به گزارش ماین نیوز، سوپرآلیاژها دارای کاربرد ویژه در صنایع استراتژیک مانند صنایع هوایی، نیروگاهی، نفت و پتروشیمی هستند. مقاومت در برابر خراش، سختی بسیار بالا و مقاومت در برابر زنگ زدگی و خوردگی همزمان با نقطه ذوب بالا در این دسته مواد، پیشرفت فناوری‌های جدید در حوزه‌های مختلف ازجمله صنایع هوا- فضا و صنایع با درجه حرارت کاری بسیار بالا را امکانپذیر کرده و باعث انقلابی در صنعت شده‌اند.
در طول ۷۰ سال گذشته فناوری تولید سوپرآلیاژها به دلیل نیاز روزافزون به آلیاژهایی با ترکیب شیمیایی پیچیده‌تر، تمیزتر و از نظر ساختاری همگن‌تر دستخوش تحولات مهمی شده است. از بین فرآیندهای مورد استفاده در تولید شمش‌های سوپرآلیاژی، فرآیند ذوب و ذوب دوباره مهم‌ترین مرحله در تولید مواد اولیه سوپرآلیاژی است. فرآیند ذوب به صورت بنیادی ویژگی‌های قطعات سوپرآلیاژی از قبیل پره‌های ثابت و متحرک، دیسک‌ها و شفت‌ها را کنترل می‌کند. در صورت وجود هر گونه عیب در تولید شمش ریختگی اولیه، قطعاتی که در مراحل بعدی از این شمش ساخته می‌شوند به طورقطع نامرغوب بوده و امکان تصحیح خواص قطعه با کنترل پارامترهای فورجینگ یا عملیات حرارتی بعدی وجود نخواهد داشت. بنابراین بخش قابل‌توجهی از نوآوری‌ها در فناوری تولید سوپرآلیاژها متمرکز بر کنترل بهتر فرآیندهای ذوب بوده‌اند.
نخستین سوپرآلیاژها
در دهه‌های ۳۷و ۴۷میلادی، سوپرآلیاژهای نخستین با اعمال تغییراتی در ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ نزن استنیتی توسعه یافتند و فرآیند ذوب این سوپرآلیاژها به طور عمده در کوره‌های قوس الکتریکی انجام می‌شود. کشف تاثیر شگرف عناصر فعالی مانند تیتانیم و آلومینیوم بر ویژگی‌های سوپرآلیاژها، لزوم ریخته‌گری در خلأ مشخص شد. مهم‌ترین نقش در توسعه صنعتی کوره‌های القایی ذوب در خلأ «VIM» را شرکت‌های جنرال الکتریک، فلزات خاص و «Inco Alloys» در دهه ۵۰میلادی ایفا کردند. این فناوری امروزه نیز به عنوان فناوری اصلی در تولید شمش‌های ریختگی و الکترودهای مورد استفاده در فرآیندهای ذوب دوباره به کار گرفته می‌شود. نیروی محرک برای این تلاش‌ها و سرمایه‌گذاری‌های کلان در دهه ۵۰ میلادی توجه به جنگ جهانی دوم و مسابقه قدرت پس از آن، کسب برتری در نبردهای هوایی به وسیله هواپیماهای جنگی از طریق بهبود عملکرد موتور با استفاده از افزایش دما بوده است.
فناوری موردنیاز سوپرآلیاژها
صنعت توربین جت برای مصارف نظامی و غیرنظامی درحال‌حاضر نیز مهم‌ترین بازارهای مصرف سوپرآلیاژها هستند. با توسعه سوپرآلیاژها و کاربرد گسترده آنها در صنایع مختلف، تعداد قابل‌توجهی از فناوری‌های جدید برای بهبود عملکرد قطعات سوپرآلیاژی به‌ویژه در دهه ۷۰میلادی ابداع شدند و این دوره به عنوان دهه فرآیند در صنعت سوپرآلیاژ شناخته می‌شود. بخش عمده‌ای از این فرآیندها به عنوان فرآیندها تکمیلی پس از ذوب ابداع شدند اما تعدادی نیز روی نحوه تولید دسته‌های مختلف از این مواد استراتژیک متمرکز شدند. از دهه ۸۰ میلادی به بعد پژوهش‌هایی روی افزودن عناصر آلیاژی در فرآیند خلأ و دستیابی به انواع ترکیبات سوپرآلیاژی به منظور کاربرد در زمینه‌های ویژه متمرکز شد و پیشرفت چشمگیری ازلحاظ فناوری ذوب اولیه رخ نداده است. هنوز بخش زیادی مواد اولیه سوپرآلیاژی از طریق فرآیند ذوب اولیه یا ترکیب فرآیند ذوب و عملیات ترمومکانیکی بعدی تولید می‌شوند که تا دهه ۱۷میلادی توسعه یافته بودند.
