सुपरलॉय

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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।[1] उत्कृष्ट यांत्रिक शक्ति, रेंगना (विरूपण) के लिए प्रतिरोध, अच्छी सतह स्थिरता, और जंग या ऑक्सीकरण के प्रतिरोध एक सुपरएलॉय की कई प्रमुख विशेषताएं हैं।

क्रिस्टल संरचना आम तौर पर चेहरा केंद्रित घन (FCC) austenitic होती है। ऐसे मिश्र धातुओं के उदाहरण हैं hastelloy , Inconel , वास्पलोय , रेने 41 , इंकोलॉय , एमपी98टी , टीएमएस मिश्र सीएमएसएक्स एकल क्रिस्टल मिश्र धातु मिश्र।

सुपरअलॉय विकास रासायनिक और प्रक्रिया नवाचारों दोनों पर बहुत अधिक 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। सुपर मिश्र धातुओं को अक्सर एकल क्रिस्टल के रूप में ढाला जाता है - जबकि अनाज की सीमा को मजबूत करना कम तापमान पर शक्ति प्रदान कर सकता है, वे रेंगने के प्रतिरोध को कम करते हैं।

इस तरह के मिश्र धातुओं के लिए प्राथमिक अनुप्रयोग एयरोस्पेस और समुद्री टरबाइन इंजन ों में है। रेंगना आमतौर पर गैस टरबाइन ब्लेड में जीवन भर सीमित करने वाला कारक है।[2] सुपरऑलॉयज ऐसी सामग्रियां हैं, जिन्होंने बहुत अधिक तापमान वाली इंजीनियरिंग तकनीक को संभव बनाया है।[1]


रासायनिक विकास

क्योंकि इन मिश्र धातुओं को उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए अभिप्रेत है (अर्थात उनके गलनांक के पास तापमान पर उनके आकार को धारण करना) उनका रेंगना (विरूपण) और ऑक्सीकरण प्रतिरोध प्राथमिक महत्व के हैं। निकल (नी)-आधारित सुपरऑलॉय इन अनुप्रयोगों के लिए पसंद की सामग्री के रूप में उभरे हैं क्योंकि उनके अद्वितीय γ' अवक्षेप हैं।[1][3][page needed] इन नी-आधारित सुपरऑलॉयज़ के गुणों को कुछ अन्य तत्वों के अलावा सामान्य और विदेशी दोनों के माध्यम से कुछ हद तक सिलवाया जा सकता है, जिसमें न केवल धातुएं, बल्कि [[ धातु के रूप-रंग का एक अधातु पदार्थ ]]्स और नॉनधातुओं भी शामिल हैं; क्रोमियम, लोहा , कोबाल्ट , मोलिब्डेनम , टंगस्टन , टैंटलम , एल्यूमीनियम, टाइटेनियम , zirconium , नाइओबियम , रेनीयाम , yttrium , वैनेडियम , कार्बन , बोरान या हेफ़नियम उपयोग किए गए मिश्र धातु परिवर्धन के कुछ उदाहरण हैं। इनमें से प्रत्येक जोड़ को उच्च तापमान अनुप्रयोग के लिए गुणों के अनुकूलन में एक विशेष उद्देश्य की पूर्ति के लिए चुना गया है।

रेंगना प्रतिरोध एक क्रिस्टल संरचना के भीतर अव्यवस्था गति की गति को धीमा करने पर, आंशिक रूप से निर्भर है। आधुनिक नी-आधारित सुपरलॉइज़ में, γ'-Ni3(Al, Ti) चरण आरेख # अन्य चरण आरेख अव्यवस्था गति में बाधा के रूप में कार्य करता है। इस कारण से, यह γ 'इंटरमेटेलिक चरण, जब उच्च मात्रा के अंशों में मौजूद होता है, तो इसकी व्यवस्थित प्रकृति और γ मैट्रिक्स के साथ उच्च सुसंगतता के कारण इन मिश्र धातुओं की ताकत में भारी वृद्धि होती है। 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।[4] Cr, Fe, Co, Mo और Re सभी तरजीही रूप से γ मैट्रिक्स का विभाजन करते हैं जबकि Al, Ti, Nb, Ta, और V तरजीही 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।[5] 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।

