لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه: 53
1) مقدمه ای درباره سوپر آلیاژهای پایه Ni
سوپر آلیاژ، آلیاژهای پایه Fe-Ni , Co,Ni هستند که عموماً در دمای بیش از c540 مورد استفاده قرار می گیرند. مجموعه های از جنس سوپر آلیاژها می تواند بوسیلة جوشکاری یا لحیم کاری ساخته شوند، اما ترکیبات دارای عناصر آلیاژی زیاد، حاوی مقدار زیادی از فازعهای سخت کننده هستند که این فازها جوشکاری را مشکل میکنند. دانسیتة سوپر آلیاژهای پایه co در حدود 8.3-9.4 gu/cu3 است و این مقدار برای سوپرآلیاژهای پایه Ni در حدود 7.8-8.9 gu/cu3 می باشد. دانسیتة سوپرآلیاژها بوسیلة عناصر آلیاژی تأثیر می پذیرد: Cr , Ti , Al دانسیته را کاهش می دهند، در حالیکه Ta , Rh , W آن را افزایش می دهند. مقاومت به خوردگی سوپر آلیاژها نیز در وهلة اول به عناصر آلیاژی اضافه شونده و محیط مورد آزمایش بستگی دارد. دمای ذوب اولیه و دامنة دمایی ذوب سوپر آلیاژها توابعی از ترکیب و فرآیند اولیه است. سوپر آلیاژهای پایه Ni ممکن است دارای دمای ذوب اولیه ای در حدود c1204 باشند. سوپر آلیاژهای تک کریستال پیشرفتة پایه Ni با مقادیر محدودی عوامل کاهنده تمایل دارند که دمای ذوب اولیه ای برابر با سوپرآلیاژهای پایه co داشته باشند. شبکه های آستینتی fcc سوپرآلیاژها دارای قابلیت انحلال زیادی برای برخی عناصر آلیاژی، داکتیلیتی عالی و ویژگیهای مطلوب برای رسوب فازهای استحکام بخش مؤثر هستند. ساختار نسبتاً پیچیدة سوپر آلیاژهای پایه Ni از زمینه ای آستیتی (r) تشکیل شده که توسط مکانیزم یا مکانیزم هایی نظیر محلول جامد (solid solution) رسوبات هم سیما (cohrent precipitate) با زمینه و انواع مختلف کاربید که در داخل زمیه و در طول مرز دانه ها توزیع شده اند مستحکم شده است. مقاومت به خوردگی، استحکام زیاد و مقاومت خزشی بالا از مشخصات این نوع آلیاژها می باشند که از طریق کنترل ترکیب شیمیایی فاز زینه و فازهای ثانویه، مورفولوژی و میزان پراکندگی فازها و شرایط ریخته گری و عملیات حرارتی بدست می آیند. امروزه بیشتر آلیاژهای پایه Ni توسط مکانیزم سختی رسوبی (precipitation hardening) با فاز رسوبی مقاوم می گردند. فازهایی همچون کاربیدها، بریدها و دیگر فازها (لاوی، و...) که ممکن است در سوپر آلیاژها خواص غیرمطلوب ایجاد کنند (بسته به نوع، اندازه و پراکندگی این نوع فازها) نیز در داخل فاز زمینه و یا در مرز دانه ها می توانند موجود باشند.
سوپرآلیاژها به صورت ریخته گری، نورد، اکسترود، فورج و پودری مورد استفاده قرار گرفته اند. ورق، میله، صفحه، لوله، شفت، ایرفویل، دیسک، مخزنهای فشار و ... اشکار مختلف مورد استفادة سوپر آلیاژی هستند. این فلزات در صنایع هوایی، صنعت، توربینهای گازی دریایی، راکتورهای هسته ای، پوسته های صنایع هوایی، ساختارهای صنایع فضایی، پتروشیمی، پروتزهای داندانپزشکی و ارتوپدیک و کاربردهای محافظت محیطی استفاده می شوند. به همان شکل که برخی از سوپر آلیاژها برای کاربرد در دمای بالا توسعه یافته اند، برخی نیز برای کاربرد در دماهای تبریدی و محیطی گسترش پیدا کرده اند. امروزه این کاربردها با سرعت کمتری نسبت به دهه های گذشته، همچنان در حال پیشرفتند ولی کاربردهای فضایی همچنان به عنوان یک کاربرد غالب باقی مانده اند.
