بخشی از مقاله
چکیده
فرایند انجماد جهتدار یکی از روشهاي کنترل شده انجماد براي ایجاد ساختار دانهاي جهتدار یا تک کریستال در قطعات مهندسی است. در کار حاضر یک سیستم آزمایشگاهی انجماد جهتدار به روش بریجمن جهت سوپرآلیاژهاي نیکلبنیان طراحی و ساخته شده است. با استفاده از این سیستم، ساختار دانهاي جهتدار در سوپرآلیاژ IN792 تحت شرایط خلأ و اتمسفري توسعه داده شد. ساختار ماکرو و میکرو آلیاژ در این شرایط با هم مقایسه شده و نقش خلأ در کیفیت محصول مورد بررسی قرار گرفته است.
مقدمه
فرایند انجماد جهتدار یکی از فرایندهاي کنترل شدهي انجماد مذابهاي فلزي است که در آن به منظور ایجاد ساختار دانهاي ستونی، جبهه انجماد از یک سمت قطعه به طرف مقابل آن حرکت داده میشود. در یکی از تکنیک هاي این فناوري که تحت عنوان روش بریجمن شناخته شده است، خروج حرارت از قالب به صورت هدایت از سطح یک مبرد آبگرد و پوسته قالب همراه با انتقال حرارت تشعشعی از جداره خارجی قالب به محفظه خلأ انجام میگیرد .[1] تحت این شرایط شیب حرارتی زیادي در مذاب در حال انجماد فراهم میشود.
براي بدست آوردن ریزساختاري یکنواخت و مطلوب و نیز ایجاد انجماد پیوسته، لازم است میدان دمایی و شیب حرارتی در حجم قطعه به خوبی کنترل شود .[2] شیب حرارتی و سرعت رشد دو عامل اصلی و مؤثر در تشکیل مورفولوژي و ابعاد ریزساختار جهتدار بوده و عیوب کریستالی و خواص مکانیکی قطعه را تعیین مینماید .[3-4] در دهههاي اخیر انجماد جهتدار به طور گسترده براي تولید مواد کاربردي و مهندسی از جمله پرههاي توربین گازي مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از دستاوردهاي مهم و برجسته این روش تولید پرههاي توربین بوده که پیشرفتی شگرف در طراحی آلیاژهاي دماي بالا بوجود آورده است.
یکی از دغدغههاي اصلی طراحی و ساخت توربینهاي گازي صنعتی جدید و با راندمان بالا، تولید نازلها و پرههاي توربین از جنس سوپرآلیاژهاي نیکلبنیان با ساختار دانهاي جهتدار است. پرههاي توربین گازي در راستاي محور اصلی خود تنشهاي بالایی را در دماهاي بالا تحمل میکنند. از آنجا که مرزدانه در دماي بالا نسبت به درون دانه ضعیفتر است، لذا با قرار گیري دانهها به طور موازي در راستاي محور اصلی قطعه، از اثرات مخرب تنش گریز از مرکز بر خواص قطعه کاسته میگردد .
از زمان ارائه فناوري ذوب القائی تحت خلأ در اوایل سالهاي 1950 میلادي تاکنون فعالیتهاي گستردهاي در زمینه تولید سوپرآلیاژها انجام شده و آلیاژهاي مختلفی توسعه یافتهاند. سوپرآلیاژهاي نیکلبنیان به دلیل داشتن عناصر آلیاژي فعال ضرورًتا تحت شراط خلأ تولید میشوند. در فرایندهاي ذوب تحت خلأ برخلاف فرایندهاي ذوب در هوا، مقدار اکسیژن و نیتروژن مذاب به مقدار قابل توجهی کاهش یافته و میزان اکسیدها، نیتریدها و عناصر با فشار بخار بالا - سرب و بیسموت - در آلیاژ کاهش مییابد. مجموع این عوامل باعث بهبود خواص خستگی و خزشی سوپرآلیاژهاي تولید شده در خلأ میشوند .[5]
فناوري انجماد جهتدار پرههاي توربین از جنس سوپرآلیاژها به روش ذوب القائی تحت خلأ در سالهاي گذشته توسعه زیادي پیدا کرده، لیکن عمده کارهاي قبلی براي تولید پرههاي کوچک جهتدار مورد استفاده در موتورهاي جت متمرکز بوده است. انجماد جهتدار پرههاي بزرگ نیروگاهی مشکلات زیادي داشته و همچنان موضوع تحقیقات گسترده متخصصین دانشگاهی و صنعتی است .[6-7] در مقاله حاضر یک سیستم آزمایشگاهی انجماد جهتدار براي ساخت سوپرآلیاژهاي جهتدار مورد استفاده در ساخت پرههاي نیروگاهی ارائه شده است.