Ni-based superalloy compositions[1][6][7]
Element Composition range
(weight %) 		Purpose
Ni, Fe, Co 50-70% These elements form the base matrix γ phase of the superalloy. Ni is necessary because it also forms γ' (Ni3Al).
Fe and Co have higher melting points than Ni and offer solid solution strengthening. Fe is also much cheaper than Ni or Co.
Cr 5-20% Cr is necessary for oxidation and corrosion resistance; it forms a protective oxide Cr2O3.
Al 0.5-6% Al is the main γ' former. It also forms a protective oxide Al2O3, which provides oxidation resistance at higher temperature than Cr2O3.
Ti 1-4% Ti forms γ'.
C 0.05-0.2% MC and M23C6 (M ⁠= ⁠metal) carbides are the strengthening phase in the absence of γ'.
B,Zr 0-0.1% Boron and zirconium provide strength to grain boundaries. This is not essential in single-crystal turbine blades, because there are no grain boundaries.
Nb 0-5% Nb can form γ'', a strengthening phase at lower (below 700 °C) temperatures.
Re, W, Hf, Mo, Ta 1-10% Refractory metals, added in small amounts for solid solution strengthening (and carbide formation). They are heavy, but have extremely high melting points.


सक्रिय अनुसंधान

जबकि नी-आधारित सुपरऑलॉय उत्कृष्ट उच्च तापमान सामग्री हैं और बहुत उपयोगी साबित हुए हैं, सह-आधारित सुपरऑलॉय में संभावित रूप से बेहतर गर्म जंग, ऑक्सीकरण, और नी-आधारित सुपरऑलॉय की तुलना में प्रतिरोध होता है। इस कारण से, पिछले कई वर्षों में सह-आधारित सुपरलॉइज़ विकसित करने के प्रयास भी किए गए हैं। इसके बावजूद, पारंपरिक सह-आधारित सुपरऑलॉयज का व्यापक उपयोग नहीं हुआ है क्योंकि उनके पास नी-आधारित सुपरऑलॉयज की तुलना में उच्च तापमान पर कम ताकत है।[8] इसका मुख्य कारण यह है कि—हाल ही में—उनमें γ’ अवक्षेपण प्रबलन की कमी प्रतीत होती थी जो नी-आधारित सुपरऑलॉयज की उच्च तापमान शक्ति में बहुत महत्वपूर्ण है। मेटास्टेबल γ'-Co पर 2006 की एक रिपोर्ट3(Al,W) L1 के साथ इंटरमेटेलिक यौगिक2 संरचना सह-आधारित मिश्र धातुओं को पारंपरिक नी-आधारित सुपरलॉइज़ के विकल्प के रूप में सुझाती है। हालांकि 1971 में सीएस ली द्वारा पीएचडी थीसिस में मिश्र धातुओं के इस वर्ग की सूचना दी गई थी।[9] दो-चरण की सूक्ष्म संरचना में घनाकार γ' अवक्षेप होते हैं जो एक सतत γ मैट्रिक्स में सन्निहित होते हैं और इसलिए रूपात्मक रूप से नी-आधारित सुपरऑलॉयज़ में देखी गई सूक्ष्म संरचना के समान होते हैं। नी-आधारित प्रणाली की तरह, दो चरणों के बीच उच्च स्तर की सुसंगतता होती है, जो मुख्य कारकों में से एक है जिसके परिणामस्वरूप उच्च तापमान पर बेहतर शक्ति होती है।

यह गंभीर वातावरण में अनुप्रयोग के लिए लोड-बेयरिंग सह-आधारित सुपरलॉइज़ के एक नए वर्ग के विकास के लिए एक मार्ग प्रदान करता है।[10] इन मिश्रधातुओं में, W 'इंटरमेटेलिक यौगिक' बनाने के लिए महत्वपूर्ण जोड़ है; यह उन्हें अधिक सघन बनाता है (>9.6 g/cm3) नी-आधारित सुपरऑलॉयज़ की तुलना में। हाल ही में γ - γ' कोबाल्ट-आधारित सुपरऑलॉयज़ का एक नया वर्ग विकसित किया गया है जो डब्ल्यू-मुक्त हैं और निकेल-आधारित सुपरलॉइज़ की तुलना में बहुत कम घनत्व है।[11][12][13][14] इस तथ्य के अलावा कि इन नए सह-आधारित सुपरऑलॉय के कई गुण पारंपरिक Ni-आधारित वाले की तुलना में बेहतर हो सकते हैं, Co का भी Ni की तुलना में उच्च पिघलने का तापमान है। इसलिए, यदि उच्च तापमान शक्ति में सुधार किया जा सकता है, तो उपन्यास सह-आधारित सुपरलॉइज़ का विकास जेट इंजन के संचालन तापमान में वृद्धि की अनुमति दे सकता है जिसके परिणामस्वरूप दक्षता में वृद्धि हो सकती है।

