سبيكة فائقة

السبيكة الفائقة ، والتي تُسمى أحيانًا السبيكة الفائقة المقاومة للحرارة ( HRSA ) أو السبيكة عالية الأداء ، هي سبيكة قادرة على العمل عند نسبة عالية من درجة انصهارها . ^{[ 1 ]} تشمل الخصائص الرئيسية للسبيكة الفائقة القوة الميكانيكية ، ومقاومة التشوه الناتج عن الزحف الحراري ، واستقرار السطح، ومقاومة التآكل والأكسدة .

عادةً ما يكون التركيب البلوري مكعبًا مركزيًا للوجوه (FCC) أوستنيتيًا . ومن أمثلة هذه السبائك: هاستيلوي ، وإنكونيل ، وواسبالوي ، وسبائك رينيه ، وإنكولوي ، وMP98T، وسبائك TMS، وسبائك CMSX أحادية البلورة. وتُصنّف هذه السبائك عمومًا إلى ثلاث مجموعات: سبائك أساسها النيكل ، وسبائك أساسها الكوبالت ، وسبائك أساسها الحديد .

يعتمد تطوير السبائك الفائقة على الابتكارات الكيميائية والتصنيعية. تكتسب هذه السبائك قوة عالية عند درجات الحرارة المرتفعة من خلال تقوية المحلول الصلب وتقوية الترسيب الناتج عن رواسب الطور الثانوي مثل جاما برايم والكربيدات . وتُوفر عناصر مثل الألومنيوم والكروم مقاومة الأكسدة والتآكل . غالبًا ما تُصب السبائك الفائقة كبلورة أحادية للتخلص من حدود الحبيبات ، مما يُضحي بالقوة عند درجات الحرارة المنخفضة مقابل زيادة مقاومة الزحف الحراري.

يُستخدم هذا النوع من السبائك بشكل أساسي في محركات التوربينات الفضائية والبحرية . ويُعدّ الزحف عادةً العامل المحدد لعمر شفرات التوربينات الغازية. ^{[ 2 ]}

فتحت السبائك الفائقة آفاقاً جديدة في مجال الهندسة ذات درجات الحرارة العالية جداً. ^{[ 1 ]}

نظرًا لأن هذه السبائك مصممة للاستخدام في درجات حرارة عالية، فإن مقاومتها للزحف والأكسدة تُعدّ ذات أهمية قصوى. تُعتبر السبائك الفائقة القائمة على النيكل (Ni) الخيار الأمثل لهذه التطبيقات نظرًا لخصائصها الفريدة من نوعها، وتحديدًا رواسب γ'. ^{[ 1 ] [ 3 ]} يمكن تعديل خصائص هذه السبائك الفائقة إلى حدٍ ما من خلال إضافة عناصر أخرى متنوعة، شائعة أو نادرة، تشمل المعادن وأشباه المعادن واللافلزات ؛ ومن أمثلة هذه العناصر: الكروم ، والحديد ، والكوبالت ، والموليبدينوم ، والتنغستن ، والتنتالوم ، والألومنيوم ، والتيتانيوم ، والزركونيوم ، والنيوبيوم ، والرينيوم ، والإتريوم ، والفاناديوم ، والكربون ، والبورون ، والهافنيوم . لكل إضافة غرض محدد في تحسين الخصائص.

