हैं और सुदृढ़ीकरण, ठोस विलयन दुर्दम्य तत्वों (सी आर, सी ओ, डब्ल्यू, और एम ओ सहित) के γ मैट्रिक्स को कम करते हैं। उच्च तापमान (>750 डिग्री सेल्सियस) पर लंबे समय (हजारों घंटे) के बाद गतिकी के परिणामस्वरूप ये चरण बनते हैं<br />

सह-आधारित सुपरलॉइज़ यांत्रिक गुणों के लिए कार्बाइड अवक्षेपण और ठोस विलय सुदृढ़ीकरण पर निर्भर करते हैं। जबकि ये सुदृढ़ीकरण तंत्र गामा प्राइम (γ') अवक्षेपण से कमतर हैं,<ref name=":3" />कोबाल्ट में निकेल की तुलना में अधिक गलनांक होता है और इसमें बेहतर गर्म संक्षारण प्रतिरोध और तापीय थकान होती है। नतीजतन, कार्बाइड-मजबूत सह-आधारित सुपरऑलॉय का उपयोग कम तनाव, उच्च तापमान अनुप्रयोगों जैसे गैस टर्बाइनों में स्थिर वैन में किया जाता है। Co's γ/γ' माइक्रोस्ट्रक्चर को फिर �