بخشی از مقاله
معرفی یک فلز پرکننده جدید جهت استفاده در اتصال غیر مشابه سوپر آلیاژ ۸۰۰ Incoloy به فولاد مقاوم به حرارت HP
چکیده:
سوپرآلیاژها و فولادهای مقاوم به حرارت به دلیل مقاومت خزشی و اکسیداسیون عالی در دمای بالا کاربردهای مختلفی را در صنایع گوناگون پیدا کرده اند. استفاده از فلز پر کننده با خواصی دمای بالای (مقاومت خزشی و اکسیداسیون) مناسب از اهمیت خاصی در اتصال غیر مشابه این دو آلیاژ برخوردار است. در این پژوهشی از سوپرآلیاژ 617 InCOnel به عنوان فلز پر کننده استفاده گردید. جوشکاری غیر مشابهی بین سوپرآلیاژ 800 Incoloy و فولاد مقاوم به حرارت HP با روش GTAW انجام شد. ساختار میکروسکوپی فلزات پایه، فلز جوش و ناحیه مجاور جوش دو آلیاژ توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی SEM مجهز به آنالیز کننده نقطه ای EDS مورد مطالعه و تجزیه و تحلیل قرار گرفت. خواص مکانیکی اتصال حاصل (استحکام کششی، استحکام تسلیم، درصد ازدیاد طولی، مقاومت به ضربه و سختی) نیز تعیین گردید. نتایج حاصل نشان داد که جوش از پیوستگی مطلوبی برخوردار بوده و هیچ گونه اثری از ترک در ناحیه جوش و فلز جوش مشاهده نشد. نتایج همچنین نشان داد که جوش از خواص مکانیکی مناسبی برخوردار است .
مقدمه
فولادهای ریختگی مقاوم به حرارت برای ساخت اجزا و تجهیزاتی که قابلیت کار برد در دماهای بالا را دارند به طور گسترده استفاده می شوند. این فولادها دارای مقاومت خزشی بالا و پایداری مناسب در برابر محیطهای اکسید کننده، کربوره کننده و حاوی گوگرد در دماهای بالا هستند. فولادهای ریخته گی مقاوم به حرارت به سه گروه آهن - کرم، آهن - کرم - نیکل و آهن - نیکل - کرم تقسیم می شوند. فولاد مقاوم به حرارت HP از جمله فولادهای مقاوم به حرارت است که در گروه آهن - نیکل - کرم قرار می گیرد. از این آلیاژ معمولا در حالت ریختگی استفاده می شود که در این حالت از انعطاف پذیری و قابلیت جوشکاری مناسبی برخوردار است. این آلیاژ قابلیت سخت کاری با عملیات حرارتی را نداشته و هنگامی که در معرض دمای بالا قرار می گیرد به دلیل رسوب فازهای ثانویه، جوش پذیری و انعطافپذیری آن در دماهای پایین کاهش می یابد ولی استحکام و مقاومت خزشی آن افزایش می یابد || ۱ |
امروزه فولاد مقاوم به حرارت HP به دلایلی مثل استحکام بالا، ظرفیت تحمل دمای بالا، مقاومت خستگی حرارتی و خزشی مناسب به طور وسیعی در صنایع مختلفی از جمله صنایع نفت و گاز، پتروشیمی و پالایشگاه، نیروگاه های هسته ای، بویلر ها، نیروگاههای گازی و بخار توربینهای گازی، تیوبهای رفورمر احیای مستقیم در صنایع تولید آهن و فولاد و غیره استفاده میگردد. بررسی های میکروسکوپی نشان میدهد که ریزساختار فولاد HP شامل یک زمینه آستنیتی همراه با شبکه ای از کاربیدهای اولیه است، که پس از قرار گرفتن در معرض دمای بالا و پیر شدن کاربیدهای اولیه به میزان زیادی حل شده و کاربیدهای ثانویه از زمینه فوق اشباع رسوب می کنند. این کاربیدها درشت شده و به طور پیوسته در امتداد مرزها و در زمینه قرار می گیرند. حضور کاربیدهای ثانویه باعث کاهش جوشپذیری این آلیاژها در شرایط پیر شده گردیده و اغلب باعث ایجاد ترکهای در منطقه مجاور جوش می شوند ۵-۱
. سوپرآلیاژها، آلیاژهایی هستند که برای کار در دماهای بالا در شرایطی که استحکام و مقاومت به خوردگی مورد نیاز است بکار می روند. سوپر الیاژها بر پایه عناصر اهن - نیکلی - کبالت و کرم ایجاد شده اند و به سه دسته پایه اهن، پایه نیکل و پایه کبالت تقسیم می شوند [۶].