البته در این فاصله پیشرفت‌های مهمی در کنترل پارامترهای فرآیندهای تولید حاصل شده و کوره‌های ذوب اولیه و ذوب دوباره امروزی امکان کنترل بهتری بر فرآیند را فراهم کرده‌اند. این امر به نوبه خود میزان ضایعات را کاهش داده و بازدهی فرآیند را افزایش می‌دهد. بخش قابل‌توجهی از فناوری‌های توسعه یافته در ۳ دهه اخیر مرتبط با ساخت قطعات سوپرآلیاژی پیچیده‌تر از مواد اولیه و به ویژه فرآیندهای تکمیلی از قبیل پوشش‌دهی قطعات سوپرآلیاژی متمرکز بوده است. فناوری پایه در تمامی فرآیندهای تولید سوپرآلیاژ، فناوری ذوب در خلأ است. ذوب القایی در خلأ در مقیاس صنعتی سابقه چندانی در کشور ندارد ولی تولید پودرهای غیرسوپرآلیاژی در مقیاس نیمه صنعتی سابقه چند ده ساله در کشور دارد در صورت توسعه فرآیند در مقیاس صنعتی، امکان تولید پودرهای سوپرآلیاژی با سایر روش‌های تولید طی یک دوره پژوهش و توسعه امکانپذیر است.
کاربرد سوپرآلیاژها
درحال‌حاضر، کاربرد عمده سوپرآلیاژها در کشور در صنایع مرتبط با توربین‌های گاز است که در دو وزارتخانه نیرو و نفت متمرکز شده، تمامی مواد اولیه سوپرآلیاژی مورد نیاز این صنایع از طریق فرآیندهایVIM، VAR، ESR قابل تولید هستند. همچنین، با توجه به اینکه پس از مواد اولیه، انرژی الکتریک مهم‌ترین سهم در هزینه‌های تولید سوپرآلیاژها را به خود اختصاص می‌دهد، تولید سوپرآلیاژها در کشور منابع انرژی فراوان موجود، در حقیقت حق طبیعی ایران است که متاسفانه تاکنون از آن بهره‌برداری نشد. با در نظر گرفتن نیاز فعلی کشور، افزایش سریع تقاضا با گسترش صنایع مصرف‌کننده و امکان صادرات مواد اولیه سوپرآلیاژی به بازارهای جهانی، ایجاد واحدی با ظرفیت ۳۰۰۰تن ذوب اولیه به روش VIMو ذوب ثانویه به روش‌های ESR و VARتوصیه می‌شود. در مقایسه با سایر صنایع بالادستی، با توجه به ظرفیت‌های پایین و سرمایه‌گذاری اندک مورد نیاز درصنعت سوپرآلیاژ، تامین منابع مالی حتی در شرایط فعلی و محدودیت‌های ارزی موجود، نباید عاملی بازدارنده باشد. برای ایجاد یک واحد تولید سوپرآلیاژ با ظرفیت تولید سالانه ۳۷۷۷تن در کشور، در حدود۳۵تا۴۷میلیون دلار سرمایه‌گذاری مورد نیاز است. با توجه به مزایای استراتژیک و اقتصادی این طرح، منابع مالی موردنیاز می‌تواند از طریق بودجه‌های دولتی، سرمایه‌گذاری بخش خصوصی و تسهیلات بانکی تامین شود.