تعتمد مقاومة الزحف، جزئيًا، على إبطاء حركة الانخلاعات داخل البنية البلورية. في السبائك الفائقة الحديثة القائمة على النيكل، تعمل مرحلة γ'- _Ni3 (Al,Ti) كحاجز أمام الانخلاعات. ولهذا السبب، فإن وجود هذه المرحلة البينية γ' بنسب حجمية عالية يزيد من قوة هذه السبائك نظرًا لطبيعتها المنتظمة وتماسكها العالي مع مصفوفة γ. وتعزز الإضافات الكيميائية للألمنيوم والتيتانيوم تكوين مرحلة γ ' . ويمكن التحكم بدقة في حجم مرحلة γ' من خلال معالجات حرارية دقيقة لتقوية الترسيب. تُنتج العديد من السبائك الفائقة باستخدام معالجة حرارية ثنائية الطور تُنتج تشتتًا لجزيئات γ' مكعبة الشكل تُعرف بالمرحلة الأولية ، مع تشتت دقيق بينها يُعرف باسم γ' الثانوي. ولتحسين مقاومة الأكسدة لهذه السبائك، تُضاف عناصر الألومنيوم والكروم والبورون والإيتريوم . يشكل الألومنيوم والكروم طبقات أكسيد تعمل على تخميل السطح وحماية السبيكة الفائقة من المزيد من الأكسدة، بينما يُستخدم البورون والإيتريوم لتحسين التصاق طبقة الأكسيد هذه بالركيزة. [ 4 ^{] تتوزع عناصر} الكروم والحديد والكوبالت والموليبدينوم والرينيوم بشكل تفضيلي في مصفوفة γ، بينما تتوزع عناصر الألومنيوم والتيتانيوم والنيوبيوم والتنتالوم والفاناديوم بشكل تفضيلي في رواسب γ ' ، ويعمل المحلول الصلب على تقوية المصفوفة والرواسب على التوالي. بالإضافة إلى تقوية المحلول الصلب ، في حال وجود حدود حبيبية، تُختار عناصر معينة لتقوية هذه الحدود. يميل البورون والزركونيوم إلى التجمع عند حدود الحبيبات، مما يقلل من طاقة هذه الحدود ويؤدي إلى تحسين تماسكها وليونتها . ^{[ 5 ]} يتم تحقيق شكل آخر من أشكال تقوية حدود الحبيبات من خلال إضافة الكربون ومكون الكربيد، مثل الكروم ، والموليبدينوم ، والتنغستن ، والنيوبيوم ، والتنتالوم ، والتيتانيوم ، أو الهافنيوم ، مما يؤدي إلى ترسيب الكربيدات عند حدود الحبيبات وبالتالي تقليل انزلاق حدود الحبيبات.

في طور Ni3Al النقي، تتوضع ذرات الألومنيوم _عند رؤوس الخلية المكعبة لتشكل الشبكة الفرعية A. أما ذرات النيكل فتتوضع في مراكز الأوجه لتشكل الشبكة الفرعية B. لا يتبع هذا الطور التركيب الكيميائي المتكافئ تمامًا ، إذ قد يوجد فائض من الفراغات في إحدى الشبكتين الفرعيتين، مما يؤدي إلى انحرافات عن التركيب الكيميائي المتكافئ. يمكن للشبكتين الفرعيتين A وB من طور γ' أن تحتويا على نسبة كبيرة من العناصر الأخرى. تذوب عناصر السبائك في طور γ. يعمل طور γ' على تقوية السبيكة من خلال شذوذ مقاومة الخضوع . تتفكك الانخلاعات في طور γ'، مما يؤدي إلى تكوين حد فاصل مضاد للطور .

على سبيل المثال، لنفترض وجود خلع ذي متجه برجر من${\displaystyle {\frac {a}{2}}\left[1{\bar {1}}0\right]}$السفر على طول${\displaystyle \left\{111\right\}}$يكون مستوى الانزلاق في البداية في الطور γ، حيث يكون انخلاعًا مثاليًا في بنية FCC. ولأن الطور γ' مكعب بدائي بدلًا من FCC بسبب استبدال الألومنيوم في رؤوس الخلية الأولية، فإن متجه برجر المثالي على طول هذا الاتجاه في γ' يساوي ضعف نظيره في γ.${\displaystyle {\frac {a}{2}}\left[1{\bar {1}}0\right]}$لكي يدخل الانخلاع طور γ'، سيتعين عليه إنشاء حد فاصل عالي الطاقة مضاد للطور ، الأمر الذي سيحتاج إلى انخلاع آخر مماثل على طول المستوى لاستعادة الترتيب (حيث أن مجموع الانخلاعين سيكون مثاليًا).${\displaystyle a\left[1{\bar {1}}0\right]}$(متجه البرغر). ^{[ 25 ]}

