ابرالیاژ

ابرآلیاژ. اَبَرآلیاژ (به انگلیسی: Superalloy)، آلیاژی است که از نظر اکسایش و حفظ استحکام در مقابل حرارتِ بیش از یک سومِ نقطهٔ ذوب خود مقاوم باشد. عنصرِ پایهٔ ابرآلیاژها، معمولاً نیکل، کبالت یا آهن-نیکل است.ابرآلیاژ استحکام زیادی در دماهای بالا دارد و در برابر خزش، خوردگی و اکسایش مقاوم است. این مقاومت توسط عناصری نظیر آلومینیم و کروم ایجاد می شود. ساختار کریستالی این آلیاژها معمولاً مکعبی وجه پر (FCC) است.
گاما(γ): این فاز یک محلول جامد با ساختار بلوری مکعبی وجه پر(FCC) از عناصر آلیاژی است. هنگام سرد شدن آلیاژهای نیکل از حالت مذاب، کاربیدها شروع به تشکیل شدن می کنند و در دمای پایینتر فاز گاما ایجاد می شود.
عمدهٔ کاربرد ابرآلیاژها در قسمت های داغ توربین های گاز (پره های توربین و محفظه احتراق) می باشد که دمای گاز در این بخش ها به بیش از ۱۰۰۰ درجه سلسیوس می رسد.
به دلیل استفاده این آلیاژها در دمای بالا، مقاومتشان در برابر تغییر شکل و اکسایش بسیار مهم است. آلیاژهای پایه نیکل در این موارد مصرف می شوند. اَبَرآلیاژی که بیش از ۵۰ درصد وزن آن عنصر نیکل باشد، ابرآلیاژ نیکلی نامیده می شود. این آلیاژها می توانند با افزودن عناصر فلزی و نافلزی دیگری نظیر کروم، آهن، کبالت، مولیبدن، تنگستن، آلومینیم، تیتانیوم، زیرکونیم، ایتریم، وانادیم، کربن و بور گسترش یابند. هرکدام از این عناصر به منظور تقویت مشخصه خاصی از آلیاژ بکار می روند.مقاومت ابرآلیاژها بستگی به کندی حرکت نابجایی(Dislocation)ها در ساختار کریستالی دارد. بدین منظور در آلیاژهای پایه نیکل جدید یک فاز بین فلزی گاماپریم('γ) غالباً به کمک آلومینیم و تیتانیوم ایجاد می شود. جهت بهبود مقاومت در برابر اکسایش آلومینیم، کروم، بور و ایتریم به این آلیاژها افزوده می شود. آلومینیم و کروم با ایجاد یک لایه اکسید از سطح آلیاژ در برابر اکسایش محافظت کرده و بور و ایتریم موجب پخش شدن این لایه در تمام سطح آلیاژ می شوند.با وجوداینکه ابرآلیاژهای پایه نیکل در دماهای بالا عملکردی عالی دارند ولی ابرآلباژهای پایه کبالت به صورت بالقوه مقاومت بالاتری در برابر حرارت و اکسایش نسبت به ابرآلیاژهای پایه نیکل دارند. به همین دلیل استفاده از این آلیاژها در سالیان اخیر به صورت چشمگیری افزایش داشته است اما به دلیل استحکام کمتر در دماهای پایین نسبت به ابرآلیاژهای پایه نیکل کماکان استفاده کمتری دارند. مهم ترین دلیل این امر کمبود پیوند فازهای 'γ است که نقش مهمی در استحکام در دمای بالا دارند. در آلیاژ پایه نیکل یک هم سیمایی(coherency) بین دو فاز وجود دارد که نقش بسزایی در افزایش استحکام در دمای بالا دارد.
در فاز Ni3Al خالص، اتم های آلومینیم در وجوه عمودی کریستال مکعبی قرار دارند و زیر-بعدA را تشکیل می دهند. اتم های نیکل هم در مراکز وجوه قرار گرفته و زیر-بعدB را تشکیل می دهند. زیر بعد A و B از فاز 'γ می توانند مقادیر قابل ملاحظه ای از سایر عناصر را در خود حل کنند. عناصر آلیاژی می توانند به همین شکل در فاز γ حل شوند. فاز 'γ طی یک سازوکار(mechanism) غیرمعمول و غیرعادی به نام تسلیم(Yield strength anomaly) سختی را تعیین می کند. نابجایی ها از مکان خود جدا شده و با ایجاد فواصل زیاد در ساختار، باعث ایجاد ناکاملی بلوری(Crystallographic defect) می شوند؛ بنابراین استنباط می شود که در دمای بالا، انرژی آزاد شده از پیوندهای بین فازی(APB) به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش می یابد اگر این پیوند بر یک صفحه خاص تکیه داشته باشد که اجازه لغزش را دارا نباشد. به محض حرکت نابجایی ها، پیوندهای بین فازی بر صفحات کم انرژی تکیه داده و به دلیل اینکه این صفحات اجازه حرکت ندارند، نابجایی ها به شکل مؤثری قفل شده و اجازه تغییرشکل را نمی دهند. به وسیلهٔ این سازوکار، تنش تسلیم فاز 'γ در Ni3Al تا دمای ۱۰۰۰درجه سانتیگراد افزایش یافته و موجب استحکام فوق العاده ابرآلیاژ در دماهای بالا می شود.