السبائك القائمة على النيكل هي فئة من السبائك التي تمتلك قوة عالية ومقاومة معينة للأكسدة والتآكل عند درجات حرارة عالية تصل إلى 650-1000 درجة مئوية. بناءً على خصائصها الرئيسية، يمكن تقسيم السبائك القائمة على النيكل إلى سبائك قائمة على النيكل مقاومة للحرارة، وسبائك قائمة على النيكل مقاومة للتآكل، وسبائك قائمة على النيكل مقاومة للاهتراء، وسبائك قائمة على النيكل دقيقة، وسبائك قائمة على النيكل ذات ذاكرة الشكل. يتم تصنيف السبائك ذات درجة الحرارة العالية وفقًا لموادها الأساسية إلى سبائك ذات درجة حرارة عالية تعتمد على الحديد، وسبائك ذات درجة حرارة عالية تعتمد على النيكل، وسبائك ذات درجة حرارة عالية تعتمد على الكوبالت. عادة ما يشار ببساطة إلى السبائك ذات درجة الحرارة العالية القائمة على النيكل على أنها سبائك قائمة على النيكل.
الأصل والتطور
بدأ البحث والتطوير للسبائك القائمة على النيكل في أواخر الثلاثينيات. أنتجت المملكة المتحدة لأول مرة Nimonic 75 (Ni-20Cr-0.4Ti) في عام 1941. ولتحسين قوة الزحف، تمت إضافة الألومنيوم، مما أدى إلى إنتاج سبيكة Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al) القائمة على النيكل. كما قامت الولايات المتحدة في منتصف الأربعينيات، والاتحاد السوفييتي في أواخر الأربعينيات، والصين في منتصف الخمسينيات من القرن العشرين، بتطوير سبائك أساسها النيكل على التوالي. يشمل تطوير السبائك القائمة على النيكل جانبين: التحسينات في تكوين السبائك والابتكارات في تكنولوجيا الإنتاج. على سبيل المثال، أدى تطوير تكنولوجيا الصهر الفراغي في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي إلى خلق ظروف لتنقية السبائك القائمة على النيكل والتي تحتوي على نسبة عالية من الألومنيوم والتيتانيوم، مما أدى إلى تحسين قوتها ودرجة حرارة التشغيل بشكل كبير. في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي، أدى ارتفاع درجة حرارة التشغيل لشفرات التوربينات إلى زيادة الطلب على قوة السبائك عند درجة الحرارة العالية. ومع ذلك، فإن القوة العالية جعلت التشوه صعبًا أو حتى مستحيلًا، مما أدى إلى تطوير سلسلة من السبائك ذات قوة جيدة في درجات الحرارة العالية باستخدام تكنولوجيا الصب الدقيقة. في منتصف ستينيات القرن العشرين، تم تحسين أداء السبائك ذات درجة الحرارة المرتفعة المتصلبة اتجاهيًا والسبائك أحادية البلورة، بالإضافة إلى سبائك تعدين المساحيق ذات درجة الحرارة العالية. لتلبية احتياجات توربينات الغاز البحرية والصناعية، منذ ستينيات القرن العشرين، تم تطوير سلسلة من السبائك ذات أساس النيكل العالي الكروم مع مقاومة جيدة للتآكل في درجات الحرارة العالية وهياكل مجهرية مستقرة. من أوائل الأربعينيات إلى أواخر السبعينيات، على مدار 40 عامًا تقريبًا، زادت درجة حرارة تشغيل السبائك القائمة على النيكل من 700 درجة مئوية إلى 1100 درجة مئوية، أي بمتوسط زيادة حوالي 10 درجات مئوية سنويًا. اليوم، درجة حرارة التشغيل للسبائك القائمة على النيكل تتجاوز 1100 درجة مئوية. بدءًا من سبيكة Nimonic 75 البسيطة في البداية وحتى سبيكة MA6000 التي تم تطويرها مؤخرًا، والتي تتميز بقوة شد تبلغ 2220 ميجا باسكال وقوة خضوع تبلغ 192 ميجا باسكال عند 1100 درجة مئوية، تبلغ قوة الزحف عند 1100 درجة مئوية / 137 ميجا باسكال حوالي 1000 ساعة، مما يجعلها مناسبة لشفرات محركات الطائرات.
دور المعادن المختلفة في السبائك القائمة على النيكل
بالنسبة لسبائك محددة قائمة على النيكل، توجد متغيرات عديدة في بيئة معينة، بما في ذلك: التركيز، ودرجة الحرارة، والتهوية، ومعدل تدفق السائل (الغاز)، والشوائب، والتآكل، وظروف عملية التدوير. يمكن أن تؤدي هذه المتغيرات إلى مشاكل تآكل مختلفة. يمكن للنيكل وعناصر صناعة السبائك الأخرى معالجة هذه المشكلات. يحتفظ النيكل المعدني ببنية مكعبة أوستنيتيية مركزية الوجه قبل أن يصل إلى نقطة انصهاره. وهذا يوفر الحرية للانتقال الهش المرن ويقلل بشكل كبير من مشاكل التصنيع الناجمة عن التعايش بين المعادن الأخرى. في التسلسل الكهروكيميائي، يكون النيكل أكثر خاملة من الحديد ولكنه أكثر تفاعلاً من النحاس. لذلك، في البيئات المختزلة، يكون النيكل أكثر مقاومة للتآكل من الحديد ولكنه أقل مقاومة للتآكل من النحاس. إن إضافة الكروم إلى النيكل يمنح السبيكة مقاومة الأكسدة، مما ينتج عنه مجموعة متنوعة من السبائك ذات مقاومة ممتازة للتآكل في بيئات الاختزال والأكسدة. بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك الأخرى القائمة على الحديد، يمكن للسبائك القائمة على النيكل استيعاب مجموعة واسعة من عناصر السبائك في حالة المحلول الصلب مع الحفاظ على الاستقرار المعدني الجيد. تسمح هذه الخصائص بإضافة عناصر صناعة السبائك المختلفة إلى السبائك القائمة على النيكل، مما يتيح تطبيقها على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من البيئات المسببة للتآكل.
تشمل العناصر الشائعة في السبائك القائمة على النيكل ما يلي:
النيكل (Ni): يوفر الاستقرار المعدني، ويحسن الاستقرار الحراري وقابلية اللحام، ويعزز مقاومة تقليل الأحماض والصودا الكاوية، ويحسن مقاومة التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي، خاصة في بيئات الكلوريد والصودا الكاوية.
الكروم (Cr): يحسن مقاومة الأكسدة، ومقاومة الأكسدة في درجات الحرارة العالية، ومقاومة الكبريت، ومقاومة التآكل والشقوق.
الموليبدينوم (Mo): يحسن مقاومة تقليل التآكل الحمضي، ويعزز مقاومة التآكل والشقوق في المحاليل المائية المحتوية على الكلوريد، ويزيد من قوة درجات الحرارة العالية.
الحديد (Fe): يحسن مقاومة الكربنة في درجات الحرارة العالية، ويقلل من تكاليف السبائك، ويتحكم في التمدد الحراري. النحاس (Cu): يحسن المقاومة لتقليل التآكل الحمضي (خاصة حمض الكبريتيك).