चरण गठन

नए तत्वों को जोड़ना आमतौर पर ठोस समाधान को मजबूत करने के कारण अच्छा होता है, लेकिन इंजीनियरों को इस बात से सावधान रहने की जरूरत है कि कौन से चरण अवक्षेपित होते हैं। अवक्षेपों को ज्यामितीय रूप से निकट-संकुलित (GCP), फ्रैंक-कैस्पर चरणों | स्थलाकृतिक रूप से निकट-संकुलित (TCP), या कार्बाइड के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। 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 स्लिप सिस्टम होते हैं और बहुत भंगुर होते हैं। वे अतिरिक्त रूप से खराब हैं क्योंकि वे तत्वों को GCP चरणों से दूर करते हैं। कई तत्व जो γ' बनाने के लिए अच्छे हैं या ठोस समाधान मजबूत करने के लिए टीसीपी अवक्षेपित कर सकते हैं। इंजीनियरों को टीसीपी से परहेज करते हुए जीसीपी को बढ़ावा देने वाले संतुलन को खोजने की जरूरत है।

टीसीपी चरण गठन के साथ मिश्र धातु का एक क्षेत्र कमजोर होगा क्योंकि:[15][16]

  • टीसीपी चरण में स्वाभाविक रूप से खराब यांत्रिक गुण हैं
  • टीसीपी चरण γ मैट्रिक्स के साथ असंगत है
  • टीसीपी चरण एक कमी क्षेत्र से घिरा हुआ है जहां कोई γ' नहीं है
  • टीसीपी चरण आमतौर पर तेज प्लेट या सुई जैसी आकारिकी बनाता है जो आसानी से दरारों को न्यूक्लियेट करता है

मुख्य जीसीपी चरण γ' है। इस चरण के कारण लगभग सभी सुपरऑलॉय नी-आधारित हैं। γ' एक आदेशित L1 है2 (उच्चारण एल-एक-दो), जिसका अर्थ है कि यूनिट सेल के चेहरे पर इसका एक निश्चित परमाणु है, और यूनिट सेल के कोनों पर एक निश्चित परमाणु है। नी-आधारित सुपरऑलॉयज के लिए, इसका मतलब आमतौर पर चेहरों पर नी और कोनों पर टीआई या अल होता है।

एक और अच्छा GCP चरण γ है। यह γ के साथ सुसंगत भी है, लेकिन यह उच्च तापमान पर घुल जाता है।

Superalloy phases[15][16]
Phase Classification Structure Composition(s) Appearance Effect
γ matrix disordered FCC Ni, Co, Fe and other elements in solid solution The background for other precipitates The matrix phase, provides ductility and a structure for precipitates
γ' GCP L12 (ordered FCC) Ni3(Al,Ti) cubes, rounded cubes, spheres, or platelets (depending on lattice mismatch) The main strengthening phase. γ' is coherent with γ, which allows for ductility.
Carbide Carbide FCC mC, m23C6, and m6C (m ⁠= ⁠metal) string-like clumps, like strings of pearls There are many carbides, but they all provide dispersion strengthening and grain boundary stabilization.
γ'' GCP D022 (ordered BCT) Ni3Nb very small disks This precipitate is coherent with γ'. It is the main strengthening phase in IN-718, but γ'' dissolves at high temperatures.
η GCP D024 (ordered HCP) Ni3Ti may form cellular or Widmanstätten patterns The phase is not the worst, but it is not as good as γ'. It can be useful in controlling grain boundaries.
δ not close-packed orthorhombic Ni3Nb acicular (needle-like) The main issue with this phase is that it's not coherent with γ, but it is not inherently weak. It typically forms from decomposing γ'', but sometimes it's intentionally added in small amounts for grain boundary refinement.
σ TCP tetrahedral FeCr, FeCrMo, CrCo elongaged globules This TCP is usually considered to have the worst mechanical properties.[17] It is never desirable for mechanical properties.
μ TCP hexagonal Fe2Nb, Co2Ti, Fe2Ti globules or platelets This phase has typical TCP issues. It is never desirable for mechanical properties.
Laves TCP rhombohedral (Fe,Co)7(Mo,W)6 coarse Widmanstätten platelets This phase has typical TCP issues. It is never desirable for mechanical properties.