2) تاریخچه سوپرآلیاژهای پایه Ni مورد استفاده در توربینهای گازی
سوپرآلیاژهای پایه Ni، پیچیده ترین و پرمصرف ترین آلیاژهای مورد استفاده در ساخت قطعات داغ توربین و شناخته شده ترین سوپرآلیاژها نزد اغلب متالوژیست ها می باشند. این مواد در بالاترین دمای کاری نسبت به تمامی سیستمهای آلیاژی معمول کار کرده و بیش از 50% وزن موتور هواپیماهای پیشرفتة امروزی را تشکیل می دهند. توسعة آنها در اواخر دهه 1930 در کشورهای فرانسه، آلمان، انگلستان و ایالات متحده آغاز شد. آلیاژهای اولیه که بصورت کار شده تولید می شدند، استحکام خود را با عملیات رسوب سختی بدست می آوردند. از سال 1939 یکسری از آلیاژهای Ni-Cr-Fe توسط شرکت Inconel توسعه یافت که با استفاده از عملیات حرارتی انحلالی و رسوب سختی به حداکثر استحکام دمای بالای خود می رسیدند. این آلیاژها براساس آلیاژ محلول جامد Inconel600 و افزودن Ti , Al به منظور سخت شدن از طریق تشکیل فاز قرار داشتند. افزودن 1% Nb باعث تولید Inconel x-750 شد که استفادة وسیعی در پره های متحرک توربین پیدا کرد.
در اواخر دهة 1940 آلیاژهای M-252 , Waspaloy در آمریکا ساخته شدند که کاربرد وسیعی در ساخت پره های متحرک توربین یافتند. طی سالیان بعد استفاده از آلیاژهای پایه Ni کار شده در سایر قسمتهای توربین نیز متداول شد که استفاده از برخی از آنها مانند M-252 تا به امروز نیز ادامه یافته است. سایر آلیاژهای پایه Ni کار شده اغلب به شکل ورقه به کار می روند. آلیاژ Hastalloy x که یک آلیاژ مستحکم شده از طریق محلول جامد می باشد، در محفظة احتراق و جدارة داخلی پس سوز توربینهای امروزی استفاده می شوند.
پیدایش تکنولوژی ذوب القایی تحت خلأ در اواخر دهة 1950، باعث حذف شرط کارپذیری گرم و تولید آلیاژهای با ترکیب پیچیده تر و ساختار کنترل شده تر از طریق ریخته گری دقیق تحت خلأ گردید. کنترل انجماد و دانه بندی، منجر به ساخت قطعات با انجماد جهتدار و تک کریستال گردید که باعث افزایش قابل ملاحظه ای در تحمل دمایی این آلیاژها شدند.
برتری خواص سوپرآلیاژهای ریختگی باعث جایگزینی این آلیاژها به جای آلیاژهای کار شده گردید، به طوری که امروزه تمامی پره های ثابت و متحرک توربین های گازی پیشرفته از طریق ریخته گری دقیق تحت خلا تولید می شوند. شکل 1 پیشرفتهای تکنولوژیکی و انواع مهم سوپر آلیاژهای ریختگی و کار شده پایه Ni را طی سالهای 1940 تا 1980 میلادی نشان میدهد.
