چالش ها و راه حل ها در کاربردهای فولاد با دمای بالا

استفاده از فولاد با دمای بالا در بسیاری از زمینه ها از جمله نیرو و هوا فضا و صنایع خودروسازی بسیار مهم است. اما استفاده از فولاد در چنین شرایطی بدون مشکل نیست که در ادامه به آن پرداخته خواهد شد. این دانشنامه به چالش ها و راه حل ها در کاربردهای فولاد با دمای بالا می‌پردازد، و راه‌حل‌های ممکن را به زبان ساده و غیرمعمول مورد بحث قرار می‌دهد.

آشنایی با کاربردهای فولاد با دمای بالا

توجه ویژه ای به قابلیت دمای بالا و تنش های مکانیکی و حرارتی داده می شود. چنین فولادهایی به طور گسترده در موتورهای توربین و در قطعات مورد استفاده در بویلرها و جاهایی که دمای بالا ایجاد می شود استفاده می شود. سودمندی فولاد در کاربردهای دمای بالا در مهندسی نیرو، ماشین آلات نیروگاهی و سازه بسیار مهم است.

چالش ها در کاربردهای فولاد با دمای بالا

۱. خستگی حرارتی: خستگی حرارتی رایج ترین مشکل در مورد حمایت از ساختارها و اجزای مکانیکی در وسایل نقلیه هوافضا است. ظرفیت فولاد بزرگراه مانند هر فولاد دیگری این است که در معرض دماهای مختلف منبسط و منقبض شود. چنین چرخه نوسانی بارها و بارها منجر به ایجاد ترک و شکست مواد مورد استفاده می شود. این خطر احتمالاً در قطعاتی است که حاوی سیالاتی هستند که تحت دمای بالا منبسط می شوند، می گویند توربین های گاز.

۲. اکسیداسیون: دمای بالاتر فولاد را در برابر اکسیداسیون آسیب پذیرتر می کند، بنابراین به سرعت به عناصر واکنش نشان می دهد. این بدان معنی است که فولاد می تواند به عنوان یک تنظیم برای اعمال اکسیژن عمل کند، که به عبارت دیگر، می توان دید که زنگ می زند و مواد را خراب می کند. اکسیداسیون فولاد را فرسایش می دهد و در نتیجه شک و تردید زیادی در مورد استحکام سازه و طول عمر آن ایجاد می کند.

۳. خزش: دیگر عوامل موثر بر دمای بالا عبارتند از خزش. برای تقسیم بندی آن، انواع کرنش هایی را که در مواد ایجاد می شود، به ویژه فولادی که برای مدت طولانی تحت تنش ثابت هستند، پوشش می دهد. در دماهای بالا حتی تنش کم می تواند باعث ایجاد چنین تغییر شکلی شود که می تواند برای کل قطعه و کارایی آن خطرناک باشد.

۴. خواص مکانیکی: آشکار است که دماهای بالا ممکن است بر ویژگی های مهندسی فولاد تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، فولاد ممکن است استحکام و سفتی خود را کاهش دهد و از این رو تمایل به شکست آسان دارد. این جابجایی می‌تواند به‌ویژه در مناطقی که حیاتی هستند، جایی که عملکرد بالا و قابلیت اطمینان بالا ضروری است، آسیب‌رسان باشد.

راه حل هایی برای چالش های فولاد با دمای بالا

۱.انتخاب مواد: انتخاب مناسب نوع فولاد با دمای بالا در حفاظت از سازه ها و زیرساخت ها بسیار مهم است. به طور کلی مهندسان باید از فولادهای آلیاژی استفاده کنند که شامل کروم، مولیبدن و نیکل است. شایان ذکر است که این افزودنی ها باعث افزایش سطح مقاومت در برابر اکسیداسیون و افزایش استحکام در دمای بالا می شوند. سوپرآلیاژهایی که در کاربردهای پرتنش استفاده می شوند نیز امکان پذیر بوده و قابل دستیابی هستند.

۲. پوشش های محافظ: این یافته ها نشان می دهد که استفاده از پوشش عامل محافظ ممکن است در کاهش اکسیداسیون موثر باشد. برخی از اشکال پوشش شامل موانع حرارتی یا لایه‌های پاشش حرارتی، پوشش‌های سرامیکی است که از تجهیزات در برابر دماهای بالا یا خوردگی محافظت می‌کند. از این پوشش ها برای حفظ فولاد زیرین و در نتیجه افزایش عمر مفید آن استفاده می شود.

۳. بهبود طراحی: خستگی حرارتی و مشکلات خزش ممکن است توسط مهندسان در طراحی قطعات یا سایر عناصر جلوگیری یا کاهش یابد. به عنوان مثال، در جایی که سود بیشتر است، ضخامت های سنگین تر استفاده شده به این معنی است که مواد بیشتری برای مقاومت در برابر تنش ها در دسترس است. علاوه بر این، استفاده از سیستم های خنک کننده می تواند به منظور دستیابی به کنترل حرارتی بهتر و جلوگیری از چرخه حرارتی مشارکت داشته باشد.

۴. تعمیر و نگهداری و بازرسی منظم: این مزیت داشتن یک طرح اصلی است زیرا مشکلات جزئی قبل از تبدیل شدن به مشکلات اصلی از قبل شناخته شده است. بازرسی گودال: بازرسی اولتراسونیک یا ترموگرافی اسکن پیشرونده می‌تواند نشانه‌های اولیه ترک‌ها و سایر علائم اولیه تخریب را که نیاز به تعویض دارند، تشخیص دهد.

۵. آلیاژهای نوآورانه: این تحقیق احتمالاً به ارائه راه حل هایی برای آلیاژهای جدید که مناسب کاربرد در دماهای بالا هستند ادامه خواهد داد. به عنوان مثال، مواد جدیدی که توسط دانشمندان مورد توجه قرار می گیرد شامل کامپوزیت های تیتانیوم و سرامیک است زیرا این مواد در دماهای بالا خواص بهتری نسبت به فولاد معمولی دارند. همه این نوآوری ها ممکن است توسعه سیستم های مساعدتر و قابل اعتمادتر باشد.

نتیجه گیری

فولاد با دمای بالا در کاربردهای متعددی کاربرد دارد، اگرچه آنها عوارض متعددی دارند. جنبه هایی مانند خستگی حرارتی، اکسیداسیون و خزش زمانی که پای اطمینان و ایمنی قطعات در شرایط عملیاتی به میان می آید بسیار مهم هستند. مسائل مربوط به شرایط دمای بالا را می توان با انتخاب مناسب مواد، اعمال پوشش های مناسب و ارتقاء الگوهای طراحی و نگهداری حل کرد تا مهندسی برای مقابله با این مشکلات و در نتیجه استفاده صحیح از فولاد به کار رود. بنابراین موضوع تحقیق و توسعه مداوم برای بهبود قابلیت‌های فولادها در چنین کاربردهای سختی برای بهبود ایمنی و کارایی چنین سیستمی خواهد بود.

منبع: Steel Technology
برای مشاهده دانشنامه‌های بیشتر در زمینه فولاد و آهن آلات کلیک کنید