सुपरऑलॉयज के परिवार

नी-आधारित सुपरऑलॉयज का इतिहास और विकास

संयुक्त राज्य अमेरिका 1905 के आसपास गैस टर्बाइन के विकास में दिलचस्पी लेने लगा।[1]1910-1915 से, गैस टर्बाइनों में उच्च तापमान 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, जो कार्बाइड और ठोस समाधान को मजबूत बनाने से मजबूत हुई थीं।

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। Cr 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 बहुत महीन दाने और सुपरप्लास्टी प्राप्त कर सकती है।

नी-आधारित सुपरऑलॉय चरण

  • गामा (γ): यह चरण नी-आधारित सुपरऑलॉय के मैट्रिक्स की रचना करता है। यह मिश्र धातु तत्वों का एक ठोस समाधान एफसीसी ऑस्टेनिटिक चरण है।[17][18] 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। इन सामग्रियों के निर्माण के दौरान, जैसे ही नी-मिश्र धातुओं को पिघल से ठंडा किया जाता है, कार्बाइड अवक्षेपित होने लगते हैं, और भी कम तापमान पर γ' चरण अवक्षेपित हो जाता है।[18][19]
  • गामा प्राइम (γ'): इस चरण में मिश्रधातु को मजबूत करने के लिए उपयोग किए जाने वाले वेग का गठन होता है। यह नी पर आधारित एक इंटरमेटेलिक चरण है3(टीआई, अल) जिनके पास आदेशित एफसीसी एल1 है2 संरचना।[17]γ' चरण सुपरऑलॉय के मैट्रिक्स के साथ सुसंगत है जिसमें जाली पैरामीटर होता है जो लगभग 0.5% भिन्न होता है। नी3(Ti,Al) क्यूब चेहरों पर Ni परमाणुओं के साथ आदेशित सिस्टम 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।[18]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।[20]
File:Ni3Nb Body Centered Tetragonal.JPG
γ के लिए क्रिस्टल संरचना (नी3नायब) (बॉडी सेंटर्ड टेट्रागोनल)

* गामा डबल प्राइम (γ ): इस चरण में आमतौर पर नी की संरचना होती है3नायब या नी3V 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 एनएम x 10 एनएम डिस्क के रूप में अवक्षेपित होता है। ये 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 वर्षा को सख्त बनाता है, जो एक साथ आदेश सख्त होने के साथ-साथ प्राथमिक सुदृढ़ीकरण तंत्र को शामिल करता है। γ चरण लगभग 650 डिग्री सेल्सियस से ऊपर अस्थिर है।[20]

  • कार्बाइड चरण: कार्बाइड के निर्माण को आमतौर पर हानिकारक माना जाता है, हालांकि नी-आधारित सुपरऑलॉयज में इनका उपयोग उच्च तापमान पर विरूपण के खिलाफ सामग्री की संरचना को स्थिर करने के लिए किया जाता है। अनाज की सीमा गति को रोकते हुए कार्बाइड अनाज की सीमाओं पर बनते हैं।[17][18]*टोपोलॉजिकली क्लोज़-पैक्ड (टीसीपी) चरण: शब्द फ्रैंक कैस्पर चरण | टीसीपी चरण चरणों के परिवार के किसी भी सदस्य को संदर्भित करता है (σ चरण, χ चरण, μ चरण, और लेव चरण सहित) जो परमाणु रूप से बंद-पैक नहीं होते हैं लेकिन हेक्सागोनल क्लोज-पैक स्टैकिंग के साथ कुछ करीबी पैक वाले विमान होते हैं। . टीसीपी चरणों की उनकी प्रवृत्ति अत्यधिक भंगुर होने और मजबूत बनाने, ठोस समाधान मजबूत करने वाले दुर्दम्य तत्वों (सीआर, सह, डब्ल्यू, और मो सहित) के γ मैट्रिक्स को समाप्त करने की विशेषता है। उच्च तापमान (>750 डिग्री सेल्सियस) पर लंबे समय (हजारों घंटे) के बाद कैनेटीक्स के परिणामस्वरूप ये चरण बनते हैं।[20]