لذا، يُعدّ دخول الانخلاع إلى طور γ' مكلفًا للغاية من الناحية الطاقية، إلا إذا كان هناك انخلاعان متجاوران على نفس المستوى. ^{[ 26 ]} ومع ذلك، فإن قوة بيتش-كوهلر بين الانخلاعات المتطابقة على نفس المستوى تنافرية، ^{[ 27 ]} مما يجعل هذا التكوين أقل تفضيلًا. إحدى الآليات المحتملة تتضمن تثبيت أحد الانخلاعات على طور γ'، بينما ينزلق الانخلاع الآخر في طور γ من مستوى آخر ليقترب من الانخلاع المثبت، مما يسمح لزوج الانخلاعات بالاندفاع إلى طور γ'. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

علاوة على ذلك، فإن متجه البرغر${\displaystyle {\frac {a}{2}}\left\langle 110\right\rangle }$من المرجح أن تتحلل عائلة الانخلاعات إلى انخلاعات جزئية في هذه السبيكة نظرًا لانخفاض طاقة خطأ التراص فيها ، مثل الانخلاعات ذات متجه برجر.${\displaystyle {\frac {a}{6}}\left\langle 211\right\rangle }$عائلة ( انخلاعات شوكلي الجزئية ). ^{[ 25 ] [ 29 ]} يمكن أن تشكل عيوب التراص بين هذه الانخلاعات الجزئية عائقًا إضافيًا أمام حركة الانخلاعات الأخرى، مما يزيد من قوة المادة. كما توجد أنظمة انزلاق أخرى يمكن أن تشارك بالإضافة إلى${\displaystyle \left\{111\right\}}$مستوى الانزلاق و${\displaystyle \left\langle 110\right\rangle }$اتجاه الانزلاق. ^{[ 30 ]}

عند درجات الحرارة المرتفعة، تنخفض الطاقة الحرة المرتبطة بحدود الطور المضاد (APB) بشكل ملحوظ إذا كانت تقع على مستوى معين، وهو بالمصادفة ليس مستوى انزلاق مسموحًا به. تنزلق مجموعة من الانخلاعات الجزئية المحيطة بحدود الطور المضاد انزلاقًا عرضيًا بحيث تقع حدود الطور المضاد على مستوى منخفض الطاقة، ولأن هذا المستوى منخفض الطاقة ليس مستوى انزلاق مسموحًا به، فإن الانخلاع المنفصل يُقفل فعليًا. وبهذه الآلية، تزداد مقاومة الخضوع لطور γ' من Ni3Al _مع ارتفاع درجة الحرارة حتى حوالي 1000  درجة مئوية.

شملت الخيارات الأولية للمواد المستخدمة في صناعة شفرات محركات التوربينات الغازية سبائك مثل سبائك سلسلة نيمونيك في أربعينيات القرن العشرين. ^{[ 3 ]} احتوت سلسلة نيمونيك المبكرة على رواسب γ' Ni3 ₍ Al,Ti) في مصفوفة γ، بالإضافة إلى كربيدات مختلفة من المعادن والكربون (مثل _Cr23C6 ⁾ عند حدود الحبيبات ^[ ₃₁ ^] لزيادة قوة حدود الحبيبات. كانت مكونات شفرات التوربينات تُصنع بالحدادة حتى ظهور تقنيات الصب بالحث الفراغي في خمسينيات القرن العشرين. ^{[ 3 ]} حسّنت هذه العملية بشكل ملحوظ من نظافة المنتج، وقللت من العيوب ، وزادت من قوته وقدرته على تحمل درجات الحرارة العالية.

