
آلیاژهای فرفورژه با دمای بالا بر پایه آهن، دسته ای از مواد فلزی با آهن (Fe) به عنوان عنصر اصلی هستند که برای حفظ استحکام مکانیکی خوب و مقاومت در برابر تخریب (مانند اکسیداسیون) در دماهای بالا، معمولاً در محدوده 540 درجه سانتی گراد تا 760 درجه سانتی گراد (1000 درجه فارنهایت تا 14) مهندسی شده اند. عنوان "فرفورژه" نشان می دهد که آنها توسط فرآیندهای ترمومکانیکی مانند نورد گرم، آهنگری یا اکستروژن شکل می گیرند که ریزساختار آنها را برای ایجاد ترکیب مطلوبی از استحکام، شکل پذیری و قابلیت ساخت اصلاح می کند.
آنها به عنوان یک راه حل مقرون به صرفه و بسیار همه کاره برای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی در دمای بالا عمل می کنند و شکاف عملکردی بین فولادهای ضد زنگ و سوپرآلیاژهای گران قیمت نیکل یا کبالت را پر می کنند.
استحکام خوب در دمای بالا و مقاومت در برابر خزش: آنها در برابر تغییر شکل و کرنش آهسته وابسته به زمان (خزش) تحت بار مکانیکی در دماهای بالا مقاومت می کنند، اگرچه حد دمای بالایی آنها معمولاً کمتر از سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل است.
مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون و خوردگی: یکی از ویژگی های کلیدی آنها توانایی تشکیل یک مقیاس کرومای محافظ و چسبنده (Cr2O3) روی سطح است که به لطف محتوای بالای کروم (معمولاً 12-28٪) است. بسیاری از گریدها همچنین حاوی سیلیکون (Si) و آلومینیوم (Al) هستند تا مقیاسهای پایدارتری را تشکیل دهند.
مقرون به صرفه بودن: بر اساس یک ماتریس آهن، آنها به طور قابل توجهی ارزان تر از جایگزین های مبتنی بر نیکل یا کبالت هستند، و آنها را به ماده انتخابی برای کاربردهای در مقیاس بزرگ یا حساس به هزینه تبدیل می کند.
قابلیت ساخت خوب: ماهیت فرفورژه آنها به این معنی است که می توان آنها را به آسانی با استفاده از روش های صنعتی استاندارد به اجزای پیچیده تبدیل کرد، ماشینکاری و جوش داد.
عملکرد دمای بالا این آلیاژها از طریق چندین مکانیسم هم افزایی به دست می آید:
تقویت محلول جامد: عناصری مانند مولیبدن (Mo)، تنگستن (W) و کروم (Cr) در ماتریس آهن حل میشوند و مانع حرکت نابجایی میشوند و استحکام پایه را فراهم میکنند.
تقویت بارش کاربید: تشکیل کاربیدهای پایدار (به عنوان مثال، M23C6، MC، که در آن M Cr، Mo، Nb است) در مرزهای دانه ها و درون دانه ها به پین کردن نابجایی ها و مرزهای دانه، افزایش استحکام و مقاومت در برابر خزش کمک می کند.
بارش نیترید و کربنیترید: در آلیاژهای خاص، عناصری مانند نیوبیم (Nb) و تیتانیوم (Ti) نیتریدهای ریز یا کربنیتریدها را تشکیل می دهند که باعث تقویت بیشتر بارش می شوند.
پایداری ریزساختاری: ترکیبات آلیاژ برای مقاومت در برابر درشت شدن این فازهای تقویتی و تشکیل ترکیبات بین فلزی مضر در طول قرار گرفتن طولانی مدت در برابر گرما متعادل هستند.
آلیاژهای فرفورژه با دمای بالا بر پایه آهن در صنایع متعددی کار می کنند:
تولید برق:
پره ها و دیسک های توربین در توربین های بخار و مراحل دمای پایین تر توربین های گازی.
لولههای بویلر، لولههای سوپرهیتر و گرمکننده، و مبدلهای حرارتی در نیروگاههای سوخت فسیلی.
خودرو:
محفظه های توربوشارژر (محل توربین ها) که باید در برابر دمای گازهای خروجی مقاومت کنند.
منیفولدهای اگزوز و لوله های پایین.
کوره های صنعتی و عملیات حرارتی:
لوله های تابشی، صدا خفه کن ها، سینی ها و سبدهایی که در کربورسازی، بازپخت و سایر فرآیندهای عملیات حرارتی استفاده می شوند.
پتروشیمی و پالایش:
لوله برای کویل های کوره و لوله کشی برای جریان های فرآیند با دمای بالا در کراکرهای کاتالیزوری و اصلاح کننده ها.
جدول زیر ویژگی های کلیدی را برای یک مرور کلی خلاصه می کند:
| ویژگی | توضیحات | مزیت |
| عنصر پایه | آهن (آهن)، با بالا کروم (کروم) محتوا | پایه ای مقرون به صرفه با مقاومت در برابر اکسیداسیون ذاتی را فراهم می کند. |
| مسیر تولید | پردازش حرارتی مکانیکی (نورد گرم، آهنگری). | نتیجه یک ساختار یکنواخت و ریزدانه با شکل پذیری و چقرمگی خوب است. |
| تقویت کننده های کلیدی | محلول جامد (Mo, W); کاربیدها (Cr، Nb، Mo). | ترکیبی متعادل از استحکام در دمای بالا و پایداری ریزساختاری را فراهم می کند. |
| محدوده دما | عملکرد خوب تا 760 درجه سانتیگراد (1400 درجه فارنهایت). | شکاف عملکرد مهم بین فولادهای ضد زنگ استاندارد و سوپرآلیاژهای نیکل را پر می کند. |
| مزیت کلیدی | تعادل بهینه عملکرد، قابلیت ساخت و هزینه. | اقتصادی ترین راه حل برای تعداد زیادی از چالش های مهندسی در دمای بالا. |
| آلیاژها و انواع رایج | آستنیتی (به عنوان مثال، 304H، 316H، 321H، 347H)؛ فریتیک (به عنوان مثال، 446)؛ بارش-سخت شدنی (به عنوان مثال، A-286، 17-4PH). | انتخاب گسترده ای را برای شرایط مختلف دما، استحکام و خوردگی ارائه می دهد. |
به طور خلاصه، آلیاژهای فرفورژه با دمای بالا بر پایه آهن یک کلاس اساسی و همه کاره از مواد هستند که بخش وسیعی از مهندسی مدرن در دمای بالا را ممکن میسازند. توسعه آنها نشان دهنده بهینه سازی ماهرانه هزینه و عملکرد است و آنها را برای کاربردهایی از خودروهای خانوادگی گرفته تا نیروگاهی که برق آن را تامین می کند ضروری است.