सह-आधारित सुपरऑलॉयज का इतिहास और विकास

ऐतिहासिक रूप से, सह-आधारित सुपरलॉइज़ यांत्रिक गुणों के लिए कार्बाइड अवक्षेपण और ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण पर निर्भर रहे हैं। जबकि ये सुदृढ़ीकरण तंत्र गामा प्राइम (γ') वर्षण सुदृढ़ीकरण से कमतर हैं,[1]कोबाल्ट में वर्तमान में सर्वव्यापी निकल-आधारित सुपर मिश्र धातुओं की तुलना में एक उच्च गलनांक है और इसमें बेहतर गर्म संक्षारण प्रतिरोध और तापीय थकान है। नतीजतन, कार्बाइड-मजबूत सह-आधारित सुपरलोय का उपयोग कम तनाव, उच्च तापमान अनुप्रयोगों जैसे गैस टर्बाइनों में स्थिर वैन में किया जाता है।[21] हालांकि, हाल के शोध से पता चला है कि कोबाल्ट γ' चरण प्रदर्शित कर सकता है। वास्तव में, γ' के अस्तित्व की पहली रिपोर्ट 1971 के पीएचडी शोध प्रबंध में हुई,[9]लेकिन कभी प्रकाशित नहीं हुआ था। γ/γ' माइक्रोस्ट्रक्चर को फिर से खोजा गया और पहली बार 2006 में Sato et al द्वारा प्रकाशित किया गया।[8]वह γ' चरण कंपनी थी3(अल, डब्ल्यू)। यह भी पाया गया कि Mo, Ti, Nb, V, और Ta विभाजन γ' चरण में, जबकि Fe, Mn, और Cr मैट्रिक्स γ में विभाजन।

2015 में मकिनेनी एट अल द्वारा सह-आधारित सुपरलॉइज़ के अगले परिवार की खोज की गई थी। इस परिवार में एक समान γ/γ' माइक्रोस्ट्रक्चर है, लेकिन टंगस्टन मुक्त है और Co का γ' चरण है3(अल, मो, नायब)।[11]चूंकि टंगस्टन एक बहुत भारी तत्व है, टंगस्टन का उन्मूलन सह-आधारित मिश्र धातुओं को विमान के टर्बाइनों में तेजी से व्यवहार्य बनाता है, जहां कम घनत्व विशेष रूप से महत्वपूर्ण होता है।

निशाधम एट अल द्वारा एक उच्च थ्रूपुट अध्ययन में सुपरलॉइज़ के सबसे हाल ही में खोजे गए परिवार की कम्प्यूटेशनल रूप से भविष्यवाणी की गई थी।[22] 2017 में, और रेयेस टिराडो एट अल द्वारा प्रयोगशाला में प्रदर्शित किया गया। 2018 में।[14]यह γ' चरण फिर से टंगस्टन मुक्त है और इसकी रचना Co है3(नायब, वी) और कं3(टा, बी)।

सह-आधारित सुपरअलॉय चरण

  • गामा (γ): नी-आधारित सुपरऑलॉयज की तरह, यह मैट्रिक्स चरण है। जबकि नी-आधारित सुपरऑलॉयज की सीमा तक सह-आधारित सुपरऑलॉयज का व्यावसायिक रूप से उपयोग नहीं किया जाता है, अनुसंधान सह-आधारित एलॉय में पाए जाने वाले मिश्र धातु तत्व सी, सीआर, डब्ल्यू, नी, टीआई, अल, आईआर और टा हैं।[8][23] स्टेनलेस स्टील्स की तरह, क्रोमियम का उपयोग (कभी-कभी 20 wt.% तक) Cr के गठन के माध्यम से ऑक्सीकरण और जंग के प्रतिरोध में सुधार करने के लिए किया जाता है।2O3 निष्क्रिय परत, जो गैस टर्बाइनों में उपयोग के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन Co और Cr की परमाणु त्रिज्या में बेमेल के कारण ठोस-समाधान को मजबूत करती है, और MC-प्रकार के कार्बाइड के निर्माण के कारण वर्षा होती है। [24]
  • गामा प्राइम (γ'): नी-आधारित सुपरऑलॉयज के रूप में, यह चरण मिश्रधातु को मजबूत करने के लिए उपयोग किए जाने वाले अवक्षेपण का निर्माण करता है। यह आमतौर पर L1 के साथ क्लोज-पैक होता है2 कंपनी की संरचना3Ti या FCC Co3टा, हालांकि डब्ल्यू और अल दोनों को इन घनाकार अवक्षेपों में काफी अच्छी तरह से एकीकृत पाया गया है। तत्व टा, एनबी और टीआई γ' चरण में एकीकृत होते हैं और उच्च तापमान पर इसे स्थिर करने में काफी प्रभावी होते हैं। [8][25]
  • कार्बाइड चरण: जैसा कि कार्बाइड के गठन के साथ आम है, कार्बाइड मिश्र धातु को वर्षा के सख्त होने के माध्यम से मजबूत करता है लेकिन कम तापमान की लचीलापन कम करता है।[23]* टोपोलॉजिकली क्लोज़-पैक्ड (टीसीपी) चरण कुछ विकासात्मक सह-आधारित सुपरलॉइज़ में भी दिखाई दे सकते हैं, लेकिन मिश्रधातु को भंगुर कर देते हैं और इस प्रकार अवांछनीय हैं।

