उच्च तापमान मिश्र धातुओं का वर्गीकरण और अनुप्रयोग

उच्च तापमान मिश्र धातु, जिसे गर्मी प्रतिरोधी मिश्र धातु या सुपर मिश्र धातु के रूप में भी जाना जाता है, धातु सामग्री का एक वर्ग है जो उच्च तापमान वातावरण और कुछ तनावों के तहत लंबे समय तक काम करने में सक्षम है। वे उच्च तापमान ऑक्सीकरण और गर्म संक्षारण के साथ-साथ बेहतर उच्च तापमान शक्ति, थकान शक्ति और रेंगने वाली फ्रैक्चर कठोरता के लिए उत्कृष्ट प्रतिरोध प्रदर्शित करते हैं। इन मिश्र धातुओं का उपयोग मुख्य रूप से एयरोस्पेस, ऊर्जा और समुद्री टरबाइन इंजन में किया जाता है।

उच्च तापमान वाली मिश्रधातुओं का वर्गीकरण

1. मैट्रिक्स सामग्री के अनुसार, उन्हें तीन श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: लौह आधारित, निकल आधारित, और कोबाल्ट आधारित।

(1) लौह {{1} आधारित उच्च {{2} तापमान मिश्रधातुओं को ताप प्रतिरोधी मिश्रधातु इस्पात भी कहा जाता है। ऊष्मा प्रतिरोधी मिश्र धातु इस्पात को उनकी सामान्य आवश्यकताओं के अनुसार मार्टेंसाइट, ऑस्टेनाइट, पर्लाइट, फेराइट ऊष्मा प्रतिरोधी इस्पात आदि में विभाजित किया जा सकता है। लौह आधारित उच्च तापमान वाले मिश्र धातुओं का संचालन तापमान अपेक्षाकृत कम (600 ~ 850 डिग्री) होता है, लेकिन उनके मध्यम तापमान वाले यांत्रिक गुण अच्छे होते हैं, जो निकल आधारित मिश्र धातुओं के बराबर या उससे बेहतर होते हैं। इसके अलावा, वे सस्ते होते हैं और गर्म काम के दौरान आसानी से ख़राब हो जाते हैं। इनका उपयोग आम तौर पर कम ऑपरेटिंग तापमान वाले इंजन के हिस्सों, जैसे टरबाइन डिस्क, केसिंग और शाफ्ट में किया जाता है।

(2) निकेल आधारित उच्च तापमान वाले मिश्र धातुओं का परिचालन तापमान सबसे अधिक (लगभग 1000 डिग्री) होता है और इनका व्यापक रूप से विमानन जेट इंजनों और विभिन्न औद्योगिक गैस टर्बाइनों, जैसे टर्बाइन ब्लेड, गाइड वेन, टर्बाइन आदि के सबसे गर्म हिस्सों के निर्माण में उपयोग किया जाता है।

(3) कोबाल्ट पर आधारित उच्च तापमान पर आधारित मिश्र धातुओं में अच्छी कास्टबिलिटी और वेल्डेबिलिटी होती है और इसका उपयोग 700 ~ 1050 डिग्री के उच्च तापमान पर किया जा सकता है। यह मुख्य रूप से कोबाल्ट से बना है, और इसका विशिष्ट प्रतिनिधि K610 है, जिसमें 58% से अधिक कोबाल्ट होता है। कोबाल्ट की ऊंची कीमत और कमी के कारण, इसका उपयोग देश और विदेश में बहुत कम किया जाता है। मौजूदा ब्रांडों में K640, K644, GH188 आदि शामिल हैं।

2. तैयारी प्रक्रिया के अनुसार, इसे विकृत उच्च तापमान मिश्र धातु, कास्ट उच्च तापमान मिश्र धातु और पाउडर उच्च तापमान मिश्र धातु में विभाजित किया जा सकता है।

