تولید قطعات سوپرآلیاژی 

قطعات سوپرآلیاژی کاربردهای متنوع و وسیعی در صنایع مختلف از جمله ایمپلنت­ها، صنایع زیردریایی، هوافضا و غیره دارند، اما کاربرد عمدة سوپر آلیاژها، در پره­های توربین­های گازی است. این توربین­ها در سه وزارتخانة دفاع، نفت و نیرو دارای اهمیت فوق­العاده­ای می­­­­­­باشند. ساخت پره­های این توربین­ها نیاز به توانایی بالایی از لحاظ تکنولوژی دارد. دکتر سیروس عسگری، عضو هیأت علمی دانشکدة مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی شریف در گفتگوی با شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران (ایتان) دربارة تولید قطعات سوپرآلیاژی و وضعیت کنونی کشور در این زمینه مطالبی را بیان کرد که خلاصه­ای از آن، در زیر آورده شده است: 

روش­های تولید 

قطعات سوپرآلیاژی، به دو روش عمده تولید می­شوند: 

الف) روش ریخته­گری دقیق: این روش، عمدتاً برای تولید پره­های ثابت و متحرک توربین استفاده می­شود. به این دسته از محصولات، "قطعات سوپرآلیاژی ریختگی" (Cast Super alloy) می­گویند. 

ب) روش شکل­دهی: این روش، شامل فرآیندهایی چون فورج و نورد است و محصولات آن از قبیل دیسک، ورق، میلگرد، لوله و مفتول می­باشد. به این گروه از محصولات، "قطعات سوپرآلیاژی کارپذیر" (Wrought Super alloy) گفته می­شود. 

در روش ریخته­گری، مهم­ترین تجهیزات مورد نیاز یک کورة تحت خلاء است، ولی در مورد روش شکل­دهی، معمولاً تجهیزات پیچیده­تر است. البته در حال حاضر امکانات وسیع شکل­دهی در سطح کشور وجود دارد و مشکل اصلی در این بخش، ضعف در دانش فنی است. 

تولید قطعات سوپرآلیاژی به روش ریخته­گری 

برای تولید یک قطعة سوپرآلیاژی به روش ریخته­گری به­خصوص پرة توربین که مهم­ترین قطعه سوپرآلیاژی است، چهار مرحله باید انجام شود: 

1- مهندسی معکوس (جهت تهیة نقشه و مشخصات فنی) 

2- ساخت قالب و ریخته­گری دقیق 

3- ماشین­کاری قطعات ریخته­شده 

4- پوشش­دهی 

این چهار مرحله برای تولید پره، به خصوص "پره­های متحرک" ردیف اول و دوم باید انجام شوند. البته "پره­های ثابت" ممکن است بخش پوشش­دهی را نداشته باشند. همچنین پره­های متحرک در ردیف­های سوم و بالاتر در بعضی موتورها ممکن است از طریق فرایند فورجینگ تولید شده و پوشش نداشته باشند. همچنین برای ایجاد هر صنعت، سه عامل تجهیزات، نیروی انسانی ماهر و دانش فنی، لازم است که با توجه به این سه عامل، می­توان به بررسی وضعیت کشور در مورد مراحل چهارگانة فوق و نیز مشکلات آنها پرداخت: 

1- مهندسی معکوس 

در اینجا منظور از مهندسی معکوس فرایندی است که در آن از تعدادی نمونه موجود، مشخصات فنی و نقشه­های مورد نیاز برای تولید و ساخت نمونه­های مشابه بدست آید. 

این فرایند شامل اندازه­گیری­های ابعادی به وسیله CMM و دستگاه­های مخصوص دیگر و سپس تهیة نقشه می­باشد. تجهیزات لازم، تقریباً در کشور موجود بوده و CMM و نرم­افزارهای مورد نیاز نیز موجود است. نیاز اصلی به نیروی انسانی متخصصی است که توانایی Surface modeling با دقت کافی را داشته باشد. 

