सुपरलॉय

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निकेल सुपरअलॉय जेट इंजन (RB199 ) टर्बाइन ब्लेड

एक सुपरऑलॉय, या उच्च-प्रदर्शन मिश्र धातु, एक मिश्र धातु है, जिसमें इसके गलनांक के उच्च अंश पर काम करने की क्षमता होती है।[1] एक सुपरएलॉय की प्रमुख विशेषताओं में यांत्रिक शक्ति, थर्मल रेंगना (विरूपण) प्रतिरोध, सतह स्थिरता और जंग और ऑक्सीकरण प्रतिरोध सम्मलित होते हैं।

क्रिस्टल संरचना सामान्यतः 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 का 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 अधिकांशतः 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 सामान्यतः 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] इन नी-आधारित सुपरऑलॉयज़ के गुणों को एक निश्चित सीमा तक विभिन्न अन्य तत्वों, सामान्य और असाधारण दोनों के योग के माध्यम से कुछ सीमा तक तैयार किया जा सकता है, जिसमें न केवल धातुओं, बल्कि धातु के रूप-रंग का एक अधातु पदार्थ अधातु भी सम्मलित 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 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 वा गर्मी उपचार को सुदृढ़ीकरण 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,और 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 समाधान मैट्रिक्स को सुदृढ़ीकरण करते हैं और क्रमशः अवक्षेपित होते हैं। ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण के अतिरिक्त, यदि अनाज की सीमाएं सम्मलित हैं, तो कुछ तत्वों को अनाज की सीमा को सुदृढ़ीकरण 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 उत्तम अनाज की सीमा में सामंजस्य और लचीलापन होता है।[5] अनाज की सीमा को सुदृढ़ीकरण करने का एक अन्य रूप C और एक कार्बाइड फॉर्मर, जैसे Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti, या Hf के अतिरिक्त 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 करती 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 समाधान को सुदृढ़ीकरण 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 सुदृढ़ीकरणी प्रदान करते हैं। सिंगल-क्रिस्टल टर्बाइन ब्लेड में यह आवश्यक नहीं है, क्योंकि कोई अधिगोष्ठी की परत नहीं है।
Nb 0-5% Nb से γ'' बन सकता है, कम (700 डिग्री सेल्सियस से नीचे) तापमान पर एक सुदृढ़ीकरण चरण।
Re, W, Hf, Mo, Ta 1-10% उच्‍चतापसह धातु, ठोस समाधान को सुदृढ़ीकरण 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 समाधान को सुदृढ़ीकरण करने के कारण तत्वों को जोड़ना सामान्यतः सहयोगी 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 सामान्यतः यांत्रिक गुणों का लाभ उठाते हैं, लेकिन टीसीपी चरण अधिकांशतः हानिकारक होते हैं जीसीपी चरण सामान्यतः यांत्रिक गुणों के लिए अच्छे होते हैं, लेकिन टीसीपी चरण अधिकांशतः 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 समाधान सुदृढ़ीकरण करने के लिए टीसीपी अवक्षेपित कर सकते हैं। उचित संतुलन टीसीपी से सावधानी 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 सामान्यतः नुकीली प्लेट या सुई जैसी आकारिकी बनाते हैं जो नाभिक दरारें करती हैं

मुख्य जीसीपी चरण γ' है। इस चरण के कारण प्राय: 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 सामान्यतः 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 समाधान 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 असंगत 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 अधिगोष्ठी की परत 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 सामान्यतः γ'' को विघटित करने से बनता है, लेकिन कभी-कभी इसे अधिगोष्ठी की परत शोधन के लिए जानबूझकर छोटी मात्रा में जोड़ा जाता है।
σ टी सी पी चतुष्फलकीय FeCr, FeCrMo, CrCo दीर्घीभूत ग्लोबुलेस इस टीसीपी को सामान्यतः 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। चूंकि 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 समाधान से सुदृढ़ीकरण किया गया था।

चूंकि 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 सुदृढ़ीकरण 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 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 समय, 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 सुदृढ़ीकरण 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 प्राय: 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 सुदृढ़ीकरण करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।[20]
γ के लिए क्रिस्टल संरचना (नी3नायब) (बॉडी सेंटर्ड टेट्रागोनल)

