بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر به بررسی تاثیر پارامترهای آزمایش فشار داغ بر ریزساختار و منحنیهای سیلان یک آلیاژ TiAl پرداخته شدهاست. بدین منظور ابتدا ذوب سازی آلیاژ با ترکیب شیمیایی Ti-44Al-5Nb-1.5Zr-1Cr-1B-0.17La - درصد اتمی - ، با استفاده از کوره قوس در محیط خلا انجام شد. سپس آلیاژ ریختگی به مدت چهار ساعت در دمای 1000œC و فشار 100Mpa، تحت پرس ایزواستاتیک داغ قرار گرفت. متعاقبا آزمایش فشار داغ در دماهای 900œC و 950œC با نرخ کرنش 0/005 s-1 و در دمای 1000œC با نرخهای کرنش 0/0075 s-1 و 0/05 s-1، تا کرنش 0/7 انجام شد. نهایتا ریزساختار نمونهها پس از سنباده زنی، پولیش و حکاری، توسط میکروسکوپهای نوری و الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. از پراش پرتوی ایکس نیز به منظور شناسایی فازهای موجود در ریزساختار استفاده شد.
نتایج حاصل از بررسیهای ریزساختاری نشان دادند که با اعمال تغییر شکل داغ، ریزساختار اولیه آلیاژ ریختگی تغییر پیدا کرده است. به گونهایی که دانههای هممحور حاوی کولونیهای TiAl-Ti3Al، به دانههای کشیده شده و مجزای Ti2AlNb، TiAl3 و TiAl تبدیل شدهاند. با انجام آزمایش فشار در دمای 900œC، فازهای Ti2AlNb، TiAl3 و TiAl نیز شناسایی شدند. اما با افزایش دما، فاز Ti2AlNb حذف شده و تنها ترکیبات TiAl3 و TiAl باقی ماندند. با توجه به ویژگی های مشاهده شده در منحنیهای سیلان، این منحنیها به دو نوع تقسیم شدند. تنش سیلان در منحنی نوع اول ابتدا افزاینده و سپس کاهنده است. در حالی که در منحنی نوع دوم، این منحنی پس از مرحله نزولی، به حالت پایدار رسیده و تنش سیلان ثابت باقی میماند. آلیاژ دارای حساسیت دمایی منفی و همچنین حساسیت نرخ کرنش مثبت است.
.1 مقدمه
آلیاژهای TiAl از جمله مواد پیشرفتهایی هستند که بطور روز افزون در صنایع هوافضا، مولد نیرو و اتومبیل سازی مورد استفاده قرار گرفتهاند، چرا که با وجود پایین بودن وزنشان، از استحکام بالایی برخوردار هستند. ترکیب شیمیایی این آلیاژها عموما شامل تیتانیوم به عنوان عنصر پایه به همراه مقادیر قابل توجهی آلومینیوم است که متناسب با نوع طراحی آلیاژ و خواص مورد انتظار، با عناصر آلیاژی دیگری نظیر نایوبیوم، زیرکونیوم، کروم و بور ترکیب میشوند.
آلیاژهای TiAl به واسطه دارا بودن خواص منحصربفردی، انتخاب مناسبی برای کاربردهای دما بالا همچون پرههای موتور هوایی و توربین گازی، سوپاپ موتور و چرخ توربوشارژر هستند. چرا که نسبت به آلیاژهای رایجی که مورد استفاده قرار میگیرند، از سفتی بالاتری برخوردار هستند. به علاوه، مقاومت به خزش بالای این آلیاژها در دماهای 600-800œC، باعث شده است تا جایگزین مناسبی برای سوپر آلیاژهای پایه نیکل که چگالی دوبرابری نسبت به آلیاژهای TiAl دارند، باشند.
همچنین از آنجایی که مقاومت به احتراق آلیاژهای TiAl با سوپر آلیاژهای پایه نیکل یکسان است، این آلیاژهای سبک قابلیت آن را دارند که جایگزین آلیاژهای تیتانیومی سنگین که حاوی مقادیر کمی از عنصر آلومینیوم هستند نیز بشوند4]،.[3 از مهمترین خواص این آلیاژها عبارتند از؛ چگالی پایین در محدوده 3/9-4/2 g/cm3، استحکام تسلیم ویژه بالا، سفتی ویژه بالا، مقاومت به اکسیداسیون، مقاومت در برابر احتراق و خواص خزشی مناسب.
قابل ذکر است که فرآیندهای متداول شکلدهی فلزات معمولا در دماهای نسبتا بالا اجرا میشوند. با افزایش دمای تغییر شکل، به ویژه در آزمایش فشار داغ، تنش سیلان فلزات کاهش مییابد.[6] بدین جهت ترجیح اقتصادی بر آن است که برای کاهش ابعاد قطعات، از دماهای بالاتری در آزمایش فشار داغ استفاده شود. چرا که در دماهای بالا می توان میزان کرنش تغییر شکل بیشتری را بدون آنکه قطعه شکسته شود، اعمال کرد. همچنین باید توجه داشت که بسیاری از فرآیندهای ترمومکانیکی نظیر بازیابی دینامیکی و تبلور مجدد، در دماهای بالا رخ میدهند. علاوه بر این ممکن است به سبب غالب شدن کرنش نرمی در حین شکل دهی در دماهای بالا، ناپایداری پلاستیکی به وجود آید. لذا توجه به حساسیت نرخ کرنش فلزات در دماهای بالا بیش از پیش اهمیت مییابد.
