بخشی از مقاله
چکیده
قرارگیری طولانی مدت آلیاژها در شرایط کاری دمای بالا می تواند موجب تحولات گسترده در ریزساختار و در پی آن خواص متالورژیکی آن ها گردد. لذا انتخاب آلیاژ برای مقاصد کاربری در دمای بالا به تبیین رفتار آن پس از انجام یک عملیات حرارتی طولانی و تحلیل ریزساختار و خواص تحت این شرایط منوط می شود.
در مقاله گرد اوری حاضر به بررسی تاثیر فازهای ایجاد شده در عملیات حراتی بر خواص مکانیکی اتصالات غیر مشابه سوپر آلیاژهای اینکونل و فولاد های زنگ نزن آستنیتی پرداخته شد.برای این منظور به بررسی و مقایسه نتایج تحقیقات محققین در زمینه حاضر و ارائه یک نتیجه کلی در مورد نوع فاز ایجاد شده در دمای بالا و تاثیر آن بر خواص مکانیکی د اتصال غیر مشابه این دو آلیاژ پزداخته شد.نتایج تحقیقات نشان می دهد که کاربید های مختلف نظیر M2C ، M6C ، MC موجود در این فولاد های زنگ نزن و سوپر آلیاز های اینکونل ، نقش اصلی در مقاومت در برابر سایش را ایفا می کنند .
اندازه و توزیع یکنواخت این کاربید در ساختار ، حائز اهمیت بوده زیرا اندازه درشت و غیر یکنواخت این کاربید ها باعث کاهش در خواص استحکامی فولاد می گردد .هرچه دمای عملیات حرارتی بالاتر و فراین جوشکاری با تمرکز حرارتی پایین تر باشد اتصال غیر مشابه این دو آلیاژ با ایجاد فازهای رسوب سخت ماننذ فاز سیگما کم استحکام تر و دارای حساسیت به ترک بیشتری خواهد بود.
مقدمه
به طور کلی سوپرآلیاژها از نظر ترکیب شیمیایی به سه دسته عمده تقسیم بندی میشوند، که عبارت از سوپر آلیاژ پایه آهن,1 سوپرآلیاژ پایه نیکل2 و سوپرآلیاژ پایه کبالت 3میباشد. سوپرآلیاژهای پایه نیکلی سوپرآلیاژهایی هستند، که جزء اصلی تشکیل دهنده آنها نیکل است. سوپرآلیاژهای پایه نیکل اکثرا" دارای 30 تا 75 درصد نیکل، 10 الی 25 درصد کروم، حداکثر 8 درصد آلومینیم و تیتانیم، 5 تا 15 درصد کبالت، 5 تا 15 درصد مولیبدن و مقادیری کربن، نیوبیوم و تنگستن در ترکیب شیمیایی خود هستند. خصوصیات اصلی این سوپرآلیاژها، پایداری حرارتی و استحکام تا بالای دمای 650 درجه سانتیگراد میباشد، اما در اتمسفر گوگردی, نیکل تشکیل فاز یوتکتیک سولفید نیکل میدهد و احتمال آسیب آلیاژ وجود دارد. سوپرآلیاژهای پایه نیکل به دو گروه عمده استحکام یافته با محلول جامد و رسوب سخت شونده رسوبی تقسیم میشوند، که اکثرا" به هر دو شکل ریخته و کار شده مورد استفاده قرار میگیرند
فرآیندهای ویژه دیگری نظیر متالورژی پودر و آهنگری همدما نیز برای تولید انواع ترکیبات این سوپرآلیاژ مورد استفاده قرارگرفته اند. در بعضی موارد مرز دانهها حذف شده اند و یا با کنترل مورفولوژی توسط تبلور مجدد جهتدار و یا انجماد جهتدار خواص آلیاژ بهبود یافته است. در مقام مقایسه سوپرآلیاژهای پایه آهن دارای قیمت پایینتر میباشد، اما استحکام آنها تا محدوده 650 درجه سانتیگراد مناسب بوده و دارای ضریب انبساط حرارتی پایین است. سوپرآلیاژهای پایه کبالت دارای خواص حرارتی خوبی در دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد میباشد، لیو عموماً انعطافپذیری سوپرآلیاژهای پایه کبالت نسبت به سوپرآلیاژهای پایه آهن-نیکل و پایه نیکل کمتر است معمولاً در مواردی که مقاومت سایشی در درجه حرارتهای بالا مورد نیاز باشد, بهکار میروند - - Lippold et al, 2005 همچنین سوپرآلیاژهای پایه کبالت دارای مقاومت به خوردگی گرم در اتمسفرهای نمکهای سدیم, هالیدها و تمام سیستمهای سوختی میباشند