مشکلی که در تولید پره­های توربین وجود دارد، این است که پره، محصول نهایی نیست بلکه محصول نهایی "توربین" است و پره­ها باید طوری دقیق ساخته شوند، تا وقتی تعداد زیادی پره در توربین نصب می­شوند شرایط لازم را ایجاد نمایند. ممکن است قطعه تولید شده چیزی شبیه به پره اصلی باشد، اما رعایت تلرانس­های مجاز، بالاخص در نقاط حساس پره، نیازمند تجربه کافی است. تلرانس­های قسمت­های مختلف پره بالاخص در نقاط حساس بر توان خروجی موتور بویژه در موتورهای هوایی تا‌ثیر تعیین­کننده­ای دارد. 

برای حل این مشکلات و تربیت نیروهای ماهر، باید انتقال دانش فنی لازم انجام شود و این دانش فنی باید از شرکت­هایی انتقال یابد که دارای اعتبار بین­المللی در این زمینه هستند. معمولاً شرکت­هایی توانایی این کار را دارند که از اطلاعات OEM بهره­مند ­باشند؛ یعنی با طراحی موتور آشنا بوده و تلرانس­ها را بدانند، حساسیت­ها را بشناسند و با پارامترهایی که باید از نظر ابعادی کنترل شوند، آشنایی داشته باشند.(رجوع شود به: نقد و بررسی روش انتقال تکنولوژی پره‌های توربین) 

با توجه به مطالب بالا شاید این تصور پیش آید که بحث مهندسی معکوس منتفی است، چون نیازمند دانش طراحی و ساخت توربین است. اما باید توجه کرد که در قطعات با حساسیت کم و نیز توربین­هایی که قدرت پایینی دارند، براحتی می­توان مهندسی معکوس را پیاده کرد. برای قطعات بزرگ و حساس و به­خصوص پره­های هوایی این نکات قابل چشم­پوشی نیست و باید با شرکتی که توان کافی را دارا باشد، همکاری شود. فعالیتی که در این بخش در کشور انجام شده روی پره­های کوچک و ساده بوده که در آنها حفره­های خنک­کننده وجود ندارد. 

2- ریخته­گری دقیق 

در ریخته­گری دقیق، ابتدا قالب موم ساخته­شده و سپس قطعات از جنس تزریق شده و پس از مونتاژ روی خوشه مومی پوسته سرامیک ایجاد می­شود. در مرحله بعد موم تبخیر شده و پوستة سرامیکی به­عنوان قالب عمل کرده و ریخته­گری انجام می­گردد. 

برای ساخت قطعات کوچک، دو کورة دوچمبره (Double chamber vim) موجود است. اما برای ساخت قطعات بزرگتر نیاز به کوره­هایی با ظرفیت بالاتر است. در حال حاضر برای ظرفیت­های بالا، در داخل کشور فقط دستگاه تک­چمبره وجود دارد که معمولاً برای تولید شمش به صورت نیمه­صنعتی بکار می­رود. تاکنون چند قطعه به­صورت آزمایشگاهی ریخته­گری شده است. در این راستا چند بازدید انجام شده و امکاناتی نیز وارد شده است ولی این امکانات جهت تولید انبوه جوابگو نیست. 

موضوع حایز اهمیت دیگر این است که در فرایند ریخته­گری پارامترهای بسیاری از جمله پارامترهای محیطی مثل رطوبت، دما و غیره دخیل است که تجهیزات خاصی را جهت کنترل نیاز دارد. در شرکت­های معتبر این پارامترها از طریق سیستم کنترل مرکزی تنظیم می­شوند که باید روی این موارد کار شود. از نظر دانش فنی قلب فرایند ریخته­گری ساخت قالب سرامیکی بویژه برای پره­های نازک و ماهیچه­خور است. 

از نظر نیروی انسانی، در این 10 سال خوب عمل شده است اما از نظر دانش فنی باید روی قطعات مورد نظر با دقت کار شود، چون تولید قطعات به این روش دشواری خاص خود را دارد. 

البته برای تولید قطعات ساده و با ضخامت­های زیاد (توربین­های قدیمی و صنعتی) که از نظر تلرانس­های ابعادی حساسیت کمتری دارند، مشکل چندانی وجود ندارد. اما در مورد قطعات نازک و قطعات ماهیچه­خور و سوراخ­دار پیچیدگی­ها و حساسیت­های خاص وجود دارد. از آنجا که در ریخته­گری دقیق، دانش پایة آن موجود است، در بحث دانش فنی باید بیشتر به نکات پیچیده و ظریف توجه شود. یعنی بعد از این باید برای کسب دانش فنی قطعات نازک، قطعات پیچیده و قطعات بزرگ دارای حساسیت بیشتر، تلاش شود. قطعات پس از ریخته­گری معمولاً باید تحت عملیات HIP قرار گیرند. به دلیل عدم وجود تجهیزات مورد نیاز در حال حاضر قطعات ریختگی در خارج از کشور HIP می­شوند. 