با بررسی وابستگی تنش سیلان به متغیرهای فرآیند تغییر شکل نظیر دما، نرخ کرنش و احتمال وقوع استحالههای متالورژیکی در حین تغییر شکل میتوان رفتار تغییر شکل فلزات را مشخصهیابی کرد. رفتار تغییر شکل فلزات به وسیله اعمال تغییر شکل پلاستیک در دماهایی بالاتر از نصف دمای ذوب فلز و ارزیابی قابلیت شکل پذیری آن، سنجیده میشود.[10] از این رو ضروری است تا میزان مقاومت به تغییر شکل و مقدار تغییر شکل قبل از شکست، تعیین شود. چندین آزمایش برای تعیین قابلیت کارپذیری فلزات و مشخصهیابی رفتار تغییر شکل آنها وجود دارد[11]، اما آزمایش فشار بدلیل آنکه مشکلاتی مانند گلویی شدن و جهت گیری دوباره ماده را در حین تغییر شکل به وجود نمیآورد، مورد توجه قرار گرفته است.[12] بدین جهت در این تحقیق از آزمایش فشار داغ برای ارزیابی رفتار تغییر شکل آلیاژ TiAl استفاده شد.
نتایج حاصل از پژوهشهای انجام شده بر روی رفتار تغییر شکل داغ آلیاژهای TiAl نشان داده است که این آلیاژها دارای حساسیت دمایی منفی14]،[13 و همچنین حساسیت نرخ کرنش مثبت16]،[15 هستند. به عبارتی با افزایش دما و کاهش نرخ کرنش فشار داغ، تنش سیلان کاهش مییابد. به علاوه، ریزساختار آلیاژ تغییر شکل یافته لزوما شامل دانههای تبلور مجدد یافته و کولونیهای باقیمانده است. به گونه ایی که با افزایش دمای تغییر شکل18]، [17 و کاهش نرخ کرنش20]، [19، تعداد دانههای تبلور مجدد یافته و نیز اندازه آنها، افزایش می یابد. چرا که تحرک لازم در مرزدانهها برای جوانهزنی و رشد دانههای تبلور مجدد یافته فراهم میگردد.
از آنجایی که ریزساختار و رفتار سیلان آلیاژ TiAl با تغییر دما و نرخ کرنش آزمایش فشار دچار تغییر و تحول میگردد، لازم است تا با بررسی تاثیر این پارامترها در رفتار تغییر شکل داغ، در نهایت بتوان قابلیت کارپذیری آلیاژ را مشخصهیابی کرد.
در این تحقیق آلیاژی با ترکیب شیمیایی Ti-44Al-5Nb-1.5Zr-1Cr-1B-0.17La - درصد اتمی - ، با استفاده از کوره قوس در محیط خلا - 10- 3 mbar - ذوب شد. به منظور دستیابی به آلیاژی با ترکیب شیمیایی همگن، عملیات ذوب چندین مرتبه تکرار شد و نهایتا با ذوب مجدد شمش های اولیه، قطعاتی به شکل استوانه تولید شدند. آلیاژ ریختگی به مدت چهار ساعت در دمای 1000œC و فشار 100Mpa، تحت پرس ایزواستاتیک داغ - HIP - قرار گرفت. آزمایش فشار داغ به روش فشار تک جهته و مطابق با استاندارد ASTM E209 انجام شد. نمونههای آزمایش فشار داغ، استوانه هایی به قطر 10 mm و ارتفاع 15 mm بودند. آزمایش فشار داغ در دماهای 900œC و 950œC با نرخ کرنش 0/005 s-1 و در دمای 1000œC با نرخ های کرنش 0/0075 s-1 و 0/05، تا کرنش 0/7 انجام شد. ریزساختار نمونه ها پس از سنباده زنی، پولیش و حکا ری با محلول کلر، توسط میکروسکوپهای نوری و الکترونی روبشی بررسی شد. از پراش پرتوی ایکس CuK - XRD - با طول موج 1/54c نیز به منظور شناسایی فازهای موجود در ریزساختار استفاده شد.
.3 نتایج و بحث
شکل1 الگوی XRD و همچنین تصاویر ریزساختار نمونه HIP شده را نشان می دهد. بر اساس الگوی پراش ارائه شده در شکل1 میتوان نتیجه گرفت که ریزساختار این نمونه شامل فازهای TiAl و Ti3Al است. تصاویر ریزساختار نمونه HIP شده نشان میدهدکه کولونی های لایه ایی TiAl-Ti3Al در زوایای مختلفی جهت گیری کرده اند. زمینه ریزساختار این نمونه شامل دانههای هممحور حاوی لایههای TiAl-Ti3Al است و در مرزدانهها، حفرات و ترکیبات پیچیده حاوی عناصر موجود در آلیاژ دیده میشوند. الگوهای XRD نمونه های فشرده شده در شکل2 ارائه شده است. همانطور که این شکل نشان میدهد ریزساختار نمونه ایی که در دمای 900œC با نرخ کرنش 0/005 s-1 فشرده شده است، حاوی فازهای TiAl،
شکل.1 الگوی XRD نمونه HIP شده، تصاویر الف - میکروسکوپ نوری و ب - میکروسکوپ الکترونی روبشی
از ریزساختار نمونه HIP شده.