* गामा डबल प्राइम (γ"):यह चरण सामान्यतः Ni3Nb या Ni3V है और इसका उपयोग γ' के सापेक्ष कम तापमान (<650 °C) पर Ni-आधारित सुपरऑलॉयज़ को सुदृढ़ीकरण 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 प्राय: 650 डिग्री सेल्सियस से ऊपर अस्थिर है।[20]

  • कार्बाइड चरण: कार्बाइड का निर्माण सामान्यतः हानिकारक होता है, चूंकि 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 समाधान 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 पश्चात 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। परिणामस्वरूप, कार्बाइड-सुदृढ़ीकरण 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] चूंकि, 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 सम्मलित 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 असंगत होने के कारण ठोस-घोल को सुदृढ़ीकरणी प्रदान करता है, और MC-प्रकार के कार्बाइड के निर्माण के कारण अवक्षेपण को सख्त करता है। [24]
  • गामा प्राइम (γ'): मिश्रधातु को सुदृढ़ीकरण करने के लिए प्रयुक्त अवक्षेप का गठन करता है।यह सामान्यतः Co3Ti या FCC Co3Ta की L12 संरचना के साथ बंद-पैक होता है, चूंकि 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 सुदृढ़ीकरण 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 लाभदायक हैं क्योंकि कुछ कम लागत पर नी-आधारित सुपरऑलॉयज के समान इनमें रेंगना और ऑक्सीकरण प्रतिरोध उपस्थित होता हैं।

गामा (γ): नी-आधारित मिश्र धातुओं में ऑस्टेनाइट आयरन (FCC) का एक मैट्रिक्स चरण होता है। मिश्र धातु तत्वों में सम्मलित हैं: ए अल, बी, सी, सी ओ, सी आर, एम ओ, नी, एन बी, सी, टी आई, डब्ल्यू, और वाई।[26] अल (ऑक्सीकरण लाभ) को कम वजन वाले अंशों (wt.%) पर रखा जाना चाहिए क्योंकि अल फेरिटिक (बीसीसी) प्राथमिक चरण मैट्रिक्स को स्थिर करता है, जो अवांछनीय है, क्योंकि यह एक ऑस्टेनिटिक (एफसीसी) प्राथमिक द्वारा प्रदर्शित उच्च तापमान शक्ति से कम है।[27]

गामा-प्राइम (γ'): मिश्र धातु को सुदृढ़ीकरण करने के लिए इस चरण को अवक्षेप के रूप में पेश किया जाता है। 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 की विशेषता ऑक्साइड परत है जो स्टील की सतह पर बनता है: या तो क्रोमिया बनाने वाला या एल्यूमिना बनाने वाला। सीआर-बनाने वाला स्टेनलेस स्टील सबसे आम प्रकार है। चूंकि, सीआर-फॉर्मिंग स्टील्स उच्च तापमान पर उच्च रेंगना प्रतिरोध प्रदर्शित नहीं करते हैं,विशेष रूप से जल वाष्प वाले वातावरण में। उच्च तापमान पर जल वाष्प के संपर्क में आने से Cr बनाने वाली मिश्र धातुओं में आंतरिक ऑक्सीकरण बढ़ सकता है और वाष्पशील Cr (ऑक्सी) हाइड्रॉक्साइड का तेजी से निर्माण हो सकता है, जो दोनों 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। क्रोमिया की तुलना में एल्युमिना ऑक्सीजन में अधिक ऊष्मागतिकी रूप से स्थिर है। अल-फॉर्मिंग स्टील्स में, सुरक्षात्मक एल्यूमिना परत को बनाए रखने के लिए अल जलाशयों के रूप में कार्य करने के लिए NiAl अवक्षेप पेश किए जाते है। इसके अतिरिक्त, Nb और Cr का जोड़ NiAl के वेग आयतन अंशों को बढ़ाकर Al को बनाने और स्थिर करने में मदद करते हैं।[27]