امروزه تناژ وسیعی از قطعات مصرفی در توربینهای گازی, بخار و سیکل ترکیبی نیروگاههای تولید برق, موتورهای هواپیما و فضاپیماها, سیستمهای نوترونی و هستهای, صنایع شیمیایی و پتروشیمی, مصارف پزشکی و دندانپزشکی و در برخی موارد ساخت قالبهای ریختهگری و ابزارهای گرمکار, تجهیزات عملیات حرارتی و تجهیزات کنترل آلودگی از جنس سوپرآلیاژها میباشند, که سهم عمده مصرف آن مربوط به سوپرآلیاژهای پایه نیکل است. گزارشات حاکی از آن است، که تنها بازار قطعات یدکی هواپیماها بالغ بر چهار و نیم میلیارد دلار در سال میباشد. بر اساس آمارهای تخمینی موجود در ایران نیز سوپرآلیاژها سالانه به میزان 80 میلیون دلار در سه وزارتخانه نفت، نیرو و دفاع مورد استفاده قرار میگیرند
بهعبارت دیگر سوپرآلیاژها با سابقه ای بیش از 60 سال هنوز پر مصرف هستند و نه تنها مصرف آنها کم نشده، بلکه مصرف آنها هر روز بیشتر میشود. در طی این 60 سال تعداد زیادی آلیاژ شناخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته است. تعدادی از آنها در طول سالیان گذشته غربال شده و تعدادی به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند، که هم اکنون نیز تحقیقات در زمینه سوپرآلیاژها به شدت ادامه دارد.
عبارت سوپر آلیاژ مدت زمان کوتاهی پس از جنگ جهانی دوم به گروهی از آلیاژهای پیشرفته گفته شد که به دمای بسیار بالایی احتیاج داشتند و در شارژرهای سوپر توربوها و موتورهای توربینی استفاده میشدند.سوپرآلیاژها در دسته های پایه آهن و پایه نیکل موجود میباشندکه عمومادر دمای بالاتر از 540 درجه سانتی گراد استفاده می شوند.سوپر آلیاژهای پایه اهن - نیکل مانند اینکونل ها از فن آوری فولاد های زنگ نزن توسعه یافته و معمولا به صورت کار شده می باشند.
از آغاز پیدایش سوپر آلیاژها ، آلیاژهای زیادی شناخته و مورد مطالعه قرار گرفته اند و تعدادی نیز به عنوان اختراع ثبت گردیده اند.[3]تعدادی از آنها در طی سالهای گذشته مانند اینکونل 625 غربال شده و به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند.روش اصلی اتصال سوپر آلیاژهاجوشکاری ذوبی می باشد.در جوشکاری ذوبی یک پیوند یا اتصال متالورژیکی با ساختار ریخته گری و اندازه دانه و خواص متفاوت با ساختار فلز زمینه در منطقه جوش ایجاد میگردد.سوپرآلیاژهای اینکونل توسط توزیغ یکنواخت ذرات اکسید توریم در زمنه استحکام میابند و به همین علت پس از جوشکاری ذوبی ،فلز جوش نسبت به فلز پایه ضعیف تر میگردد.این سوپر آلیاژبه ترک خوردگی گرم و ترک خوردگی ناشی از عملیات حرارتی پس از جوشکاری حساس می باشند که خود تابعی از میزان حضور عناصر آلیاژی مانند آلومنیوم و تیتانیم می باشد سوپر آ لیاژ های پایه نیکل محلول جامدبا مشکلات کمتری جوشکاری میگردند
جوشکاری این آلیاؤها در شرایط آنیل انحلالی و بدون نیاز به پیش گرم وپس گرم و استفاده از روشهای جوشکاری حالت جامد و توان بالا بهترین خواص و کمترین عیوب را به وجود می آورد - . - Tavares et al, 2009 فولاد زنگ نزن شامل گروهی از فولادهای پرآلیاژ، بر پایه سیستمهای Fe-Cr،Fe-Cr-C و Fe-Cr-Ni میباشند. این فولادها برای زنگ نزن بودن باید حاوی حداقل 10/5 درصد وزنی کرم باشند.