3) ترکیب شیمیایی سوپر آلیاژهای پایه Ni
در سوپرآلیاژهای پایه Ni حداقل 12 تا 13 عنصر مهم وجود دارد که مقدار آنها بایستی به دقت کنترل گردد. مهم ترین عناصر موجود در ساختار سوپرآلیاژهای پایه نیکل عبارتند از: Ni , Co , Fe , Rh , W , Mo , Cr , V, Hf , Zr , Y , C , B, Nb , Ta , Ti , Al که درصد حضور برخی از مهم ترین آنها در سوپر آلیاژهای پایه Ni اینگونه است:
(0-6%)Rh , (0-12%)Ta , (0-5%)Nb , (0-20%)Co , (0-6%)Ti , (0-6%)Al , (0-12%)Mo,w , (5-25%)Cr و... .
بعلاوه عناصر جزئی مانند Bi , Pb , Te , Se باید در حد بسیار کم (PPm) نگهداشته شوند که این امر با انتخاب صحیح مواد اولیه و روش بهینة ذوب امکانپذیر است. عناصر جزئی می توانند به نسبت مفید یا مضر باشند که در زیر این دسته بندی را مشاهده می کنیم:
Mg – Ca – Y – Ce – La – Zr – B – C عناصر مفید جزیی
Cu – Ag – Pb – Bi – Sb – Te – As – Se – P – S – N – O – He – Ar عناصر مضر جزیی
عناصر مزاحم مانند N , O , S , P , Si نیز باید از طریق مرحلة ذوب در حد مطلوب کنترل شوند. ولی به طور میانگین می توان گفت که اغلب سوپرآلیاژهای پایه Ni دارای Cr(10-20%) ، حدود (8%) مجموع Co(5-10%) , Ti+Al و مقادیر کمی B , Zr , C می باشند. ترتیب امکان حضور عناصر و توزیع عناصر در فازهای مختلف سوپرآلیاژهای پایه Ni به صورت زیر است:
Ni – Cr – Co – Al – Fe , Mo – W – Ta – Ti – Hf – Rh ,… ترتیب امکان حضور عناصر
فاز زمینه (W , Mo , Cr , Fe , Co , Ni) – مرزدانه ها (Hf – Zr – B , C) فاز رسوب (Nb , Ta , Al)
کاربیدها (Nb , Ta , Ti , W , Mo , Cr) – اکسیدها (Cr , Al)
ترکیب سوپر آلیاژهای پایه Ni مقاوم شده با فاز ثانویة شدیداً پیچیده هستند. این آلیاژها ممکن است تا 15عنصر شیمیایی را در بر داشته باشند. ترکیب کلی برای تعدادی از سوپرآلیاژهای پایه Ni در جدول 1 آمده است. عناصر مختلف تأثیرات مختلفی بر خواص سوپرآلیاژها دارند که به طور اجمال به ذکر آن پرداخته می شود:
3-1) تأثیر Al : الف) این عنصر به عنوان عنصر اصلی برای تشکیل ترکیب بین فلزی منظم Ni3Al می باشد.
ب) به علت نقش این عنصر در تشکیل یک لایة چسبنده بر روی سوپر آلیاژها مقاومت اکسیداسیون آنها را بالا می برد.
ج) درصورت باقی ماندن Al در زمینه می تواند زمینه را توسط مکانیزم محلول جامد مقاوم نماید و در این صورت نیز عنصر فوق، یک عنصر مستحکم کنندة خیلی قوی میباشد. البته Al جهت تشکیل فاز به این آلیاژها اضافه می شود ولی رسوب فاز فوق در داخل زمینه، بستگی به تاریخچه حرارتی (Thermal history) دارد.
3-2) تأثیر Cr : الف) حضور این عنصر موجب افزایش مقاومت به خوردگی داغ واکسیداسیون می گردد.
ب) به عنوان یک عنصر کاربیدزا استحکام ماده را در دمای بالا افزایش می دهد.
ج) با تشکیل محلول جامد استحکام فاز زمینه را افزایش می دهد.