طُوّرت السبائك الفائقة الحديثة في ثمانينيات القرن العشرين. احتوت سبائك الجيل الأول على نسب أعلى من الألومنيوم والتيتانيوم والتنتالوم والنيوبيوم لزيادة نسبة حجم طور γ'. ومن الأمثلة على ذلك: PWA1480 وRené N4 وSRR99. بالإضافة إلى ذلك، ارتفعت نسبة حجم رواسب γ' إلى حوالي 50-70% مع ظهور تقنيات التصلب أحادي البلورة التي تُتيح إزالة حدود الحبيبات تمامًا. ولأن المادة لا تحتوي على حدود حبيبات، فإن الكربيدات غير ضرورية لتقوية حدود الحبيبات، وبالتالي تم الاستغناء عنها. ^{[ 3 ]}

تُضاف نسبة 3% و6% وزناً من الرينيوم إلى السبائك الفائقة من الجيلين الثاني والثالث ، لزيادة قدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية. يتميز الرينيوم ببطء انتشاره، وعادةً ما يُقسّم مصفوفة γ، مما يُقلل من معدل الانتشار (وبالتالي الزحف عند درجات الحرارة العالية )، ويُحسّن الأداء عند درجات الحرارة العالية، ويرفع درجات حرارة التشغيل بمقدار 30  درجة مئوية و60  درجة مئوية في السبائك الفائقة من الجيلين الثاني والثالث على التوالي. ^{[ 32 ]} يُعزز الرينيوم تكوين طبقات من طور γ' (بدلاً من الرواسب المكعبة). يُمكن أن يُقلل وجود هذه الطبقات من معدل الزحف في نظام قانون القوة (الذي يتحكم فيه صعود الخلع)، ولكنه قد يزيد أيضاً من معدل الزحف إذا كانت الآلية السائدة هي قص الجسيمات. يميل الرينيوم إلى تعزيز تكوين أطوار TCP الهشة ، مما أدى إلى استراتيجية تقليل الكوبالت والتنغستن والموليبدينوم، وخاصة الكروم. وقد قللت الأجيال اللاحقة من السبائك الفائقة القائمة على النيكل محتوى الكروم بشكل كبير لهذا السبب، إلا أن انخفاض الكروم يُصاحبه انخفاض في مقاومة الأكسدة . تعمل تقنيات الطلاء المتقدمة على تعويض فقدان مقاومة الأكسدة المصاحب لانخفاض محتوى الكروم. ^{[ 13 ] [ 33 ]} ومن أمثلة السبائك الفائقة من الجيل الثاني: PWA1484 وCMSX-4 وRené N5.

تشمل سبائك الجيل الثالث CMSX-10 وRené N6. أما سبائك الجيل الرابع والخامس والسادس الفائقة، فتتضمن إضافات من الروثينيوم ، مما يجعلها أغلى ثمناً من سبائك الرينيوم السابقة. لم يُحدد تأثير الروثينيوم على تعزيز أطوار TCP بشكل دقيق. أشارت تقارير مبكرة إلى أن الروثينيوم يُقلل من فرط تشبع الرينيوم في المادة الأساسية، وبالتالي يُقلل من قابلية تكوين طور TCP. ^{[ 34 ]} لكن دراسات لاحقة لاحظت تأثيراً معاكساً. فقد وجد تشن وزملاؤه أنه في سبيكتين تختلفان اختلافاً كبيراً فقط في محتوى الروثينيوم (USTB-F3 وUSTB-F6)، أدت إضافة الروثينيوم إلى زيادة كل من نسبة التوزيع وفرط التشبع في مصفوفة γ للكروم والرينيوم، وبالتالي عززت تكوين أطوار TCP. ^{[ 35 ]}

يتجه التوجه الحالي نحو تجنب العناصر باهظة الثمن والثقيلة جدًا. ومن الأمثلة على ذلك فولاذ إيجلين ، وهو مادة اقتصادية ذات نطاق حراري محدود ومقاومة كيميائية ضعيفة. لا يحتوي هذا الفولاذ على الرينيوم أو الروثينيوم، ومحتواه من النيكل محدود. ولتقليل تكاليف التصنيع، صُمم كيميائيًا ليُصهر في مغرفة (مع تحسين خصائصه في بوتقة مفرغة من الهواء). ويمكن لحامه وصبّه بالطرق التقليدية قبل المعالجة الحرارية. كان الغرض الأصلي من استخدامه هو إنتاج أغلفة قنابل عالية الأداء ومنخفضة التكلفة، لكن المادة أثبتت جدواها على نطاق واسع في التطبيقات الإنشائية، بما في ذلك الدروع.