फ़े-आधारित सुपरअलॉय चरण

सुपरऑलॉय अनुप्रयोगों में स्टील्स का उपयोग रुचि का है क्योंकि कुछ स्टील मिश्र धातुओं ने नी-आधारित सुपरऑलॉयज के समान रेंगना और ऑक्सीकरण प्रतिरोध दिखाया है, जबकि उत्पादन करने के लिए बहुत कम खर्चीला है।

गामा (γ): नी-आधारित सुपरऑलॉयज में पाए जाने वाले चरणों की तरह, Fe-आधारित मिश्र धातुओं में ऑस्टेनाइट आयरन (FCC) का एक मैट्रिक्स चरण होता है। इन स्टेनलेस स्टील मिश्र धातुओं में आमतौर पर पाए जाने वाले मिश्र धातु तत्वों में शामिल हैं: अल, बी, सी, सह, सीआर, मो, नी, एनबी, सी, टीआई, डब्ल्यू और वाई।[26] जबकि अल को इसके ऑक्सीकरण लाभों के लिए पेश किया गया है, अल परिवर्धन को कम वजन वाले अंशों (wt।%) पर रखा जाना चाहिए क्योंकि अल एक फेरिटिक (बीसीसी) प्राथमिक चरण मैट्रिक्स को स्थिर करता है, जो कि सुपरएलॉय माइक्रोस्ट्रक्चर में एक अवांछनीय चरण है, क्योंकि यह निम्न से कम है। ऑस्टेनिटिक (एफसीसी) प्राथमिक चरण मैट्रिक्स द्वारा प्रदर्शित उच्च तापमान शक्ति।[27] गामा-प्राइम (γ'): मिश्र धातु को मजबूत करने के लिए इस चरण को अवक्षेप के रूप में पेश किया जाता है। नी-आधारित मिश्रधातुओं की तरह, γ'-Ni3Al अवक्षेप को Al, Ni, Nb, और Ti योगों के उचित संतुलन के साथ पेश किया जा सकता है।

=== Fe-आधारित सुपरऑलॉयज === की सूक्ष्म संरचना दो प्रमुख प्रकार के ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स मौजूद हैं और स्टील की सतह पर बनने वाली ऑक्साइड परत की विशेषता है: क्रोमिया बनाने वाला या एल्यूमिना बनाने वाला स्टेनलेस स्टील। क्रोमिया बनाने वाला स्टेनलेस स्टील उत्पादित स्टेनलेस स्टील का सबसे आम प्रकार है। हालांकि, नी-आधारित सुपरऑलॉयज की तुलना में, क्रोमिया बनाने वाले स्टील उच्च ऑपरेटिंग तापमान पर उच्च रेंगना प्रतिरोध प्रदर्शित नहीं करते हैं, विशेष रूप से जल वाष्प वाले वातावरण में। उच्च ऑपरेटिंग तापमान पर जल वाष्प के संपर्क में आने से क्रोमिया बनाने वाली मिश्र धातुओं में आंतरिक ऑक्सीकरण में वृद्धि हो सकती है और वाष्पशील Cr (ऑक्सी) हाइड्रॉक्साइड का तेजी से निर्माण हो सकता है, जो दोनों मिश्र धातु के स्थायित्व और जीवनकाल को कम कर सकते हैं।[27]

एल्यूमिना बनाने वाले ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स में स्टील की सतह पर एल्यूमिना ऑक्साइड के साथ ऑस्टेनाइट आयरन (FCC) का सिंगल-फेज मैट्रिक्स होता है। एल्युमिना क्रोमिया की तुलना में ऑक्सीजन में अधिक थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर है। अधिक सामान्यतः, हालांकि, शक्ति और रेंगने के प्रतिरोध को बढ़ाने के लिए वेग चरणों को पेश किया जाता है। एल्युमिना बनाने वाले स्टील्स में, सुरक्षात्मक एल्यूमिना परत को बनाए रखने के लिए NiAl अवक्षेप को Al जलाशयों के रूप में कार्य करने के लिए पेश किया जाता है। इसके अलावा, Nb और Cr जोड़ NiAl के वेग आयतन अंशों को बढ़ाकर एल्युमिना को बनाने और स्थिर करने में मदद करते हैं।[27]

एल्युमिना बनाने वाले, Fe-बेस सुपरऑलॉय के विकास के लिए अनुसंधान प्रयासों ने एल्युमिना बनाने वाले ऑस्टेनिटिक (AFA) मिश्र धातु के कम से कम 5 ग्रेड दिखाए हैं, हवा में ऑक्सीकरण + 10% जल वाष्प पर अलग-अलग ऑपरेटिंग तापमान के साथ:[28]