آلیاژ اینکولوی ۸۰۰ یا به اختصار آلیاژ ۸۰۰ یک سوپرآلیاژ پایه آهن - نیکل استحکام یافته با محلول جامد است که حضور رسوبات فازهای کاربیدی در زمینه آستنیتی این آلیاژ به افزایش استحکام آن کمک می کند. این آلیاژ دارای استحکام خوب و مقاومت عالی در مقابلی اکسیداسیون و کربوره شدن در دماهای بالا است، لذا در محیطهایی که همزمان نیاز به ترکیبی از استحکام و مقاومت به خوردگی باشد مورد استفاده قرار می گیرد. این آلیاژ همچنین از مقاومت بسیار عالی در مقابل ترک خوردن خوردگی تنشی برخوردار است. از این رو در توربین های گازی و موتورهای پر تنشی هواپیما کار برد گسترده ای دارد [۹-۷].
در موارد زیادی لازم است که آلیاژها به فلزات یا آلیاژهای دیگری به صورت غیر مشابه جوشی گردند. در جوشکاری فلزات و آلیاژهای غیر مشابه انتخاب فلز پر کننده که بتواند اتصال مناسبی را بین دو آلیاژ ایجاد نماید. از اهمیت زیادی برخوردار است. فلز پرکننده مناسب نقش مهمی را در افزایش طول عمر اتصال دارد. معمولا برای اتصال سوپرآلیاژها (از جمله آلیاژ ۸۰۰ ) و فولادهای مقاوم به حرارت (ازجمله فولاد HP) از فلز پر کننده حاوی نیکل زیاد مثل این کونل ۸۲ استفاده می شودا ۲، ۵، ۸ ]. در این تحقیق از اینکونل ۶۱۷ به عنوان فلز پرکننده برای اتصال سوپرآلیاژ اینکولوی ۸۰۰ به فولاد مقاوم به حرارت HP استفاده گردید.
مواد و روش انجام ازمایشها
در این پژوهشی از فولاد ریختگی مقاوم به حرارت HP و سوپرآلیاژ پایه آهن نیکل اینکولوی ۸۰۰ استفاده شد. هر دو آلیاژ به شکل لوله با قطر خارجی ۳۵۰ میلی متر و ضخامت جداره ۱۳ میلی متر بودند. ترکیب شیمیایی هر دو آلیاژ در جدول (۱) نشان داده شده است .
فولاد مقاوم به حرارت HP در حالت ریختگی و سوپرآلیاژ اینکولوی ۸۰۰ در حالت آنیل انحلالی قرار داشت. به منظور انجام جوشکاری از فلز پر کننده این کونل ۶۱۷ استفاده گردید. ترکیب شیمیایی فلز پر کننده در جدول (۱) نشان داده شده است. نمونه هایی از هر دو آلیاژ توسط ماشین کاری از لوله های اولیه جدا گردیده و آماده شدند شدند. طرح اتصال نمونه ها به صورت جناغی یک طرفه با زاویه 75. با استفاده نمونه ها په فاصله فاصله ۲/۴ میلی متر در کنار شم قرار داده شدند، لسعبیعتبل جوشکاری نمونه ها بل وران پیشگرم s .آماده گردید روش جوشکاری قوسی - تنگستنی گاز محافظ با قطبیت منفی الکترود (GTAW -"DCEN) انجام شد و از آرگون با خلوص ٪۹۹ به عنوان گاز محافظ استفاده شد. مشخصات روش جوش کاری استفاده شده در جدول (۲) نشان داده شده است. به منظور بررسی و مطالعه میکروسکوپی نمونه هایی با ابعاد Cm ۴*۱*۱ از قطعات جوش جدا گردید. نمونه ها با استفاده از سنبادههای کاربید سیلیسیم از ۸۰ تا ۲۰۰۰ سنباده زنی شده و سپس به کمک پودر آلومینا با اندازه ذرات Illل ۳). در دو مرحله پولیش شدند. نمونه ها توسط محلول اچ ماربل به مدت ۳۰ ثانیه اچ شدند. سپس ریز ساختار نمونه ها با استفاده از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی ( SEM) " مجهز به سیستم آنالیز کننده نقطه ای (EDS) مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفت. خواص مکانیکی فلزات پایه و جوشی نیز تعیین گردید. به منظور تعیین خواص مکانیکی، نمونههای کششی و ضربه بترتیب از فلزات پایه بر اساس استاندارد ASTM E 8M و 23 ASTM E و برای نمونههای جوش بر اساس استاندارد تهیه گردید. سپس آزمایش های کششی و ضربه بر روی آنها انجام شد. سختی همه نمونه ها به روش ویکرز تعیین گردید.
