بخشی از مقاله
چکیده
سوپرآلیاژ اینکونل 713LC از جمله سوپرآلیاژهایی است که به دلیل خواص منحصر به فرد خزشی و استحکام شکست دماي بالا براي تولید پرههاي توربین مورد استفاده قرار میگیرد. پرههاي توربین مورد نیاز از این آلیاژ به روش ریختهگري تولید میشوند. پدیده ترك گرم از جمله عیوبی است که در طی ریختهگري این آلیاژ بروز کرده که باعث ایجاد عیوب جدي و بعضاً غیرقابل جبران خواهد شد. این تحقیق با هدف بررسی دماي بارریزي و سرعت سرد شدن بر بروز ترك گرم در حین انجماد سوپرآلیاژ اینکونل 713LC تعریف واجرا شده است.
در این راستا شمش آلیاژ اینکونل 713LC در کوره القایی تحت خلاء ذوب و در قالبهاي سرامیکی تهیه شده بر اساس مدل استاندارد حساس به ترك گرم از دماهاي مختلف بارریزي ریختهگري گردید. همچنین به منظور بررسی سرعت سرد شدن، قالب سرامیکی در آزبست پیچیده شد و با نمونه سرد شده در هوا و کوره مقایسه شد.
بر مبناي مطالعه میکروسکوپی ساختار و سطح شکست قطعات ریختهگري شده در شرایط مختلف پس از انجماد به ویژه در محدوده تركهاي ایجاد شده، میزان حساسیت به ترك گرم و عوامل موثر بر آن مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج به دست آمده از این تحقیق نشاندهد می که با کاهش دماي بارریزي و افزایش سرعت سرد شدن، عیب ترك گرم کاهش می یابد.
مقدمه :
بدلیل خواص خزشی و استحکام شکست دماي بالاي مورد نیاز براي توربین ها، سوپرآلیاژها توسعه زیادي یافتهاند. یکی از سوپرآلیاژهاي رایج پایه نیکل، اینکونل - IN713LC - 713LC است که براي تولید پرههاي توربین بطور وسیعی استفاده میشود. این سوپرآلیاژ بصورت ریختهگري مورد استفاده قرار میگیرد که حساس به تركگرم میباشد1] و .[2 تركگرم یکی از مشکلات مهم در ریخته گري سوپرآلیاژهاست که باعث ایجاد عیوب جدي و بیشتر مواقع غیر قابل جبران میشود که در انجماد جهت دار این عیب تشدید هم میشود
پدیده تركگرم - Hot Tear - را میتوان شکست کششی تک محوري در نقاط ضعیف نامید. این ترك در دماي نزدیک دماي سالیدوس، جایی که کسر جامد بیش از 85 درصد است، روي میدهد. در این منطقه شاخههاي دندریتی به هم رسیده و تشکیل یک شبکه اسکلتی جامد را دادهاند و مذاب کمی بین دندریت ها قرار دارد.
انقباض گرمایی و انقباض ناشی از انجماد و همچنین تنشهاي ناشی از مقاومت قالب، ایجاد تنش و در نتیجه ایجاد کرنش می نمایند که استحکام شبکه قادر به تحمل این تنش نیست و از هم گسیخته می شود. از طرفی چون کسر جامد بالاست مانع از تغذیه رسانی شده و این پارگی ها به صورت ترك بعد از انجماد در ریزساختار مشاهده میشود. البته لازم به ذکر است که نظریههاي متعددي براي توجیه این پدیده پیچیده ارائه شده ولی هنوز مکانیزم دقیق بروز این پدیده مشخص نشده است5] و.[6 در این تحقیق تلاش شده است که تاثیر پارامترهاي ریختهگري شامل دماي بارریزي و نحوه سرد شدن بر بروز ترك گرم در سوپرآلیاژ اینکونل 713LC مورد بررسی قرار گیرد.
مواد و روش تحقیق :
ترکیب شیمیایی شمش سوپرآلیاژ اینکونل 713LC در جدول 1 ارائه شده است. عملیات ذوب شمش در کوره القایی تحت خلاء 10-3 mbar انجام گردید. شماتیک مدل مورد استفاده به منظور بررسی پدیده ترك گرم و تاثیر دماي بارریزي و سرعت سرد کردن در شکل 1 به همراه نمونه ریخته گري شده نشان داده شده است.