تُصنع السبائك الفائقة أحادية البلورة (SX أو SC) كبلورة واحدة باستخدام نسخة معدلة من تقنية التصلب الاتجاهي، مما يُزيل حدود الحبيبات . تعتمد الخواص الميكانيكية لمعظم السبائك الأخرى على وجود حدود الحبيبات، ولكن عند درجات الحرارة العالية، تُشارك هذه الحدود في الزحف وتتطلب آليات أخرى. في العديد من هذه السبائك، توجد جزر من طور بين فلزي مُرتب ضمن مصفوفة من طور غير مُرتب، جميعها بنفس الشبكة البلورية . يُحاكي هذا سلوك تثبيت الانخلاعات لحدود الحبيبات، دون إدخال أي مادة صلبة غير متبلورة في البنية.

تُستخدم السبائك الفائقة أحادية البلورة (SX) على نطاق واسع في قسم التوربينات عالية الضغط لمحركات التوربينات الغازية في الطائرات والصناعات ، وذلك بفضل مزيجها الفريد من الخصائص والأداء. ومنذ ظهور تقنية صب البلورات الأحادية، انصبّ التركيز في تطوير سبائك SX على زيادة قدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية، وتُعزى التحسينات الكبيرة في أداء هذه السبائك إلى عنصري الرينيوم (Re) والروثينيوم (Ru). ^{[ 36 ]}

يتأثر سلوك تشوه الزحف في البلورات الأحادية للسبائك الفائقة بشدة بدرجة الحرارة والإجهاد والاتجاه ونوع السبيكة. بالنسبة للسبائك الفائقة أحادية البلورة، تحدث ثلاثة أنماط من تشوه الزحف في ظل ظروف مختلفة من درجة الحرارة والإجهاد: الزحف التراكمي، والزحف الثالثي، والزحف الأولي. ^{[ 37 ]} عند درجات الحرارة المنخفضة (حوالي 750  درجة مئوية)، تُظهر سبائك SX سلوك الزحف الأولي في الغالب. وخلص ماتان وآخرون إلى أن مدى تشوه الزحف الأولي يعتمد بشدة على الزاوية بين محور الشد وحدود التناظر <001>/<011>. ^{[ 38 ]} عند درجات حرارة أعلى من 850  درجة مئوية، يسود الزحف الثالثي ويعزز سلوك تليين الإجهاد. ^{[ 3 ]} عندما تتجاوز درجة الحرارة 1000  درجة مئوية، يسود تأثير الزحف التراكمي حيث تتحول الجسيمات المكعبة إلى أشكال مسطحة تحت تأثير إجهاد الشد. ^{[ 39 ]} تتشكل الركائز عموديًا على محور الشد، نظرًا لانتقال طور غاما من القنوات الرأسية إلى القنوات الأفقية. درس ريد وآخرون تشوه الزحف أحادي المحور لسبيكة CMSX-4 أحادية البلورة فائقة الصلابة ذات التوجيه <001> عند درجة حرارة 1105  درجة مئوية وضغط 100 ميجا باسكال. وأفادوا بأن الركائز مفيدة لعمر الزحف لأنها تؤخر تطور إجهاد الزحف. إضافةً إلى ذلك، تحدث الركائز بسرعة وتكبح تراكم إجهاد الزحف حتى الوصول إلى إجهاد حرج. ^{[ 40 ]}

بالنسبة للسبائك الفائقة التي تعمل في درجات حرارة عالية وتتعرض لبيئات أكالة ، يُعدّ سلوك الأكسدة مصدر قلق. تتضمن الأكسدة تفاعلات كيميائية بين عناصر السبائك والأكسجين لتكوين أطوار أكسيدية جديدة ، عادةً على سطح السبيكة. إذا لم تتم معالجتها، يمكن أن تؤدي الأكسدة إلى تدهور السبيكة بمرور الوقت بطرق متنوعة، منها: ^{[ 41 ] [ 42 ]}