مشخصات اجزاي سیستم
شماي کلی سیستم انجماد جهتدار در شکل -1الف نشان داده شده است. این سیستم از سه بخش اصلی تشکیل شده است:
-1 منبع تغذیه القایی فرکانس بالا که شامل سلول رکتیفایر ولتاژ بالا، سلول فرکانس رادیویی، سلول تجهیزات گردش آب، سلول ترانس ولتاژ بالا و مجموعه تانک آب میباشد. عمل خنک کردن مدارات و کویل القایی توسط دستگاه انجام میشود. کویل القایی مورد استفاده جهت اتصال به منبع تغذیه به صورت استوانهاي با قطر داخلی حدود 90 میلیمتر است.
-2 محفظه خلأ سیستم که از دو قسمت فوقانی از جنس لوله کوارتز شفاف و قسمت تحتانی از جنس فولاد زنگ نزن تشکیل شده و شامل سیستم حرکت دهنده قالب نیز میباشد. بخش گرم کوره در قسمت لوله کوارتز است که شامل کویل القایی، ساسپتور گرافیتی و محافظ سرامیکی است - شکل -1ب - . قالب سرامیکی حاوي شمش آلیاژ بر روي مبرد آبگرد قرار گرفته و مجموعه به سیستم حرکت دهنده قالب متصل میگردد. سیستم خلأ شامل یک پمپ روتوري با خلأ نهایی 6×10-2Pa و یک پمپ مولکولی با خلأ نهایی حدود 6×10-6Pa میباشد. براي اندازهگیري میزان خلأ از یک سنسور ترکیبی پیرانی- یونی استفاده شده است.
-3 سیستم حرکت دهنده قالب که از نوع پیچ ساچمهاي با سرووموتور و کنترولر مکانی به همراه سیستم کنترلی PLC زیمنس و مانیتورینگ HMI میباشد. یک شفت فولادي زنگ نزن ارتباط پیچ ساچمهاي با مبرد آبگرد را برقرار میسازد. اعمال سرعتهاي مختلف حرکت قالب به سمت پایین و بالا از طریق نرمافزار مربوطه انجام میگیرد. سرعت کشش قالب در محدوده 1 تا 600 میلیمتر بر دقیقه در فاصله حرکتی حدود 400 میلیمتر به دو صورت دستی و اتوماتیک قابل تنظیم است.
مراحل انجماد جهتدار
در ابتدا قالب سرامیکی روي مبرد قرار داده شده و شارژ مورد نظر داخل آن قرار میگیرد. سپس لوله کوارتز در محل خود تعبیه گشته و موقعیت اولیه قالب تنظیم میشود.
مواد و روشها
آلیاژ مورد استفاده، سوپرآلیاژ نیکلبنیان IN792 است که ترکیب شیمیایی آن در جدول 1 ارائه شده است. آلیاژ IN792 در دو محیط اتمسفري و خلأ تحت شرایط یکسان ریختهگري شد. بدین منظور از قالب سرامیکی با قطر داخلی 15 میلیمتر و ارتفاع 150 میلیمتر استفاده شد. سرعت حرکت قالب در حدود 10 میلیمتر بر دقیقه در نظر گرفته شد.
براي بررسی ساختار دندریتی، نمونهها تحت اچ میکرو قرار گرفتند. در شکل 4 تصاویر ریزساختار در مقاطع عرضی و طولی نمونه ریختهگري شده در خلأ نشان داده شده است. مطابق شکل دیده میشود که دندریتهاي ستونی در مقطع طولی در راستاي محور میله به موازات هم رشد کردهاند. اندازه فاصله بازوهاي ثانویه دندریتی در حدود 80 میکرومتر میباشد. در شکل -4ب مقطع عرضی این دندریتهاي ستونی به خوبی دیده میشود.
اندازه فاصله بازوهاي اولیه دندریتی در حدود 180 میکرومتر تخمین زده میشود. شکل 5 ساختارهاي میکروسکوپی آلیاژ جهتدار شده در اتمسفر را نشان میدهد. مطابق شکل ساختار دندریتی این نمونه ظریفتر از نمونه جهتدار شده تحت خلأ میباشد. فواصل بازوهاي اولیه و ثانویه دندریتی به ترتیب معادل 30 و 188 میکرومتر میباشد. بدیهی است بیشتر بودن میزان انتقال حرارت در محیط اتمسفر باعث شده تا دندریتها سریعتر رشد کرده و ساختار ظریفتري تشکیل گردد.
