مشخصه یابی، مقاومت به خوردگی، و سختی آلیاژهای نیکل-نیوبیوم ساخته شده از طریق انجماد سریع
Characterization, corrosion resistance and hardness of rapidly solidified Ni–Nb alloys
سوپرآلیاژهای پایه نیکل عموماً در کاربردهای ویژه و پیشرفته به کار می روند، مانند صنعت هوا و فضا، دیسک های توربین های زمینی، نیروگاه های اتمی، و صنعت پتروشیمی. تا کنون، دسته های مختلفی از سوپرآلیاژهای پایه نیکل-کروم-آهن توسعه یافته اند. برای نمونه، اینکونل 718 به عنوان یک آلیاژ رسوب سختی مورد استفاده قرار می گیرد که دارای مولیبدن، نیوبیوم، تیتانیم و آلومینیوم است. در سوی دیگر، آلیاژهای دوتایی یا چندتایی پایه نیکل-نیوبیوم نیز به صورت گسترده برای تشکیل ساختارهای غیرکریستالی (آمورف) بررسی شده اند که یک نمونه از آن، آلیاژ Ni62Nb38 است که آلیاژ تشکیل دهندۀ شیشه است.
شیشه های فلزی حجیم (BMG) پایه نیکل، خواص مکانیکی عالی، پایداری حرارتی بالا، و مقاومت به خوردگی بسیار خوبی دارند. علاوه بر آن، آلیاژهای چند عنصری پایه نیکل، کبالت و آهن که فررومغناطیس هستند و می توان آن ها را آمورف ساخت، زمانی که تحت انجماد سریع قرار می گیرند (برای نمونه از طریق اتمیزه کردن گازی)، می توانند در پودرهای مایکرومتری به حالت شیشه ای برسند؛ یا زمانی که با استفاده از قالب مسی ریخته گری می شوند، در قطعات با ابعاد میلی متری می توان به فاز شیشه ای رسید. فرایندهای مختلفی را می تواند برای تولید شیشه های فلزی به کار برد که نرخ سرمایش آن ها بین هزار تا یک میلیون کلوین در ثانیه است.
سوپرآلیاژهای پایه نیکل که به شرایط مورد نیاز برای تشکیل فاز شیشه ای نمی رسند، معمولا تمایل به تشکیل یک فاز کریستالی با زمینه نیکل fcc دارند که توسط فاز یوتکتیک Ni+Ni3Nb احاطه می شود. ذرات بین فلزی γ″-Ni3Nb با ساختار تتراگونال مرکزپر (bct)، ممکن است با ذرات δ-Ni3Nb اورترومبیک تعادلی و نیز فاز (Fe,Cr)2Nb Laves رقابت کند. برای نمونه، مشاهده شده است که پس از عملیات پیرسازی، δ-Ni3Nb در ازای حذف γ″-Ni3Nb در اینکونل 625 و 718 رشد می کند.
با این وجود که آلیاژهای نیکل-نیوبیوم به صورت گسترده در دهه های گذشته از نظر ترمودینامیک، دیاگرام فازی و عملیات حرارتی، مطالعه شده اند، میکروساختار پس از انجماد و خواص ایجاد شده تحت شرایط غیر تعادلی کماکان در این سیستم آلیاژی به خوبی بررسی نشده است. همچنین نقص مطالعات در زمینه بررسی میکروساختار پس از انجماد سریع وجود دارد. در نتیجه، در پژوهشی که اخیرا منتشر شده است، محققین به بررسی آلیاژهای نیکل-نیوبیوم که از طریق انجماد سریع ساخته شده اند، پرداخته اند و خواص خوردگی و سختی آن ها را بررسی کرده اند. در این پژوهش، آلیاژهای مختلف نیکل-نیوبیوم (با تغییر درصد نیکل بین 10 تا 57 درصد وزنی) از طریق انجماد سریع با استفاده از ریخته گری در قالب های مسی، ساخته شده اند. مشخص شد که آلیاژهای ساخته شده دو تا واکنش یوتکتیکی داشته اند (E1 در 22.5 درصد وزنی نیوبیوم و E2 در 52 درصد وزنی نیوبیوم) و سه فاز بین فلزی Ni3Nb، Ni6Nb7، و Ni8Nb نیز تشکیل شدد. میکروساختار گروه E1 این آلیاژها (با 10، 15، و 20 درصد وزنی نیوبیوم) از زمینه سلولی/دندریتی نیکل FCC تشکیل شده بود که توسط یوتکتیک Ni-Ni3Nb احاطه شده بود. در مقابل، نمونه های دارای درصد بالای نیوبیوم (40، 45، 52 و 57 درصد وزنی نیوبیوم) مورفولوژی صفحه مانند داشتند که دارای فازهای Nbi3Nb یا Ni6Nb7 نیز بودند. محدوده پسیو در آلیاژ Ni-20%Nb یا سایر آلیاژها با میزان بیشتر نیوبیوم، حداقل دو برابر بیشتر از سوپرآلیاژ پایه نیکل تجاری 625 بود. در آلیاژهای دارای بیش از 30 درصد وزنی نیوبیوم، یک ناحیه پسیو پایدار تشکیل شد و خوردگی حفره ای در آن مشاهده نشد. همچنین افزایش 5 برابری میزان نیوبیوم در این آلیاژها، موجب افزایش پنج برابری سختی شد، اما موجب کاهش پتانسیل خوردگی به میزان 50% نیز شد. برای نمونه، آلیاژ Ni-40%Nb به سختی 572 HV، پتانسیل خوردگی -373 mV رسید که می تواند به عنوان پوشش نیز به کار رود.