نتایج و بحث
شکل (۱) ریز ساختار فولاد مقاوم به حرارت HP را در شرایط ریخته گی نشان می دهد. بررسی ساختار میکروسکوپی فولاد HP در شرایط ریختگی شکل (۱-الف) نشان میدهد که ساختار زمینه کاملا آستنیتی همراه با زنجیره ای از کاربیدهای یوتکتیک در مرز دانه ها است. بررسی ساختار همین نمونه توسط میکروسکوپ الکترونی با دتکتور الکترونهای برگشتی (شکل ۱- ب) نشان می دهد که شبکه کاربیدهای اولیه در مرز دانه ها متشکل از دو نوع کاربید بوده که با رنگهای تیره و روشن دیده می شوند. علت تفاوت در رنگ این کاربیدها ناشی از اختلاف وزن اتمی عناصر تجمع یافته در این کاربیدها است. در حقیقت کاربیدهای تیره غنی از کرم بوده (احتمالا 6 Cr23C) و کاربیدهای روشن غنی از نیوبیم هستند (احتمالا NbC) که دارای وزن اتمی به مراتب بزرگتر از کرم است ا۵، ۳ ،۲ا وجود این عناصر توسط آنالیز نقطه ای EDS در شکل (۲) تایید شده است.
ساختار میکروسکوپی سوپرآلیاژ اینکولوی ۸۰۰ در شکل (۳-الف) نشان می دهد که این آلیاژ دارای ساختار آستنیتی به همراه رسوبات در مرز دانه ها و رسوبات ریزتری در داخل دانه ها است. در شکل دانه های هم محور آستنیت که درون بعضی از آنها دوقلوهای آنیلی نیز وجود دارند به وضوح قابل مشاهده هستند. شکل (۳- ب) بررسی ها ساختار توسط میکروسکوپ الکترونی را نشان می دهد. در شکل می توان دو نوع رسوب با مورفولوژی متفاوت را مشاهده کرد. یکی ریزتر بوده و به شکل کروی است و دیگری تقریبا به شکل مکعبی است ۵. آنالیز نقطه ای EDS در شکل (۴) نشان می دهد که رسوبات مکعبی غنی از نیتروژن و تیتانیوم (احتمالا نیترید تیتانیوم TiN) و رسوبات کروی غنی از تیتانیوم و کربن هستند (احتمالا کاربید تیتانیوم TiC).
شکل (۵) ساختار میکروسکویی فلز جوش را نشان میدهد، شکل (۵- الف) نشان می دهد که فلز جوش این کونل ۶۱۷ دارای زمینه آستنیتی همراه با رسوبات پراکنده در زمینه است. از شکل مشاهده می شود که فلز جوش به صورت دندریتی انجماد یافته و مهاجرت مرز دانه ها در آن اتفاق افتاده است مرز دانه های مهاجرت گرده حامل مرز دانه های انجمادی با انحراف بالا در جهت گیری هستند. نیروی محرکه برای مهاجرت این مرزها همان رشد دانه های ساده در فلزات پایه هستند. همچنین ممکن است مقداری چند ایشی در امتداد مرزهای مهاجرت کرده صورت گیرد که این جدایش با مکانیزم جارو کردن انجام می شود (۱۰ آ. مطالعه فلز جوش توسط میکروسکوپ الکترونی پا شدتکتورهای برگشتی (شکلی ۵ - ب) وجود دو نوع رسوب با رنگ سفید و تیره را نشان می دهد. آنالیز نقطه ای FIDS ذرات رسوبی موجود در قلز جوشی در شکلی (۶) نشان داده شده است. شکلی (۶- الفبا) نشان میدهد که ذرات سفید رنگ غتی از مولیبدن و مقداری کرم هستند که میتواند کاربید مولیبدن و کرم باشد (M 23C6 که در آن M به معنی مولیبدن و کرم است) و ذرات تیره غنی از تیتانیم هستند که میتواند به صورت کاربید تیتانیم TiC باشد. درصد بالای عناصر دیگر در شکلی (۶- ب) گرفته شده از زمینه فلز جوش ناشی از کوچک بودن ذرات رسوبی آنالیز شده است. وجود ذرات رسوبی مختلف بویژه کاربیدهای مولیبدن در فلز جوش میتواند باعث افزایش استحکام و مقاومت به خزشی و کاهشی داکتیلیته و مقاومت به ضربه جوشی گردد. به اضافه وجود این ذرات رسوبی در جوش می تواند از مهاجرت شدید مرز دانه ها جولوگیری کند || ۱۲- ۱۰.