• يؤدي التأكسد السطحي المتتابع والتشقق والتقشر إلى تآكل السبيكة بمرور الوقت
• يؤدي إدخال أطوار الأكسيد إلى هشاشة السطح ، مما يعزز تكوين الشقوق وفشل الإجهاد.
• يؤدي استنزاف عناصر السبائك الرئيسية إلى التأثير على الخواص الميكانيكية وربما الإضرار بالأداء.

يُعدّ الأكسدة الانتقائية الاستراتيجية الأساسية المُستخدمة للحدّ من هذه العمليات الضارة. تُعزز نسبة عناصر السبائك تكوين طور أكسيدي مُحدد يعمل بدوره كحاجز أمام المزيد من الأكسدة. يُستخدم الألومنيوم والكروم عادةً في هذا الدور، لأنهما يُشكلان طبقات أكسيد رقيقة ومتصلة نسبيًا من الألومينا (Al₂O₃ ₎ والكروميا ( Cr₂O₃ _{) على التوالي} . كما أنهما يتميزان بانخفاض نفاذية الأكسجين، مما يُوقف بشكل فعال المزيد من الأكسدة أسفل هذه الطبقة. في الحالة المثالية، تتم الأكسدة على مرحلتين. أولًا، تتضمن الأكسدة العابرة تحويل عناصر مختلفة، وخاصة العناصر الرئيسية (مثل النيكل أو الكوبالت). تستمر الأكسدة العابرة حتى تُشكل الأكسدة الانتقائية للعنصر المُضحّي طبقة حاجز كاملة. ^{[ 41 ]}

قد يضعف التأثير الوقائي للأكسدة الانتقائية. إذ يمكن أن تتأثر استمرارية طبقة الأكسيد بالتشوه الميكانيكي الناتج عن الإجهاد ، أو قد تتعطل نتيجة لحركية الأكسدة (على سبيل المثال، إذا انتشر الأكسجين بسرعة كبيرة). وإذا لم تكن الطبقة مستمرة، فإن فعاليتها كحاجز لانتشار الأكسجين تتأثر سلبًا. ويتأثر استقرار طبقة الأكسيد بشدة بوجود عناصر أخرى أقل وفرة. فعلى سبيل المثال، تُعزز إضافة البورون والسيليكون والإيتريوم إلى السبائك الفائقة تماسك طبقة الأكسيد ، مما يقلل من التقشر ويحافظ على استمراريتها . ^{[ 43 ]}

يُعدّ التأكسد أبسط أشكال التدهور الكيميائي الذي قد تتعرض له السبائك الفائقة. وتكثر عمليات التآكل الأكثر تعقيدًا في بيئات التشغيل التي تحتوي على أملاح ومركبات كبريتية، أو في ظل ظروف كيميائية تتغير بشكل كبير مع مرور الوقت. وغالبًا ما تُعالج هذه المشكلات باستخدام طلاءات مماثلة.