3-3) تأثیر C : حضور این عنصر به عنوان عناصر اصلی تشکیل دهندة کاربیدها نقش بالایی را در به وجود آوردن استحکام و داکتیلیتی مطلوب به خصوص در مرز دنه را دارا میباشد. ولی افزایش آن موجب کاهش مقاومت به خوردگی واکسیداسیون میگردد.
3-4) تأثیر Co : الف) باتوجه به نزدیکی اندازة اتمی عناصر Co با Ni، مهم ترین عنصر مقاوم کنندة زمینه می باشد.
ب) این عنصر موجب کاهش حلالیت Ti , Al در زمینه گشته و در نتیجه دمای حلالیت کامل فاز را افزایش می دهد و از اینرو در ابقاء استحکام آلیاژ در دمای بالا مؤثر است.
ج) این عنصر علت کاهش انرژی عیوب انباشتگی (stacking fault energy) در سوپرآلیاژهای پایه Ni موجب دشوارتر شدن انجام لغزش متقاطع در فاز زمینه و فاز می گردد.
د) در رابطه با نقش Co در تک کریستالها و پلی کریستالها اعلام گردیده است که کاهش این عنصر در پلی کریستالها موجب کاهش عمر خزشی میگردد، در حالیکه در تک کریستالها موجب افزایش عمر خزشی می گردد.
هـ) افزایش co در مدت زمانی که در معرف حرارت (Exposure at high temperature) است، موجب کاهش سرعت بزرگ شدن فاز می گردد، هر چند که این موضوع به میزان عدم تطابق هندسی در شبکة کریستالی شدیداً وابسته است.
3-5) تأثیر عناصر Mo , W , Nb , Ta : الف) این عناصر برای بالابردن استحکام آلیاژ در دمای بالا مورد استفاده قرار می گیرند.
ب) این عناصر علاوه بر اینکه بعنوان عناصر کاربیدزا مطرح می باشند، به میزان محدودی در فاز نیز حل می شوند، از اینرو پارامتر شبکة را تحت تأثیر قرار داده و دمای حل شدن و یا پایداری دمای بالای آن را تا حدی تحت کنترل دارند.
در میان این عناصر Ta , Nb به صورت تشکیل فاز Ni3x در بعضی از سوپرآلیاژها نقش اصلی استحکام دهی با مکانیزم سختی رسوبی را دار می باشند. عناصر W , Mo به علت داشتن سرعت نفوذ کم، اثر زیادی در استحکام زمینه در دمای بالا دارند.
3-6) تأثیر Ti : الف) این عناصر می تواند در مقادیر بالا جایگزین Al در فاز رسوبی گردد.
ب) یک عنصر کاربیدزای قوی می باشد.
ج) به علت تشکیل لایة اکسیدی چسبنده، مقاومت به اکسیداسیون این آلیاژها را افزایش می دهد. از این جهت عنصر Ta نیز دارای تأثیر مشابه Ti بر روی آلیاژهای پایه Ni می باشد.
3-7) تأثیر عناصر Mg , Hf , Zr , B : الف) به علت اختلاف زیاد اندازة اتمی عناصر فوق با Ni، به مرزدانه های فاز زمینه، جدایش می نمایند. از این رو به عنوان تقویت کنندة مرزدانه ها مطرح می باشند.