(1) विकृत उच्च तापमान वाली मिश्रधातुएँ

विकृत उच्च तापमान मिश्र धातु उच्च तापमान मिश्र धातु को संदर्भित करता है जो विभिन्न प्रोफाइल या आंशिक रिक्त स्थान में सिल्लियों के ठंडे और गर्म प्रसंस्करण द्वारा बनाई जाती है, और अंत में गर्म अंतिम भागों में बनाई जाती है। मुख्य बात यह है कि मिश्र धातु पिंड बन सकता है। ढले हुए उच्च तापमान वाले मिश्रधातुओं की तुलना में, विकृत उच्च तापमान वाले मिश्रधातुओं में मिश्रधातु की डिग्री कम होती है। इसलिए, पिघलने बिंदु अधिक है, गर्म काम करने वाले तापमान की ऊपरी सीमा अधिक है, मिश्र धातु पुनर्संरचना तापमान कम है, और गर्म काम करने वाले तापमान की निचली सीमा कम है। इसलिए, विकृत उच्च तापमान वाले मिश्र धातुओं की गर्म कार्य सीमा ढले हुए उच्च तापमान वाले मिश्र धातुओं की तुलना में अधिक व्यापक होती है। विभिन्न मैट्रिक्स तत्वों के अनुसार, विकृत उच्च तापमान मिश्र धातुओं को लौह आधारित विकृत उच्च तापमान मिश्र धातु, निकल आधारित विकृत उच्च तापमान मिश्र धातु, निकल उच्च तापमान आधारित विकृत उच्च तापमान मिश्र धातु और कोबाल्ट उच्च तापमान आधारित विकृत उच्च तापमान मिश्र धातु में विभाजित किया जा सकता है।

(2) उच्च तापमान वाली मिश्रधातुओं की ढलाई

उच्च तापमान वाली मिश्रधातुओं की ढलाई एक ऐसी प्रक्रिया है जो मिश्रधातु की सिल्लियों को पिघलाने के बाद सीधे भागों में ढालती है या प्रत्यक्ष रूप से ठोस हो जाती है। इनका विकास 1940 के दशक में शुरू हुआ। उच्च तापमान वाली मिश्रधातुओं की कास्टिंग अब फोर्जिंग विरूपण प्रदर्शन पर विचार नहीं करती है। जटिल आकार और अबाधित आंतरिक गुहाओं के साथ खोखली पतली दीवार वाले ब्लेड डालने के लिए सटीक कास्टिंग विधियों या दिशात्मक ठोसकरण प्रक्रियाओं का उपयोग किया जा सकता है। इसलिए, कास्ट सुपरअलॉय में तत्वों की कुल मात्रा विकृत सुपरअलॉय की तुलना में काफी अधिक है। ठोस समाधान को मजबूत करने वाले तत्वों में रे और आरयू शामिल हैं, जबकि दुर्दम्य धातु डब्ल्यू की सामग्री बढ़ जाती है (कुछ मिश्र धातुओं में, 10% से अधिक)। वर्षा को मजबूत करने वाले मिश्र धातु तत्वों में अल और टीआई के अलावा एनबी, टा, एचएफ और वी भी शामिल हैं।

कास्ट सुपरअलॉय को ठोसीकरण विधि द्वारा तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: समअक्षीय कास्ट सुपरअलॉय, दिशात्मक रूप से ठोस स्तंभ सुपरअलॉय, और एकल क्रिस्टल सुपरअलॉय। सिंगल-क्रिस्टल सुपरअलॉय, एक नए प्रकार का सुपरअलॉय, दिशात्मक ठोसकरण के माध्यम से सभी अनाज सीमाओं को समाप्त करके बनाया जाता है। धातुएँ अलग-अलग क्रिस्टल से बनी होती हैं, इसलिए इसका नाम सिंगल क्रिस्टल सुपरअलॉय है। अनाज की सीमाएँ धातु के भीतर के क्षेत्र हैं जहाँ विभिन्न विकृतियाँ, दोष और अशुद्धियाँ जमा होती हैं। जबकि क्रिस्टल के भीतर कमरे के तापमान पर मजबूत होते हैं, वे उच्च तापमान पर फिसलने के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं। जब उच्च तापमान पर अनाज की सीमाओं की ताकत कम हो जाती है, तो धातु की ताकत कम हो जाती है। इसलिए, दिशात्मक ठोसकरण के माध्यम से अनाज की सीमाओं को खत्म करने से उत्कृष्ट प्रदर्शन के साथ एकल क्रिस्टल सुपरअलॉय प्राप्त होते हैं। वर्तमान में, लगभग सभी उन्नत इंजन एकल क्रिस्टल मिश्र धातु टरबाइन ब्लेड या गाइड वेन का उपयोग करते हैं।

