سوپرآلیاژها (Superalloys) برای موتورهای توربین های گازی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند. آن ها کیفیت فوق العاده ای در دماهای بسیار بالا ومحیط های خشن دارند و از این رو، برای صنایع هوایی و توربین های گازی بسیار مناسب هستند. سه خصوصیت مطلوب از یک سوپرآلیاژ عبارت است از: توانایی ایستادگی در برابر بارگذاری در دماهای کاری نزدیک به نقطه ذوب، مقاومت به آسیب مکانیکی و مقاومت به خوردگی محیطی. آن ها استحکام خود را از طریق استحکام دهی محلول جامد با تشکیل فاز γ یا استحکام دهی با رسوب و تشکیل فاز γ́ یا هر دو به دست می آورند [27]. سوپرآلیاژها در سه گروه پایه آهن-نیکل، نیکل و کبالت طبقه بندی می شوند، اما بیشتر از سوپرآلیاژهای پایه نیکل و کبالت در صنایع هوایی و توربین های زمینی استفاده می شود. در دماهای 760 تا °C 890، از سوپرآلیاژهای پایه نیکل استفاده می شود، در حالی که سوپرآلیاژهای پایه آهن-نیکل برای دماهای کمتر (°C 815-650) مناسب هستند (به مقدار نیکل بستگی دارد) و رسیدن به خصوصیات استحکام کمتر در دماهای پایین تر و بالاتر را دارند. آلیاژهای پایه کبالت استحکام کمتری در دماهای متوسط و پایین تر نسبت به سورپآلیاژهای نیکل دارند که به دلیل عدم تشکیل فاز γ́ است. در قطعات دمای بالا/فشار کم با دوام بالا (مثل پره های توربین های صنعتی) استفاده می شوند.

برای کاربردهای ساختاری دمای بالا، سوپرآلیاژهای پایه نیکل ماده متخب است، اصولا هنگامی که خزش و مقاومت به خستگی ضروری است و خطر آسیب به دلیل اکسیداسیون یا خوردگی شدید باشد، استفاده می شوند. بر اساس تغییرات ریزساختاری یا خواص مورد نیاز، سوپرآلیاژهای پایه نیکل می توانند 10 (گاهی بیشتر) عنصر آلیاژی داشته باشند، آلومینیوم، تیتانیوم و کروم موجب کاهش چگالی و بهبود مقاومت سوپرآلیاژهای پایه نیکل در برابر خوردگی می شود، در حالی که تنگستن، رنیوم و تانتالیوم چگالی و استحکام سوپرآلیاژ را افزایش می دهند.

سوپرآلیاژهای پایه نیکل از طریق محلول جامد و رسوب استحکام دهی می شوند. برای کاربردهای محفظه  سوخت و احتراق در موتورهای توربین گازی، از سوپرآلیاژهای استحکام دهی شده با محلول جامد (مثل هاستلوی X) استفاده می شود، و در عمل، آن ها مقاومت خوبی به خوردگی در دمای بالا ، قابلیت تولید بسیار عالی و جوش پذیری دارند، اما بازده مکانیکی آن ها کم است. مواردی که به استحکام دمای بالا و مقاومت به خوردگی و خزش زیاد نیاز است، مثل پره های متحرک و ثابت توربین گازی، از آلیاژهای رسوب سختی (مثل 738IN و 939IN) ساخته می شوند.

سوپرآلیاژهای پایه نیکل، استحکام دمای بالا خود را از طریق استحکام دهی محلول جامد γ (فاز آستنیتی)، فاز رسوب سختی (Al, Ti)3Ni-γ́ و ذرات کاربید به دست می آورند. فازهای قابل توجهی در آلیاژهای پایه نیکل حضور دارند که عبارت است از:

-زمینه γ (گاما): فاز γ ساختار کریستالی مکعبی سطوح مرکزدار دارد و فاز زمینه سوپرآلیاژهای پایه نیکل است که معمولا شامل درصد زیادی از عناصر محلول جامد مثل کبالت، آهن، کروم، مولیبدن و تنگستن است. همه آلیاژهای پایه نیکل این فاز را به عنوان زمینه دارند.

-فاز γ́ (گاما پرایم): آلومینیوم و/یا تیتانیوم؛ عناصر حل شونده مهم (در مقادیر و خواص متناظر) با غلظت کلی کمتر از %10 وزنی به سوپرآلیاژهای پایه نیکل اضافه می شود تا کسر حجمی زیادی از رسوبات هم سیما (Al, Ti)3Ni-γ́ با ساختار کریستالی مکعبی با زمینه γ تولید شود. فاز γ́ (شکل 1) فاز استحکام بخش دمای بالا اصلی در اغلب سوپرآلیاژهای پایه نیکل است [36]. عناصری که امکان تشکیل γ́ را افزایش می دهند، شامل آلومینیوم، تیتانیوم و تانتالیوم است. ذرات فاز (Al, Ta, Ti)3Ni-γ́ با شبکه فضایی 12L با پارامتر شبکه بسیار نزدیک به زمینه γ  امکان ایجاد هم سیمیایی و رسوب همگن در زمینه γ دارد و سهم قابل توجهی در پایداری در دمای بالا دارد. علاوه بر این، انعطاف پذیری ذاتی γ́ مانع از آن می شود که به عنوان منبع شکست باشد. مورفولوژی رسوبات γ́ به شدت تابع عدم انطباق با زمینه γ است. هیگل گزارش کرده است که γ́ در عدم انطباق %2/0-0  مورفولوژی کرومی، در عدم انطباق %1-5/0 مورفولوژی مکعبی و بالاتر از %25/1 مورفولوژی صفحه ای دارد.

شکل 1: رسوب گذاری فاز γ́ به صورت مکعبی در زمینه  γ.

 

-فاز γ˝ (گاما دابل پرایم): شامل نیکل و نایوبیوم است و سیستم چهاروجی مرکزدار (BCT) با فرمول Nb3Ni دارد. با وجود این که حاوی کرنش عدم انطباق زیاد در حدود %9/2 است، با زمینه γ هم سیمیایی دارد. این فاز برای استحکام بسیار زیاد در دماهای کم تا متوسط بسیار مناسب است، اما در دماهای بالای °C 650 ناپایدار است. اغلب این رسوبات در آلیاژهای نیکل-آهن و آلیاژهای غنی از نایوبیوم شامل مقادیر کم از آلومینیوم و تیتانیوم حضور دارد.

-کاربیدها: کربن (%2/0-05/0 وزنی) با عناصر فعال و دیرگداز ترکیب شده (مثل تیتانیوم و کروم) تا کاربیدهای MC تشکیل شوند، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده، بعد از عملیات حرارتی و سرویس کاربیدهای ضعیف تر مثل 6C23M و C6M در مرزدانه ها تشکیل می شود.

شکل 2: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از رسوبات γ́ و کاربیدهای MC در سوپرآلیاژ ریختگی 738IN.

 

-γ́ مرزدانه ای: عملیات حرارتی و قرارگیری در شرایط سرویس موجب ایجاد یک لایه از γ́ در امتداد مرزدانه ها می شود که به بهبود خواص تنش-گسیختگی کمک زیادی می کند.

 

سایر فازهایی که در برخی سوپرآلیاژها یافت می شود، در شرایط سرویس یا پیرسازی، اما این فازها باید با انتخاب مناسب ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژ جلوگیری شود، به عنوان مثال فازهای μ، σ و لاویز که باعث تردی می شوند و اثرات مخربی بر خواص مکانیکی دارند .