شکل (۷) فصلی مشترک فلز جوشی با فلزات پایه را نشان می دهد. از شکلی دیده می شود که منطقه جوشی دارای ساختاری متفاوت (ریزتر) با فلز پایه (درشتتر) است. تفاوت ساختار میکروسکوپی فلزات پایه با فلز جوشی ناشی از اختلاف سرعت سرد شدن و لذا سرعت انجماد آنها است. شکل (۴۷-الف) فصل مشترک فلز جوش با فولاد HP را نشان می دهد، چنانکه مشاهده می شودجوش از پیوستگی خوبی برخوردار بوده و هیچ گونه ترکی مشاهده نمی شود. از شکل مشاهده می شود که در منطقه مجاور جوش قولاد HP رسوبات ثانویه تشکیل گردیده و بیشتر در مرز دانه ها رسوب کرده اند. فلز جوش غنی از کرم و مولیبدن و فلز پایه (فولاد HP) غنی از کربن است. بنابراین کرم و مولیبدن می تواند از فلز جوش مذاب (و حتی در حالت جامد پس از انجماد) به طرف فلز پایه مهاجرت کرده و با کربن آن واکنش دهند و فازهای ثانویه را که بیشتر در مرز دانه ها رسوب کرده اند تشکیل دهند. آتالیز نقطه ای EDS این رسوبات در شکل (۸) نشان می دهد که این رسوبات غنی از کرم و مولیبدن بوده و متفاوت از کاربیدهای یوتکتیک اولیه هستند. این رسوبات می توانند به صورت کاربید M 23C6 باشند (M به معنی مولیبدن و کرم است). رسوباتی نیز در قلز جوش در نزدیکی های مرز ذوب ایجاد گردیده است که می تواند در اثر نفوذ کربن از فلز پایه ذوب شده (فولادHP) و مناطق ذوب جزئی به درون حوضچه جوشی باشد که پس از انجماد رسوباتی مثل کاربید مولیبدن و کاربید کرم را تشکیل داده است. در شکلی (۷- الف) همچنین دانه های ذوب نشده ای از فلز پایه در خط ذوب قابل مشاهده هستند. علت خوب نشدن این این دانه ها، اختلاف در ترکیب شیمیایی و نقطه ذوب فلزات پایه و جوش است، در واقع بالاتر بودن نقطه ذوب فولاد HP (فلز پایه) نسبت به این کونل ۶۱۷ (فلز جوش) باعث ذوب نشدن بعضی دانه های فلز پایه در خط ذوب جوش گردیده است آ۸،۹ا.
شکل های (۷- با و ۷- ج) فصلی مشترک قلز جوشی با اینکولوی ۸۰۰ را نشان میدهد. از شکلی ( ۵- لبا) دیده می شود که قصلی =مشترک جوش از پیوستگی خوبی برخوردار بوده و هیچ گونه ترکی مشاهده نمی شود. شکلی نشان می دهد که دانه های فلز پایه اینکولوی ۸۰۰ در ناحیه مجاور جوشی رشد کرده اند. رشد دانه ها به علت بالا رفتن درجه حرارت ناشی از سیکلی های مختلف جوشکاری است. در ناحیه مجاور جوش همچنین می توان ضخیم شدن مرزها را مشاهده نمود. علت ضخیم شدن مرزها غنی بودن آنها از تیتانیوم شناخته شده است. وجود تیتانیوم در مرزهای اینکولوی ۸۰۰ نه تنها باعث کاهش نقطه ذوب آنها می گردد بلکه یوتکتیک هایی با نقطه ذوب پایین را بین کاربیدها و زمینه آستنیتی در طی انجماد تشکیل می دهد، که در اثر ذوب و انجماد در طی جوشکاری باعث ضخیم شدن مرز دانه ها در ناحیه مجاور جوش می شوند با ۸۹|| شکل (۷- ج) یک رشد اپی تکسیال را در فصل مشترک فلز جوش و آلیاژ ۸۰۰ نشان میدهد. بررسی همین فصل مشترک با میکروسکوپ الکترونی (شکل ۷ -د) رشد اپی تکسیال را در فصل مشترک فلز جوش با اینکولوی ۸۰۰ تایید می کند. یکسان بودن شبکه کریستالی فلز جوش و فلز پایه (هر دو آستنیتی با شبکه کریستالی FCC) و نزدیکی ترکیب شیمیائی آنها میتواند علت رشد اپی تکسیال در فصل مشترک آنها باشد ۱۳ ]. جدول (۳) خواص مکانیکی فلزات پایه و جوشی را نشان میدهد. از این جدول مشاهده می شود که فلز جوشی دارای خواص مکانیکی مناسبی بویژه انعطاف پذیری و تا فنس است. انعطاف پذیری در جوش پذیری فلزات و آلیاژها یک فاکتور اساسی به حساب می آید زیرا که فلزات و آلیاژها باید بتوانند تغییر شکل های پلاستیک ناشی از گرم و سرد شدن در پاسهای مختلف جوشکاری را تحمل کنند.