(3) उच्च तापमान वाली मिश्रधातुओं का चूर्ण

जैसे-जैसे गर्मी प्रतिरोधी मिश्र धातुओं का कार्य तापमान अधिक से अधिक होता जाता है, मिश्र धातुओं में मजबूत करने वाले तत्वों की संख्या बढ़ जाती है, और संरचना अधिक जटिल हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप कुछ मिश्र धातुएं ऐसी होती हैं जिनका उपयोग केवल ढली अवस्था में ही किया जा सकता है और गर्म काम करने से विकृत नहीं किया जा सकता है। इसके अलावा, मिश्रधातु तत्वों में वृद्धि के कारण जमने के बाद निकल आधारित मिश्रधातुओं में गंभीर घटक अलगाव हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप संरचना और प्रदर्शन असमान हो जाता है। उच्च तापमान वाली मिश्रधातुओं के उत्पादन के लिए पाउडर धातुकर्म प्रौद्योगिकी का उपयोग उपरोक्त समस्याओं को हल कर सकता है। क्योंकि पाउडर के कण छोटे होते हैं और पाउडर बनाने के दौरान शीतलन की गति तेज होती है, पृथक्करण समाप्त हो जाता है, और गर्म कार्य गुणों में सुधार होता है। जिस मिश्रधातु को केवल ढाला जा सकता है, उसे उच्च तापमान वाले मिश्रधातु में बदल दिया जाता है, जिसे गर्म किया जा सकता है, और उपज शक्ति और थकान गुणों में सुधार किया जाता है। उच्च तापमान वाली पाउडर मिश्रधातुओं ने उच्च शक्ति वाली मिश्रधातुओं का उत्पादन करने का एक नया तरीका तैयार किया है। उच्च तापमान वाले पाउडर मिश्रधातुओं का उपयोग मुख्य रूप से उच्च तापमान वाले उच्च तापमान वाले टरबाइन डिस्क, टरबाइन शाफ्ट और उन्नत विमान इंजनों के लिए टरबाइन बैफल्स जैसे उच्च तापमान वाले गर्म घटकों का उत्पादन करने के लिए किया जाता है।

उच्च तापमान मिश्र धातुओं के अनुप्रयोग क्षेत्र

1. एयरोस्पेस

(1) दहन कक्ष

दहन कक्ष सभी इंजन घटकों के बीच उच्चतम ऑपरेटिंग तापमान वाला क्षेत्र है। जब दहन कक्ष में गैस का तापमान 1500 डिग्री तक पहुंच जाता है, तो कक्ष की दीवार मिश्र धातु का तापमान 800 डिग्री तक और स्थानीय रूप से 1100 डिग्री तक पहुंच सकता है। हाल के वर्षों में, दहन कक्ष में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश उच्च तापमान वाले मिश्र धातु ठोस समाधान-मजबूत मिश्र धातु हैं। मिश्रधातुओं में बड़ी मात्रा में ठोस घोल मजबूत करने वाले तत्व जैसे W, Mo और Nb होते हैं। उनके पास उच्च तापमान शक्ति और अच्छी फॉर्मिंग और वेल्डिंग गुण हैं। प्रतिनिधि ग्रेड में GH1140, GH3030, GH3039, GH3333, GH3018, GH3022, GH3044, GH3128 और GH3170 शामिल हैं।

(2) गाइड वेन्स

गाइड वेन ऐसे घटक हैं जो दहन कक्ष से निकलने वाली गैस के प्रवाह की दिशा को समायोजित करते हैं। इन्हें गाइड वेन भी कहा जाता है। वे टरबाइन इंजन के उन हिस्सों में से एक हैं जो सबसे बड़े तापीय झटके के अधीन हैं। विशेष रूप से जब दहन कक्ष में दहन असमान होता है या संचालन खराब होता है, तो गाइड वैन अधिक ताप भार के अधीन होते हैं। उन्नत टरबाइन इंजनों के गाइड वेन्स का ऑपरेटिंग तापमान 1100 डिग्री तक पहुँच सकता है। घरेलू गाइड वेन मिश्र धातुओं का ऑपरेटिंग तापमान 1000 ~ 1050 डिग्री तक पहुंच सकता है। प्रतिनिधि उच्च तापमान वाले मिश्र धातु सटीक कास्टिंग मिश्र धातुओं में K214, K233, K406, K417, K403, K409, K408, K423B, आदि शामिल हैं।

(3) टरबाइन ब्लेड

टरबाइन ब्लेड विमान के इंजनों में सबसे गंभीर कार्य परिस्थितियों वाले घटक हैं। कार्य वातावरण का तापमान अधिक है। उच्च तापमान वाली मिश्र धातु सामग्री के विशिष्ट ग्रेड में GH4033, GH4037, GH4143, GH4049, GH4151, GH4118, GH4220 आदि शामिल हैं, जिनका उपयोग 750°950 डिग्री के वातावरण में किया जा सकता है। नए इंजन विकसित करते समय और पुराने मॉडलों को संशोधित करते समय, टरबाइन ब्लेड के निर्माण के लिए उच्च तापमान वाले मिश्र धातुओं का उपयोग किया जाता है। कास्ट मिश्र धातुओं के विशिष्ट ग्रेड में K403, K417, K417G, K418, K403, K405, K4002, आदि शामिल हैं।