  • AFA ग्रेड: (50-60)Fe-(20-25)Ni-(14-15)Cr-(2.5-3.5)Al-(1-3)Nb wt.% आधार
    • हवा में ऑक्सीकरण + 10% जल वाष्प पर 750-800 डिग्री सेल्सियस ऑपरेटिंग तापमान
  • लो निकेल AFA ग्रेड: 63Fe-12Ni-14Cr-2.5Al-0.6Nb-5Mn3Cu wt.% बेस
    • 650 डिग्री सेल्सियस हवा में ऑक्सीकरण पर ऑपरेटिंग तापमान + 10% जल वाष्प
  • हाई परफॉरमेंस AFA ग्रेड: (45-55)Fe-(25-30)Ni-(14-15)Cr(3.5-4.5)Al-(1-3)Nb-(0.02-0.1)Hf/Y wt. % आधार
    • 850-900 डिग्री सेल्सियस हवा में ऑक्सीकरण पर ऑपरेटिंग तापमान + 10% जल वाष्प
  • कास्ट AFA ग्रेड: (35-50)Fe-(25-35)Ni-14Cr-(3.5-4)Al-1Nb wt.% बेस
    • 750-1100 °C हवा में ऑक्सीकरण पर ऑपरेटिंग तापमान + 10% जल वाष्प, Ni wt.% पर निर्भर करता है
  • AFA सुपरअलॉय (40-50)Fe-(30-35)Ni-(14-19)Cr-(2.5-3.5)Al-3Nb
    • 750-850 डिग्री सेल्सियस हवा में ऑक्सीकरण + 10% जल वाष्प पर ऑपरेटिंग तापमान

हवा में ऑक्सीकरण के साथ ऑपरेटिंग तापमान और कोई जल वाष्प अधिक होने की उम्मीद नहीं है। इसके अलावा, एक AFA सुपरऑलॉय ग्रेड को निकेल-आधारित मिश्र धातु UNS N06617 के पास रेंगने की शक्ति प्रदर्शित करने के लिए दिखाया गया था।

सुपरलॉइज़ की सूक्ष्म संरचना

शुद्ध नी में3एल्यूमीनियम के अल चरण परमाणुओं को क्यूबिक सेल के कोने पर रखा जाता है और सबलेटिस ए बनाता है। निकल के परमाणु चेहरे के केंद्रों पर स्थित होते हैं और सबलेटिस बी बनाते हैं। चरण सख्ती से रससमीकरणमितीय नहीं है। एक सबलेटिस में रिक्तियों की अधिकता मौजूद हो सकती है, जो स्टोइकोमेट्री से विचलन की ओर ले जाती है। γ'-चरण के सबलैटिस ए और बी अन्य तत्वों के काफी अनुपात को विलेय कर सकते हैं। मिश्रधातु तत्व γ-चरण में भी घुल जाते हैं। γ'-चरण मिश्र धातु को एक असामान्य तंत्र के माध्यम से कठोर करता है जिसे उपज शक्ति विसंगति कहा जाता है। अव्यवस्थाएं γ'-चरण में अलग हो जाती हैं, जिससे एक क्रिस्टलोग्राफिक दोष | विरोधी चरण सीमा का निर्माण होता है। ऊंचे तापमान पर, एंटी-फेज बाउंड्री (APB) से जुड़ी मुक्त ऊर्जा काफी कम हो जाती है अगर यह किसी विशेष तल पर स्थित हो, जो संयोग से अनुमत स्लिप प्लेन नहीं है। APB क्रॉस-स्लिप्स को सीमित करने वाले आंशिक अव्यवस्थाओं का एक सेट ताकि APB निम्न-ऊर्जा तल पर स्थित हो, और चूंकि यह निम्न-ऊर्जा तल अनुमत स्लिप तल नहीं है, इसलिए पृथक अव्यवस्था अब प्रभावी रूप से बंद है। इस तंत्र द्वारा, γ'-चरण नी की उपज शक्ति3अल वास्तव में तापमान के साथ लगभग 1000 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है, जिससे सुपरअलॉय को उनकी वर्तमान में बेजोड़ उच्च तापमान शक्ति मिलती है।