من أهم مزايا السبائك الفائقة مقاومتها الفائقة للزحف مقارنةً بمعظم السبائك التقليدية. بدايةً، تتميز السبائك الفائقة المقواة بـ β' بميزة إضافية، وهي أنها تتطلب حركة الانخلاعات في أزواج نتيجةً لتكوين الطور طاقة عالية لحدود الطور المضاد (APB) أثناء حركة الانخلاعات. هذه الطاقة العالية لحدود الطور المضاد تجعل الانخلاع الثاني مضطرًا لمعادلة الطاقة الناتجة عن الانخلاع الأول. ^{[ 25 ]} وبذلك، يقلل هذا بشكل كبير من حركة الانخلاعات في المادة، مما يُفترض أن يمنع الزحف المُنشط بالانخلاعات. تُوصف أزواج الانخلاعات هذه (وتُسمى أيضًا الانخلاعات الفائقة ^{[ 44 ]} ) بأنها إما ضعيفة الاقتران أو قوية الاقتران، حيث تُعد المسافة بين الانخلاعات مقارنةً بقطر الجسيم العامل الحاسم بين الضعف والقوة. يتميز الانخلاع ضعيف الاقتران بمسافة كبيرة نسبيًا بين الانخلاعات مقارنةً بقطر الجسيم، بينما يتميز الانخلاع قوي الاقتران بمسافة متقاربة نسبيًا مقارنةً بقطر الجسيم. لا يتحدد ذلك بتباعد الانخلاعات، بل بحجم جسيمات β'. يحدث الانخلاع ضعيف الاقتران عندما يكون حجم الجسيم صغيرًا نسبيًا، بينما يحدث الانخلاع قوي الاقتران عندما يكون حجم الجسيم كبيرًا نسبيًا (كما هو الحال عند تقادم سبيكة فائقة لفترة طويلة جدًا). ​​تُظهر الانخلاعات ضعيفة الاقتران تثبيتًا وانحناءً لخط الانخلاع على جسيمات β'. يعتمد سلوك الانخلاع قوي الاقتران بشكل كبير على أطوال خطوط الانخلاع، وتختفي مزايا المقاومة التي يوفرها بمجرد أن يصبح حجم الجسيم كبيرًا بما يكفي.

بالإضافة إلى ذلك، تُظهر السبائك الفائقة مقاومةً فائقةً للزحف عند درجات الحرارة العالية، وذلك بفضل الانزلاق العرضي المُنشَّط حراريًا للانخلاعات. ^{[ 25 ]} عندما ينزلق أحد الانخلاعات في الزوج إلى مستوى آخر، تُصبح الانخلاعات مُثبَّتةً لأنها لم تعد قادرةً على الحركة كزوج. يُقلِّل هذا التثبيت من قدرة الانخلاعات على الحركة في الزحف المُنشَّط بالانخلاعات، مما يُحسِّن خصائص مقاومة الزحف للمادة.

وقد ثبت أيضاً أن زيادة عدم تطابق الشبكة البلورية بين 𝛾/𝛾' مفيدة لمقاومة الزحف. ^{[ 45 ]} ويعود ذلك أساساً إلى أن عدم تطابق الشبكة البلورية الكبير بين الطورين ينتج عنه حاجز أكبر لحركة الانخلاعات مقارنةً بعدم تطابق الشبكة البلورية الصغير.

بالنسبة للسبائك الفائقة أحادية البلورة القائمة على النيكل، يمكن ملاحظة أن أكثر من عشرة أنواع مختلفة من إضافات السبائك تُحسّن مقاومة الزحف والخواص الميكانيكية العامة. ^{[ 46 ]} تشمل عناصر السبائك الكروم، والكوبالت، والألومنيوم، والموليبدينوم، والتنغستن، والتيتانيوم، والتنتالوم، والرينيوم، والروثينيوم. وقد وُصفت عناصر مثل الكوبالت والرينيوم والروثينيوم بأنها تُحسّن مقاومة الزحف عن طريق تسهيل تكوين عيوب التراص من خلال تقليل طاقة عيوب التراص. ويؤدي ازدياد عدد عيوب التراص إلى تثبيط حركة الانخلاعات. أما العناصر الأخرى (الألومنيوم، والتيتانيوم، والتنتالوم) فيمكنها أن تتوزع بشكل إيجابي في طور β' وتُحسّن من تكوينه.

يُعدّ الانتشار أحد أساليب الزحف، وهناك عدة طرق للحدّ من زحف الانتشار. إحدى الطرق الرئيسية التي يمكن من خلالها للسبائك الفائقة الحدّ من زحف الانتشار هي معالجة بنية الحبيبات لتقليل حدودها، والتي تُشكّل مسارات سهلة للانتشار. ^{[ 47 ]} ويتم ذلك عادةً بتصنيع السبائك الفائقة على شكل بلورات أحادية مُوجّهة بالتوازي مع اتجاه القوة المُطبّقة.