این میزان کرم باعث تشکیل یک سطح غیر فعال اکسیدی میشود که از اکسیداسیون و خوردگی فلز زیری، در شرایط محیط و غیر خورنده جلوگیری میکند.بیشتر فولادهای زنگنزن قابل جوشکاری هستند ولی بسیاری از آنها نیاز به دستورالعملهای ویژهای دارند. در بیشتر موارد جوشکاری منجر به تغییرات قابل توجه فلزجوش وریزساختار ناحیه متاثر از حرارت - 4 - HAZدر مقایسه با فلز پایه میشود که می تواند منجر به تغییر در تعادل فازی مطلوب، ایجاد فازهای بین فلزی، رشد دانهها، جدایش عناصر آلیاژی و ناخالصیها و واکنشهای دیگر گردد. به طور معمول این موارد منجر به از بین رفتن بعضی از خواص و کاراییها میشود که باید به عنوان یکی از فاکتورهای طراحی و ساخت در نظر گرفته شود. برای جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی دو مشکل عمده ممکن است پیش آید که عبارتند از:
حساسیت به تشکیل کاربید، وقتی فولادهای آستنیتی در محدوده حرارتی 425-850 درجه سانتیگراد گرم شوند یا به هنگام سردشدن به آهستگی از این محدوده عبور کنند، کربن از محلول جامد جدا شده و با کروم موجود در منطقه تشکیل کاربیدکروم داده و اساسا در مرز دانه رسوب میکنند، به این پدیده رسوب کاربید میگویند. بنابراین کروم در برخیمناطق کاهش مییابد و مقاومت به خوردگی را کاهش میدهد . - ASM Handbook, 2002 - فولادهای زنگ نزن با حدود 18 درصد کروم مستعدترین فولاد برای رسوب کاربیدی و در نتیجه خوردگی بیندانه ای می باشد. هرچه در صد کربن موجود در فولاد بیشتر باشد شدت رسوب کاربید بیشتر است. محدوده 428-870 درجه سانتیگراد محدوده حساس شدن فولادآستنیتی نامیده می شود .همچنین تشکیل کاربید و فاز دلتا باعث کاهش استحکام ضربه در دمای محیط میگردد.
از این رو در مقاله حاضر با توجه به تحقیقات پیشین به بررسی تاثیر نوع فاز ایجاد شده در دمای بالای عملیات حرارتی بر خواص مکانیکی اتصلات غیر مشابه سوپر آلیاژهای اینکونل به فولاد های زنگ نزن آستنیتی پرداخته می شود.
یافته ها
فازهای موجود در سوپر آلیاژهای پایه نیکل تاثیر بسزایی بر هواص مکانیکی دارند این فازها اکثرا در دماهای بالای عملیات حرارتی یا در حین جوشکاری های ذوبی با تمرکز حرارتی پایین و یا حرارت ورودی بالا شکل می گیرند -
که مهمترین آنها عبارتند از فاز ، و کاربیدها، به علاوه ممکن است فازهایی مانند " مرزدانهای و بوریدها نیز تشکیل گردد.
عوامل موثر بر حلالیت -1تشابه ساختار کریستالی -2تشابه ظرفیت اتمی -3 پائین بودن اختلاف اندازه اتمی میباشد که اختلاف اندازه اتمی عنصر حل شونده با عنصر زمینه نباید از %15 تجاوز نماید.
الف - فاز
این فاز محلول جامدی از با شبکه fcc است که عناصری مانند &U'&R' - H'0R':'9'… با حل شدن در آن باعث افزایش استحکام میگردند. عناصری مانند Mo,W به علت دارا بودن ضریب نفوذ پائین باعث کاهش خزش میگردند و Co نیز با کاهش انرژی نقص در چیده شدن بین نا بجاییها، پدیده لغزش را مشکل ساخته و لذا باعث افزایش مقاومت خزشی این آلیاژها میگردد.