एल्यूमिना बनाने वाले ऑस्टेनिटिक (एएफए) मिश्र धातुओं के कम से कम 5 ग्रेड, हवा में ऑक्सीकरण + 10% जल वाष्प पर अलग-अलग ऑपरेटिंग तापमान के साथ महसूस किया गया है:[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 पर 750-800 डिग्री सेल्सियस ऑपरेटिंग तापमान + 10% जल वाष्प
  • निम्न निकेल AFA ग्रेड: 63Fe-12Ni-14Cr-2.5Al-0.6Nb-5Mn3Cu wt.% आधार
    • हवा में ऑक्सीकरण पर 650 डिग्री सेल्सियस 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
    • हवा में ऑक्सीकरण पर 850-900 डिग्री सेल्सियस ऑपरेटिंग तापमान + 10% जल वाष्प
  • कास्ट AFA ग्रेड: (35-50)Fe-(25-35)Ni-14Cr-(3.5-4)Al-1Nb wt.% आधार
    • हवा में ऑक्सीकरण पर 750-1100 °C 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
    • हवा में ऑक्सीकरण पर 750-850 डिग्री सेल्सियस ऑपरेटिंग तापमान + 10% जल वाष्प

हवा में ऑक्सीकरण के साथ ऑपरेटिंग तापमान और कोई जल वाष्प अधिक होने की उम्मीद नहीं है। इसके अतिरिक्त, एक AFA सुपरऑलॉय ग्रेड निकेल अलॉय UNS N06617 के पास रेंगने की ताकत प्रदर्शित करता है।

सुपरलॉइज़ की सूक्ष्म संरचना

शुद्ध Ni3Al चरण में अल परमाणुओं को क्यूबिक सेल के कोने पर रखा जाता है और सबलेटिस ए बनाता है। निकल परमाणु फलकों के केन्द्रों पर स्थित होते हैं और उपजालिका B बनाते हैं। चरण सख्ती से रससमीकरणमितीय नहीं है। एक उपजालक में रिक्तियों की अधिकता सम्मलित हो सकती है, जो रससमीकरणमितीय से विचलन की ओर ले जाती है। γ'-चरण के उपजालक ए और बी अन्य तत्वों के काफी अनुपात को विलेय कर सकते हैं। मिश्रधातु तत्व γ-चरण में भी घुल जाते हैं। γ'-चरण उपज शक्ति विसंगति के माध्यम से मिश्र धातु को कठोर करता 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 यदि यह किसी विशेष तल पर स्थित हो, जो संयोग से अनुमत स्लिप तल नहीं है। APB क्रॉस-तल को सीमित करने वाले आंशिक अव्यवस्थाओं का एक सेट जिससे कि 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 Ni3Al की यील्ड शक्ति तापमान के साथ प्राय: 1000 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाती है।

गैस टर्बाइन इंजनों में ब्लेड अनुप्रयोगों के लिए प्रारंभिक सामग्री चयन में 1940 के दशक में निमोनिक श्रृंखला के मिश्र धातु जैसे मिश्र धातु सम्मलित थे।[3]प्रारंभिक निमोनिक श्रृंखला में γ' Ni3(Al,Ti) एक γ मैट्रिक्स में अवक्षेपित होता है, साथ ही अतिरिक्त अधिगोष्ठी की परत शक्ति के लिए करबैड (जैसे Cr23C6) अनाज की सीमाओं पर विभिन्न धातु-कार्बन करबैड (जैसे Cr23C6) सम्मलित होते हैं।[29] 1950 के दशक में वैक्यूम इंडक्शन मेल्टिंग ढलाई तकनीक आने तक टर्बाइन ब्लेड घटकों को लोहारी बना दिया गया था।[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 में वृद्धि हुई। पहली पीढ़ी के सुपर मिश्रधातुओं के उदाहरणों में सम्मलित हैं: PWA1480, रेने N4 और SRR99। इसके अतिरिक्त, γ' अवक्षेप का आयतन अंश मोनोक्रिस्टल ठोसकरण तकनीकों के आगमन के साथ प्राय: 50-70% तक बढ़ गया, जिससे अनाज की सीमाओं को पूरी तरह से समाप्त कर दिया गया। क्योंकि सामग्री में अनाज की कोई सीमा नहीं होती है, कार्बाइड अनाज की सीमा को सुदृढ़ीकरण करने वाले के रूप में अनावश्यक होते हैं और इस प्रकार समाप्त हो जाते हैं।[3]