गैस टर्बाइन इंजनों में ब्लेड अनुप्रयोगों के लिए प्रारंभिक सामग्री चयन में 1940 के दशक में निमोनिक श्रृंखला मिश्र धातु जैसे मिश्र धातु शामिल थे।[3][page needed] शुरुआती निमोनिक श्रृंखला में γ' Ni शामिल था3(Al, Ti) एक γ मैट्रिक्स में वर्षण (रसायन विज्ञान), साथ ही साथ विभिन्न धातु-कार्बन करबैड (जैसे Cr23C6) अनाज की सीमा पर[29] अतिरिक्त अनाज सीमा शक्ति के लिए। 1950 के दशक में वैक्यूम इंडक्शन मेल्टिंग ढलाई तकनीक आने तक टर्बाइन ब्लेड घटक लोहारी कर रहे थे।[3][page needed] इस प्रक्रिया ने सफाई में काफी सुधार किया, दोषों को कम किया और सामग्री की ताकत और तापमान क्षमता में वृद्धि की।

1980 के दशक में आधुनिक सुपरलॉइज़ विकसित किए गए थे। इन मिश्र धातुओं में γ' आयतन अंश को बढ़ाने के लिए पहली पीढ़ी के सुपर मिश्र धातु में एल्यूमीनियम, टाइटेनियम, टैंटलम और नाइओबियम सामग्री को शामिल किया गया। पहली पीढ़ी के सुपर मिश्रधातुओं के उदाहरणों में शामिल हैं: PWA1480, रेने N4 और SRR99। इसके अतिरिक्त, एकल क्रिस्टल, या मोनोक्रिस्टल, ठोसीकरण तकनीकों (देखें ब्रिजमैन-स्टॉकबर्गर तकनीक) के आगमन के साथ γ' अवक्षेप का आयतन अंश लगभग 50-70% तक बढ़ गया, जो कि कास्टिंग से अनाज की सीमाओं को पूरी तरह से समाप्त करने में सक्षम बनाता है। क्योंकि सामग्री में कोई अनाज की सीमा नहीं थी, कार्बाइड अनाज की सीमा को मजबूत करने वाले के रूप में अनावश्यक थे और इस प्रकार समाप्त हो गए थे।[3][page needed] दूसरी और तीसरी पीढ़ी के सुपरअलॉयज ने तापमान क्षमता में वृद्धि के लिए लगभग 3 और 6 वजन प्रतिशत रेनियम पेश किया। रे एक धीमा विसारक है और आमतौर पर γ मैट्रिक्स के लिए विभाजन, प्रसार की दर को कम करता है (और इस तरह उच्च तापमान रेंगना (विरूपण)) और उच्च तापमान प्रदर्शन में सुधार करता है और दूसरी और तीसरी पीढ़ी में 30 डिग्री सेल्सियस और 60 डिग्री सेल्सियस तक सेवा तापमान बढ़ाता है। सुपरलॉइज़, क्रमशः।[30] रे को γ' चरण के राफ्ट के गठन को बढ़ावा देने के लिए भी दिखाया गया है (जैसा कि घनाभ अवक्षेप के विपरीत)। राफ्ट की उपस्थिति विस्थापन क्रीप में क्रीप दर को कम कर सकती है | पावर-लॉ शासन (अव्यवस्था चढ़ाई द्वारा नियंत्रित), लेकिन यदि प्रमुख तंत्र कण कर्तन है तो क्रीप दर को संभावित रूप से बढ़ा सकता है। इसके अलावा, रे भंगुर फ्रैंक कैस्पर चरणों के गठन को बढ़ावा देता है, जिसके कारण Co, W, Mo और विशेष रूप से Cr को कम करने की रणनीति बनाई गई है। नी-आधारित सुपरऑलॉयज की नई पीढ़ियों ने इस कारण से सीआर सामग्री को काफी कम कर दिया है, हालांकि सीआर में कमी से क्षरण में कमी आती है। घटी हुई Cr सामग्री के साथ जंग के नुकसान की भरपाई के लिए अब उन्नत कोटिंग तकनीकों का उपयोग किया जाता है।[20][31] दूसरी पीढ़ी के सुपरलॉइज़ के उदाहरणों में PWA1484, CMSX-4 और रेने N5 शामिल हैं। तीसरी पीढ़ी के मिश्र धातुओं में CMSX-10 और रेने N6 शामिल हैं। चौथी, पांचवीं और यहां तक ​​कि छठी पीढ़ी के सुपरऑलॉयज विकसित किए गए हैं जिनमें दयाता मिलाए गए हैं, जो उन्हें पिछली पीढ़ी के री-कंटेनिंग एलॉयज की तुलना में अधिक महंगा बनाते हैं। टीसीपी चरणों के प्रचार पर आरयू का प्रभाव अच्छी तरह से निर्धारित नहीं है। प