ب) این عناصر در مقادیر کم ، قابلیت افزایش استحکام شکست و عمر شکست سوپرآلیاژها را دارا می باشند. این اثر شاید به علت کاهش فرآیند نفوذ مرزدانه ای باشد. یادآوری می شود که حضور Zr , B موجب جلوگیری از انباشتگی کاربیدهای M23C5 در مرزدانه ها می گرد، از این رو مانع شکل گیری ترکهای خزشی در مزدانه ها می گردند. همچنین افزایش رسوبات کاربیدی در داخل دانه ها در نتیجة حضور Zr , B میتواند تغییرات زیادی را در سرعت رشد ترک خزشی (Creep crack Growth rute, (CGR)) مخصوصاً در ناحیه آستانه (Thrishold region) ایجاد نماید. افزایش بیش از حد B موجب ایجاد بوریدهای کمپلکس می گردد که به علت نقطه ذوب پایین، انجام کار گرم بر روی سوپر آلیاژها را مشکل می کنند. بور زیاد همچنین باعث کاهش خواص مکانیکی در دمای بالای سوپرآلیاژها میگردد. قابل ذکر است که حذف عناصر فوق و نیز حذف کربن در تک کریستالها موجب حذف فازهای با ذوب زودرس (Incipient melting) میگردد. نتیجتاً میتوان دمای محلولسازی بالاتری را در سوپرآلیاژها انتخاب نموده و لذا فازهای بزرگ ریخته گری بطور کامل حل گردیده و میتوان آنها را در سیکل حرارتی سرد کردن و پیرسازی تبدیل به ذرات ریز و به اندازة مورد نظر نمود.
3-8) تأثیر عناصر ناخالصی و جزئی : تقسیم بندی عناصر ناخالص و جزیی در جدول 2 آمده است. این عناصر ممکن است با هم و یا با عناصر آلیاژی ترکیب گردیده و انواع فازهای مفید و غیرمفید را بوجود آورند و از اینرو تقسیم بندی آنها به عناصر مفید و یا غیرمفید براساس تمایل عنصر فوق به تشکیل فزها مضر و غیرمضر می باشد. به طور مثال وجود سولفوکاربید غنی از Zr , Ti در آلیاژهای ریختگی موجب جوانه زنی ترک در فصل مشترک بین این فاز و فاز زمینه در مقادیر کم کرنش می باشد. و نیز ترکیبات مضر Si در آلیاژهای پایه Ni موجب کاهش خواص مکانیکی آنها می گردد. عده ای از عناصر جزئی به علت جدایش به مرزدانه رفته و باتوجه به اکتیویته سطحی آنها بر خواص مکانیکی از جمله خزش مؤثر می باشند. حضور این عناصر موجب کاهش انرژی سطحی مرزدانه گردیده و در نتیجه شعاع بحرانی حفره های مرزدانه ای کاهش می یابد.
در کل نقش عناصر مختلف در سوپرآلیاژهای پایه Ni را به طور خلاصه اینگونه میتوان بیان کرد:
1-
سخت کننده ها از طریق ایجاد محلول جامد
Re,Ta,W,Mo,Fe,Cr,Co
2-
تشکیل دهندگان کاربید MC
Hf,Nb,Mo,Ti,Ta,W
3-
تشکیل دهندة کاربید M7C3
Cr
4-
تشکیل دهندگان کاربید M23C6
W,Mo,Cr
5-
تشکیل دهندگان کاربید M6C
Nb,W,Mo
6-
تشکیل دهندگان فاز رسوبی
Ti , Al
7-
افزاینده های دمای انحلال
Co
8-
رسوبات سخت کننده و پائین فلزی
Nb , Ti , Al
9-
مقاوم کننده ها در برابر رسوب
Ce,La,Y,Cr,Al
10-
مقاوم کننده ها در برابر سولفیداسیون
Si,Co,Cr
11-
مقاوم کننده ها در برابر سولفیداسیون
Si,Co,Cr
12-
افزاینده های خواص خزشی
Ta,B
13-
افزاینده های استحکام شکست
B
14-
تصفیه کننده های مرزدانه ای
Hf,Zr,Cr,B
15-
کندکنندة سرعت درشت شدن
Re
4) ساختار سوپرآلیاژهای پایه نیکل
4-1) سیستمهای سخت کنندة سوپرآلیاژهای پایه Ni
مهم ترین دستة سوپرآلیاژهای پایه Ni، آلیاژهایی هستند که بوسیلة رسوب ترکیب بین فلزی در یک شبکة fcc مستحکم می شوند. برای آلیاژهای Ni-Ti/Al رسوب سخت کننده است. از چنین آلیاژهایی می توان به آلیاژهای کار شده مثل V-720 , waspalloy یا آلیاژهای ریختگی مثل IN718 , Rene80 اشاره کرد. برای آلیاژهای Ni-Nb فاز سخت کننده، نام دارد. نمونه ای از این آلیاژها IN718 است. برخی آلیاژهای پایه Ni ممکن است حاوی Nb به اضافة Al , Ti باشند و در نتیجه دارای استحکام بخش در کنار یکدیگر می باشند. آلیاژهایی از این نوع عبارتند از IN-909 , IN-706.