انتخاب ظرفیت در مقیاس صرفه
تولید جهانی سوپرآلیاژها در سال ۲۰۱۳میلادی در حدود ۳۷۷هزار تن بوده و ایران سهمی در این تولید نداشته است. با توجه به وجود منابع غنی انرژی و زیرساخت‌های مهندسی مورد نیاز کشور از یکسو و وجود بازارهای مصرف داخلی، منطقه‌ای و بین‌المللی برای مواد اولیه سوپرآلیاژی از سوی دیگر، حداقل ۵درصد از سهم تولید جهانی مواد اولیه سوپرآلیاژی معادل ۱۵۰۰تن درسال می‌تواند به طور طبیعی به ایران اختصاص داشته باشد. با توجه به نیاز داخلی به مواد اولیه سوپرآلیاژی، ایجاد ظرفیت اولیه تولید معادل ۳۷۷۷تن در سال منطقی به نظر می‌رسد. استفاده از یک کوره VIM در ظرفیت‌های متفاوت با استفاده از بوته‌ها با حجم‌های مختلف، انعطاف‌پذیری مناسبی را با توجه به تقاضای بازار ایجاد خواهد کرد.
جایگاه پژوهش و توسعه در تولید سوپرآلیاژها
پیچیده‌ترین آلیاژها از نظر ترکیب شیمیایی در میان تمامی گروههای آلیاژی، سوپرآلیاژها هستند. علاوه بر پیچیدگی ترکیب شیمیایی و تعدد عناصر سازنده، نیاز به کنترل عناصر مضر حتی در مقادیر ناچیز نظیر یک قسمت وزنی در میلیون «پی‌پی‌ام» و نیز عیوب ناشی از فرآیند تولید مانند حفره‌های انقباضی و ناهمگنی موضعی، فرآیند تولید سوپرآلیاژها را به یکی از دشوارترین فرآیندهای تولید از نظر فنی تبدیل کرده است. فناوری ذوب در خلأ پیچیدگی‌های بیشتری نسبت به فرآیندهای ذوب در هوا دارد. لزوم کنترل دقیق مواداولیه، انتخاب رژیم خلأ مناسب برای تولید هر یک از آلیاژها و جلوگیری از آلودگی‌های متفاوت، از پیش‌نیازهای مهم در تولید موفق سوپرآلیاژها هستند. با توجه به قیمت بسیار بالای سوپرآلیاژها در مقایسه با سایر گروههای آلیاژی از قبیل فولادها، وجود نرخ ضایعات بالا، اقتصادی بودن فرآیند تولید را غیرممکن می‌کند.
بنابراین کنترل دقیق پارامترهای تولید اجباری است و این بخش بدون انجام پژوهش در مقیاس کوچک قبل از تولید انبوه امکانپذیر نیست. از سوی دیگر، کنترل کیفی محصولات تولیدی نیاز به تکنیک‌های پیشرفته‌تری نسبت به سایر آلیاژها دارد به عنوان مثال تعیین آنالیز شیمیایی در سوپرآلیاژها بسیار پیچیده‌تر از فولادها بوده و نیاز به تجهیزات پیشرفته‌تری دارد همچنین آزمون‌های لازم برای کنترل ویژگی مکانیکی سوپرآلیاژها به ویژه در دمای بالا نیازمند تجهیزات مناسب است علاوه بر این مطالعات ریزساختاری در سوپرآلیاژها بسیار دقیق‌تر بوده و با توجه به اجزای ریزساختاری متعدد در این آلیاژها نیازمند تجربه بالایی است. صنعت سوپرآلیاژ بدون انجام پژوهش‌های گسترده در تمامی حوزه‌ها از قبیل کنترل پارامترهای تولید، آزمایش‌های کنترل کیفی و فرآیندهای تکمیلی مانند عملیات حرارتی نمی‌تواند رشد لازم را داشته باشد. صنعت سوپرآلیاژ در چند دهه اخیر مرهون پژوهش‌های پیوسته با هدف ابداع آلیاژهای جدید و ارتقای کیفی آلیاژهای موجود بوده است.
تاریخچه سوپرآلیاژها نشان می‌دهد که به دلیل نقش گلوگاهی سوپرآلیاژها در صنایع پیشرفته، هرگاه توفیقی در ارتقای کیفی این آلیاژها به‌دست آمد نتایج حاصل شده بلافاصله در ارتقای کیفیت محصولات مورد استفاده قرار گرفته‌اند بنابراین، توسعه بازار مصرف سوپرآلیاژها تابع انجام پژوهش‌ها و توسعه آلیاژهای جدید با قابلیت‌های مورد نیاز صنایع مصرف‌کننده بوده است.
سایر حوزه ها
