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]एक सुपरएलॉय की प्रमुख विशेषताओं में यांत्रिक शक्ति, थर्मल रेंगना (विरूपण) प्रतिरोध, सतह स्थिरता और जंग और ऑक्सीकरण प्रतिरोध शामिल हैं।

क्रिस्टल संरचना आम तौर पर चेहरा केंद्रित घन (FCC) ऑस्टेनिटिक होती है। इस तरह के मिश्र धातुओं के उदाहरण हैं हास्टेलॉय, 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।

इस तरह के मिश्र धातुओं के लिए प्राथमिक अनुप्रयोग एयरोस्पेस और समुद्री टरबाइन इंजनों में है। रेंगना आमतौर पर गैस टरबाइन ब्लेड में आजीवन सीमित करने वाला कारक है।[2] सुपर मिश्र धातुओं ने बहुत अधिक उच्च तापमान वाली इंजीनियरिंग प्रौद्योगिकी को संभव बनाया है।[1]


रासायनिक विकास

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।[1][3][page needed] 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 , जिरकोनियम, नाइओबियम , रेनीयाम , 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 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 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 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 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।[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।

नी-आधारित सुपरऑलॉय संघटनएँ[1][6][7]
तत्व संघटन सीमा
(भार %) 		उद्देश्य
Ni, Fe, Co 50-70% ये तत्व सुपरऑलॉय के बेस मैट्रिक्स γ चरण का निर्माण करते है। Ni आवश्यक है क्योंकि यह γ' (Ni3Al) भी बनाता है।
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।
Cr 5-20% ऑक्सीकरण और संक्षारण प्रतिरोध के लिए Cr आवश्यक है; यह एक सुरक्षात्मक ऑक्साइड Cr2O3 बनाता है।
Al 0.5-6% Al मुख्य γ' पूर्व है। यह एक सुरक्षात्मक ऑक्साइड Al2O3 भी बनाता है, जो Cr2O3 की तुलना में उच्च तापमान पर ऑक्सीकरण प्रतिरोध प्रदान करता है।
Ti 1-4% Ti से γ'।
C 0.05-0.2% MC और M23C6 (M ⁠= ⁠धातु) कार्बाइड γ' की अनुपस्थिति में सुदृढ़ीकरण चरण हैं।
B,Zr 0-0.1% 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 0-5% Nb से γ'' बन सकता है, कम (700 डिग्री सेल्सियस से नीचे) तापमान पर एक मजबूत चरण।
Re, W, Hf, Mo, Ta 1-10% 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।

सक्रिय अनुसंधान

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।[8] 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।[9] 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।[10]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।[11][12][13][14] 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।

चरण गठन

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 निर्माण क्षेत्र कमजोर हैं क्योंकि वे:[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 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।

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

सुपरलॉय के चरण[15][16]
अवस्था वर्गीकरण संरचना संघटन(s) उपस्थिति प्रभाव
γ आव्यूह अव्यवस्थित

एफ सी सी

Ni, Co, Fe और ठोस विलयन में अन्य तत्व अन्य अवक्षेपों की पृष्ठभूमि मैट्रिक्स चरण, अवक्षेप के लिए लचीलापन और संरचना प्रदान करता है
γ' जी सी पी L12 (व्यवस्थित

एफ सी सी)

Ni3(Al,Ti) क्यूब्स, गोल क्यूब्स, गोले या प्लेटलेट्स (जाली बेमेल के आधार पर) मुख्य सुदृढ़ीकरण चरण। γ' γ के साथ सुसंगत है, जो लचीलेपन की अनुमति देता है।
कार्बाइड कार्बाइड एफ सी सी mC, m23C6, and m6C (m ⁠= ⁠धातु) धागे की तरह गुच्छे, मोतियों की माला की तरह कई कार्बाइड हैं, लेकिन वे सभी फैलाव सुदृढ़ीकरण और अनाज सीमा स्थिरीकरण प्रदान करते हैं।
γ'' जी सी पी D022 (व्यवस्थित बी सी टी) Ni3Nb बहुत छोटी चक्रिका यह अवक्षेप γ' के साथ सुसंगत है। यह IN-718 में मुख्य सुदृढ़ीकरण चरण है, लेकिन γ'' उच्च तापमान पर घुल जाता है।
η जी सी पी D024 (व्यवस्थित

एच सी पी)