كانت السبائك الفائقة في الأصل مصنوعة من الحديد وتُشكّل على البارد قبل أربعينيات القرن العشرين، حين أدى صبّ سبائك الكوبالت بالاستثمار إلى رفع درجات حرارة التشغيل بشكل ملحوظ. وفي خمسينيات القرن العشرين، أتاح تطوير تقنية الصهر الفراغي تحكمًا دقيقًا في التركيب الكيميائي للسبائك الفائقة وتقليل التلوث، مما أدى بدوره إلى ثورة في تقنيات التصنيع، مثل التصلب الاتجاهي للسبائك والسبائك الفائقة أحادية البلورة. ^{[ 48 ]}

تختلف طرق المعالجة اختلافاً كبيراً تبعاً للخصائص المطلوبة لكل عنصر.

الصب والتشكيل

يُعدّ الصبّ والتشكيل من تقنيات المعالجة المعدنية التقليدية التي يمكن استخدامها لإنتاج كلٍّ من المنتجات متعددة البلورات والمنتجات أحادية البلورة. تتميز المسبوكات متعددة البلورات بمقاومة أعلى للكسر، بينما تتميز المسبوكات أحادية البلورة بمقاومة أعلى للزحف.

تستخدم محركات التوربينات النفاثة كلا النوعين من المكونات البلورية للاستفادة من مزايا كل منهما. أقراص التوربين عالي الضغط، القريبة من المحور المركزي للمحرك، متعددة البلورات. أما شفرات التوربين، التي تمتد شعاعيًا داخل غلاف المحرك، فتتعرض لقوة طرد مركزي أكبر بكثير ، مما يستلزم مقاومة الزحف، وعادةً ما تكون أحادية البلورة أو متعددة البلورات مع توجيه بلوري مفضل.

صب الاستثمار

الصب الاستثماري هو تقنية معالجة معدنية يتم فيها تصنيع قالب شمعي واستخدامه كقالب لقالب خزفي. يُصب القالب الخزفي حول القالب الشمعي ويتصلب، ثم يُذاب القالب الشمعي ويُصب المعدن المنصهر في الفراغ الذي تركه الشمع. ينتج عن ذلك شكل معدني مطابق لشكل القالب الشمعي الأصلي. ينتج عن الصب الاستثماري منتج نهائي متعدد البلورات، حيث يحدث تكوين ونمو حبيبات البلورات في مواقع متعددة ضمن المصفوفة الصلبة. عمومًا، لا يمتلك المنتج متعدد البلورات اتجاهًا مفضلًا للحبيبات.

التصلب الاتجاهي

تستخدم عملية التصلب الاتجاهي تدرجًا حراريًا لتحفيز تكوين حبيبات المعدن على سطح منخفض الحرارة، وكذلك لتعزيز نموها على طول هذا التدرج. ينتج عن ذلك حبيبات مستطيلة على طول التدرج الحراري، ومقاومة زحف أكبر بكثير موازية لاتجاه الحبيبات الطولي. في شفرات التوربينات متعددة البلورات، يُستخدم التصلب الاتجاهي لتوجيه الحبيبات بالتوازي مع قوة الطرد المركزي. ويُعرف أيضًا بالتصلب الشجري.

نمو البلورة المفردة

تبدأ عملية نمو البلورات الأحادية ببلورة بذرة تُستخدم كقالب لنمو بلورة أكبر. العملية برمتها طويلة، وتتطلب عمليات تشكيل لاحقة بعد نمو البلورة الأحادية.

في التوربينات الغازية الحديثة، تتجاوز درجة حرارة دخول التوربين (~1750 كلفن) درجة حرارة بدء انصهار السبائك الفائقة (~1600 كلفن)، وذلك بمساعدة هندسة السطح . ^{[ 53 ]}

• سبيكة مقواة بتشتيت الأكسيد
• ألومينيد التيتانيوم

• "السبائك الفائقة" . جامعة كامبريدج.قائمة مراجع وروابط شاملة.