बढ़ी हुई तापमान क्षमता के लिए दूसरी और तीसरी पीढ़ी के सुपरअलॉय प्राय: 3 और 6 वज़न प्रतिशत रेनियम पेश करते हैं। रे एक धीमा विसारक है और सामान्यतः γ मैट्रिक्स को विभाजित करता है, प्रसार की दर को कम करता है (और इस तरह उच्च तापमान रेंगना (विरूपण)) और उच्च तापमान प्रदर्शन में सुधार करता है और क्रमशः दूसरी और तीसरी पीढ़ी के सुपरलॉइज़ में 30 °C और 60 °C तक तापमान बढ़ाता है।[30] रे γ' चरण के राफ्ट के गठन को बढ़ावा देता है (जैसा कि घनाभ अवक्षेप के विपरीत)। राफ्ट की उपस्थिति पावर-लॉ रेजीमे (अव्यवस्था चढ़ाई द्वारा नियंत्रित) में रेंगने की दर को कम कर सकती है, लेकिन यदि प्रमुख तंत्र कण अपरुपक है तो रेंगने की दर को भी संभावित रूप से बढ़ा सकता है। 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 पश्चात की पीढ़ियों ने इस कारण से सीआर सामग्री को काफी कम कर दिया, चूंकि सीआर में कमी के साथ ऑक्सीकरण प्रतिरोध में कमी आती है। उन्नत कोटिंग तकनीक कम सीआर सामग्री के साथ ऑक्सीकरण प्रतिरोध के नुकसान को ऑफसेट करती है।[20][31] दूसरी पीढ़ी के सुपरलॉइज़ के उदाहरणों में PWA1484, CMSX-4 और रेने N5 सम्मलित हैं। तीसरी पीढ़ी के मिश्र धातुओं में CMSX-10 और रेने N6 सम्मलित हैं। चौथी, पाँचवीं, और छठी पीढ़ी के सुपरऑलॉयज़ में दयाता मिलाए जाते हैं, जो उन्हें पहले के री-कंटेनिंग एलॉयज़ की तुलना में अधिक महंगा बनाते हैं। टीसीपी चरणों के प्रचार पर आरयू का प्रभाव अच्छी तरह से निर्धारित नहीं है। प्रारंभी रिपोर्टों में दावा किया गया था कि आरयू ने मैट्रिक्स में रे के अतिसंतृप्ति को कम कर दिया और इस तरह टीसीपी चरण के गठन की संवेदनशीलता कम हो गई।[32] पश्चात के अध्ययनों ने विपरीत प्रभाव देखा। चेन, एट, अल, ने पाया कि दो मिश्र धातुओं में केवल आरयू सामग्री (यूएसटीबी-एफ 3 और यूएसटीबी-एफ 6) में महत्वपूर्ण रूप से भिन्नता है कि Ru के अतिरिक्त विभाजन अनुपात के साथ-साथ Cr और Re के γ मैट्रिक्स में अतिसंतृप्ति की दोनों में वृद्धि हुई है, और जिससे टीसीपी चरणों के गठन को बढ़ावा मिला।[33]

वर्तमान चलन बहुत महंगे और बहुत भारी तत्वों से बचने का है। एक उदाहरण एग्लिन स्टील है, जो समझौता तापमान सीमा और रासायनिक प्रतिरोध के साथ एक बजट सामग्री है। इसमें रेनियम या रूथेनियम नहीं होता है और इसकी निकेल सामग्री सीमित होती है। निर्माण लागत को कम करने के लिए, इसे रासायनिक रूप से एक करछुल में पिघलाने के लिए डिज़ाइन किया गया था (चूंकि वैक्यूम क्रूसिबल में बेहतर गुणों के साथ)। गर्मी उपचार से पहले पारंपरिक वेल्डिंग और कास्टिंग संभव है। मूल उद्देश्य उच्च-प्रदर्शन, सस्ती बम केसिंग का उत्पादन करना था, लेकिन सामग्री कवच ​​सहित संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए व्यापक रूप से लागू प्रमाणित हुई है।