3- ماشین‌کاری 

قطعات سوپرآلیاژی بعد از ریخته­گری باید ماشین­کاری شوند که نقشه­ها و دستورالعمل­های لازم از طریق مهندسی معکوس آماده می­شود. ماشین‌کاری سوپرآلیاژها صنعت مربوط به خود را دارد. سوپرآلیاژها و به­خصوص آنهایی که ریخته­گری می‌شوند، بسیار سخت و محکم می­باشند. در 10 سال گذشته برای تراشکاری‌های ساده، تجهیزات خوبی خریداری شده است و دانش فنی آن در حال تکمیل و توسعه می‌باشد و تقریباً در تراشکاری پرة ریخته شده، مشکلی وجود ندارد. 

اما تکنولوژی بعدی مورد نیاز در این قسمت، تکنولوژی سوراخکاری پره­ها به روش الکتروشیمیایی جهت ایجاد سوراخ­های خنک­کننده هوا روی پره­ها می‌باشد. در این بخش فعلاً دانش فنی و تجهیزات لازم موجود نیست و وزارت نیرو در حال وارد کردن تکنولوژی آن است. در حال حاضر شرکت‌های داخلی برای سوراخکاری قطعات، آنها را به خارج از کشور ارسال می‌کنند. 

4- پوشش‌دهی 

برای پوشش‌دهی در کشور، دو مرکز خوب موجود است. یک مرکز در "صها" است که پوشش‌دهی پره‌های هوایی را انجام می‌دهد و با استانداردهای 30 سال پیش کار می‌کند. مشکل این مرکز، قطع ارتباط با صنعت مادر خود و عدم به­روزکردن استانداردهای خود است. مرکزی نیز در کرج وجود دارد که روی پوشش­دهی پره‌های صنعتی وزارت نیرو مشغول فعالیت است. 

مطلب قابل توجه در اینجا، حرکت به سمت پوشش‌های جدید است. در حال حاضر قطعاتی در داخل کشور وجود دارند که با "پلاسما اسپری" تحت خلاء، پوشش داده می‌شوند. هرچند که تجهیزات آن قبلاً خریداری شده است، ولی به طور متمرکز روی آن کاری صورت نگرفته است، لذا برنامه­ریزی در این زمینه نیز ضروری است. 

وضعیت کنونی کشور در رابطه با تولید توربین گازی 

اقداماتی توسط وزارت­خانه­های نیرو و نفت، جهت تمرکز تولید توربین در حال انجام است. یکی از مشکلات مهم در بحث ساخت و تعمیر توربین­ها، تنوع آنها می­باشد که در نتیجه توجیه اقتصادی از بین می­رود. بنابراین در این وزارت خانه­ها تصمیم گرفته شد که تنوع، پایین آورده شود و انتقال دانش روی موتور­های خاصی انجام گیرد. 

در این رابطه وزارت نیرو برای تولید 30 عدد توربین گازی "زیمنس" که با استفاده از شرکت­های داخلی ساخته خواهد شد، قراردادی با شرکت Ansaldo ایتالیا منعقد کرده است که در این راستا شرکت "توگا" تأسیس شده است. در این قرارداد، تکنولوژی تمامی بخش­های توربین بجز پره­های آن انتقال داده می­شود و اخیراً برای تولید پره­های این توربین­ها با شرکت­های Non-OEM ارتباط برقرار شده است. 

وزارت نفت نیز قراردادی با "Alstom" جهت ساخت 50 دستگاه توربین، برای انتقال دانش فنی به داخل کشور منعقد کرده است که البته در اینجا نیز پره­ها جزء قرارداد نیست. 

در بخش هوایی اطلاعات دقیقی در مورد برنامه کلان ساخت موتورهای توربین گازی در دسترس نیست. اما رشد صنعت پره­های هوایی در کشور نیاز مبرم به برنامه­ریزی کلان و تعیین اهداف درازمدت در این زمینه دارد.