جدول-1 ترکیب شیمیایی شمش سوپرآلیاژ اینکونل .713LC
ابتدا قالب آلومینیمی تهیه و با تزریق موم، مدل مومی براي هر آزمایش تهیه گردید. مدل مومی در دوغاب سرامیکی - زیرکونیا - فرو برده شده و قالب سرامیکی شکل میگرفت. خروج موم از مدل سرامیکی در اتوکلاو و پخت آن در کوره گازي در دماي 1100 ˚C انجام میگرفت. مذاب تهیه شده پس از اندازهگیري دما در خلاء به درون قالب ها ریخته گري میشد.
شکل -1 - الف - شماتیک مدل مورد استفاده در این تحقیق و - ب - نمونه قطعه ریختهگري شده به منظور بررسی ترك گرم.
به منظور بررسی اثر سرعت سرد کردن پس از ریختهگري، قالبهاي سرامیکی در هوا، کوره و با پوشش پتوي سرامیکی سرد شدند. از کلیه قطعات ریختهگري شده، نمونه از مقطع عرضی در فاصله 40 میلیمتري از کف قطعه تهیه گردید. از محلول گلیسرژیا براي اچ نمونهها استفاده شد. میکروسکوپ نوري Workstation Leica و میکروسکوپ الکترونی روبشی Philips-XL30 - SEM - مجهز به آشکارساز BSED و SED براي مطالعه ریزساختار مورد استفاده قرار گرفت.
اندازهگیري فاصله بین بازوهاي دندریتی، کسر حجمی یوتکتیک و اندازه دانه از نرمافزار Leica استفاده شد. حساسیت به ترك گرم در این تحقیق با اندازه گیري طول و عرض ترك هاي قابل رویت با چشم در نمونه ریختهگري شده محاسبه گردید. طول هر ترك قابل مشاهده با چشم در عرض آن ضرب شده و مجموع این حاصلضرب ها بدست آمد. این عدد را بر حاصل ضرب ارتفاع نمونه در محیط بیرونی تقسیم کرده و ضریب حساسیت به ترك گرم محاسبه گردید.[7] براي اندازه گیري استحکام خمشی لایه هاي سرامیکی نمونه طبق استاندارد BS1902 تهیه و تحت آزمون تنش سه نقطه اي قرار گرفت.
یافته ها و بحث :
به منظور بررسی اثر دماي بارریزي بر بروز عیب ترك گرم در آلیاژ اینکونل 713LC آزمایشهایی در دماهاي بارریزي مختلف در محدوده 1380-1530 درجه سانتیگراد انجام گرفت. شرایط آزمایشها و نتایج به دست آمده شامل ضریب حساسیت به ترك گرم، اندازه دانه و اندازه فاصله بین دندریتی در جدول 2 ارائه شده است.
همانگونه که مشاهده میشود، با کاهش دماي بارریزي حساسیت نمونهها به عیب ترك گرم کاهش یافته است، بهگونهاي که در دماي کمتر از 1430 درجه سانتیگراد ضریب حساسیت به ترگ گرم صفر شده و قطعات تولید شدهکاملاً سالم بوده اند. با کاهش دماي بارریزي به دلیل فوق گداز کمتر - کاهش مقدار گرمایی که از مذاب باید گرفته شود - و توانایی کمتر مذاب در پیشگرم کردن قالب سرعت سرد شدن افزایش می یابد و با افزایش سرعت سرد شدن ساختار ریزدانهتر میشود. در افزایش سرعت سرد شدن چندین عامل باعث کاهش حساسیت به عیب ترك گرم میشود که عبارتند از :
- 1 با افزایش سرعت سرد شدن ساختار ریزدانهتر شده که در نتیجه آن تعداد مرز دانهها افزایش مییابد. این مرزها به عنوان یک مانع در برابر تنش اعمالی در حین انجماد عمل میکند و با افزایش تعداد مرزها تعداد مانع در برابر تنش اعمالی افزایش یافته و سهم هر مرز از تنش اعمالی کمتر میشود.
- 2 کاهش پیوستگی مذاب مرحله نهایی سرد شدن که در اثر تغییر در فاصله بازوهاي بیندندریتی حاصل میشود. کاهش پیوستگی مذاب بین دندریتی باعث میشود که دندریتها توانایی اتصال قويتري داشته و حساسیت به عیب تركگرم کاهش یابد.