Ni3Ti सेलुलर या विडमैनस्टेटन पैटर्न बना सकते हैं चरण सबसे खराब नहीं है, लेकिन यह γ' जितना अच्छा नहीं है। यह अनाज की सीमाओं को नियंत्रित करने में उपयोगी हो सकता है।.
δ निबिड़ संकुलित नहीं विषमलंबाक्ष Ni3Nb एकिकुलर (सुई की तरह) 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'' को विघटित करने से बनता है, लेकिन कभी-कभी इसे अनाज सीमा शोधन के लिए जानबूझकर छोटी मात्रा में जोड़ा जाता है।
σ टी सी पी चतुष्फलकीय FeCr, FeCrMo, CrCo दीर्घीभूत ग्लोबुलेस इस टीसीपी को आमतौर पर सबसे खराब यांत्रिक गुण माना जाता है।[17] यह यांत्रिक गुणों के लिए कभी भी वांछनीय नहीं है।
μ टी सी पी षटकोणीय Fe2Nb, Co2Ti, Fe2Ti ग्लोब्यूल्स या प्लेटलेट्स इस चरण में विशिष्ट टीसीपी मुद्दे हैं। यह यांत्रिक गुणों के लिए कभी भी वांछनीय नहीं है।
लावेस टी सी पी त्रिसमनताक्ष (Fe,Co)7(Mo,W)6 मोटे विडमैनस्टेटन प्लेटलेट्स इस चरण में विशिष्ट टीसीपी मुद्दे हैं। यह यांत्रिक गुणों के लिए कभी भी वांछनीय नहीं है।


सुपरऑलॉयज के परिवार

नी-आधारित सुपरऑलॉयज का इतिहास और विकास

संयुक्त राज्य अमेरिका 1905 के आसपास गैस टर्बाइन के विकास में दिलचस्पी दिखाई।[1]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 से 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 विलयन एफ सी सी 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 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।[18][19]
  • 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।[17]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।[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"):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 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 होने के साथ-साथ प्राथमिक सुदृढ़ीकरण तंत्र हैं। γ" चरण लगभग 650 डिग्री सेल्सियस से ऊपर अस्थिर है।[20]

  • 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।[17][18]
  • 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 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

सह-आधारित सुपरऑलॉयज का इतिहास और विकास

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,[1]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 से खोजा गया और 2006 में सातो एट अल द्वारा प्रकाशित किया गया।[8] वह γ' चरण Co3(Al, W) था। Mo, Ti, Nb, V, और Ta विभाजन γ' चरण में, जबकि Fe, Mn, और Cr मैट्रिक्स γ में विभाजन करते हैं।[9]

2015 में मकिनेनी एट अल द्वारा सह-आधारित सुपरलॉइज़ के अगले परिवार की खोज की गई थी।इस परिवार की समान γ/γ' सूक्ष्म संरचना है, लेकिन टंगस्टन मुक्त है और इसमें Co3(Al,Mo,Nb) का γ' चरण है।[11]चूंकि टंगस्टन एक भारी तत्व है, इसका उन्मूलन सह-आधारित मिश्र धातुओं को विमान के टर्बाइनों में तेजी से व्यवहार्य बनाता है, जहां कम घनत्व विशेष रूप से महत्वपूर्ण होता 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।[21] 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)।


[22] 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। Co's γ/γ' माइक्रोस्ट्रक्चर को फिर से खोजा गया और 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 हाल ही में खोजे गए सुपरऑलॉय परिवार की कम्प्यूटेशनल भविष्यवाणी की गई थी।[21] 2017 में, रेयेस टिराडो एट अल द्वारा 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): यह मैट्रिक्स चरण है। जबकि सह-आधारित सुपरऑलॉय व्यावसायिक रूप से कम उपयोग किए जाते हैं, मिश्रधातु तत्वों में C, Cr, W, Ni, Ti, Al, Ir, और Ta शामिल हैं।[8][23] स्टेनलेस स्टील्स की तरह, क्रोमियम का उपयोग (कभी-कभी 20 wt.% तक) Cr2O निष्क्रिय परत के गठन के माध्यम से ऑक्सीकरण और जंग के प्रतिरोध में सुधार करने के लिए किया जाता है, जो गैस टर्बाइनों में उपयोग के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन Co और Cr की परमाणु त्रिज्या में बेमेल होने के कारण ठोस-घोल को मजबूती प्रदान करता है, और MC-प्रकार के कार्बाइड के निर्माण के कारण अवक्षेपण को सख्त करता है। [24]
  • गामा प्राइम (γ'): मिश्रधातु को मजबूत करने के लिए प्रयुक्त अवक्षेप का गठन करता है।यह आमतौर पर Co3Ti या FCC Co3Ta की L12 संरचना के साथ बंद-पैक होता है, हालांकि W और AI दोनों इन घनाकार अवक्षेपों में एकीकृत होते हैं। तत्व टा, एनबी और टीआई γ' चरण में एकीकृत होते हैं और इसे उच्च तापमान पर स्थिर करते हैं। [8][25]
  • कार्बाइड चरण: कार्बाइड अवक्षेपण द्वारा मिश्र धातु को मजबूत करते हैं, लेकिन कम तापमान की लोच को कम करते हैं।[23]
  • टोपोलॉजिकली क्लोज-पैक्ड (टीसीपी) चरण कुछ सह-आधारित सुपरलॉइज़ में दिखाई दे सकते हैं, लेकिन मिश्रधातु को भंगुर कर देते हैं और इस प्रकार अवांछनीय हैं।

फ़े-आधारित सुपरअलॉय चरण

स्टील सुपरऑलॉयज रुचि के हैं क्योंकि कुछ कम लागत पर नी-आधारित सुपरऑलॉयज के समान इनमें रेंगना और ऑक्सीकरण प्रतिरोध उपस्थित होता हैं। 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