دسته دیگری از سوپرآلیاژهای پایه Ni اساساً بصورت سخت شونده بوسیلة محلول جامد هستند. چنین آلیاژهایی عبارتند از IN-625 , Hastalloy-x . در آلیاژهای پایه نیکل استحکام یافته با محلول جامد ممکن است برخی استحکام بخش های اضافی بوسیلة کاربید و یا رسوب ترکیبات بین فلزی انجام پذیرد.
دستة سوم آلیاژهای استحکام یابنده بوسیلة انتشار اکسید (ODS) مانند IN-MA-6000E, IN-MA-754 است که بوسیله نشر ذرات خنثی ای همچون عنصر Y مستحکم می شوند و برخی اوقات با رسوب (MA-6000E) همراه می شوند.
4-2) فازهای موجود در سوپرآلیاژهای پایه Ni و نحوة توزیع و مورفولوژی آنها
تنوع ساختاری اساسی در سوپر آلیاژها در مقدار رسوب و مورفولوژی آن و نحوة توزیع کاربید است. خواص آلیاژهای پایه Ni و پایه Fe-Ni توسط هر سه حالت بالا قابل کنترل است. آلیاژهای Ni-Nb دارای گونة اضافی فاز هستند. کنترل ساختار، از طریق انتخاب و اصلاح ترکیب و بوسیلة انجام فرآیند، انجام می شود. سوپرآلیاژهای ریختگی و کار شده برای یک ترکیب اسمی داده شده هر کدام فواید و مضراتی را به بار می آورند. سوپرآلیاژهای ریختگی عموماً دارای اندازه دانة درشت تر، جدایش آلیاژی بیشتر و نیز ویژگیهای پیشرفتة خزشی می باشند.
سوپر آلیاژهای پایه Fe-Ni-Ni از نوع Al/Ti ای عمدتاً شامل پراکنده در زمینه و افزایش استحکام با افزایش Vf عموماً کمتر از در حدود 0.25 درصد حجمی میباشد. معمولاً در آلیاژهای با Vf پائین کروی است، اما اغلب در سوپرآلیاژهای پایه نیکلی با Vf بالاتر مکعبی است. سوپرآلیاژهای از نوع Ni-Nb عمدتاً شامل پراکنده در زمینه به همراه مقداری هستند. توان استحکام یابی ناپیوستة سوپرآلیاژهای سخت شونده با و بوسیلة توزیع درون دانه ای فازهای سخت کننده کنترل می شود.
یا کاربید ناپیوسته (سلولی) در مرزدانه ها، مساحت سطح را افزایش داده و به طور موثری عمر شکست را کاهش می دهند، حتی با وجود اینکه استحکام خزشی و شکست ممکن است تقریباً تحت تأثیر قرار نگیرند. سوپرآلیاژهای پایه Fe-Ni-Ni عموماً برای بدست آوردن خواص خستگی و کششی بهینه تحت عملیات قرار می گیرند. خواص رضایت بخش در آلیاژهای Ni-Ti/Al بوسیلة بهینه کردن Vf و مورفولوژی به همراه تأمین پخش کاربیدهای گلبولی مجزا در طول مرزدانه ها حاصل می شود.
این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
دانلود تحقیق کامل درمورد سوپر آلیاژ
