دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
چکیده:
سوپرآلّیاژ ها جزء معدود موادی هستند که توانایی و قابلیت کاربرد در دماهای بالاتر را داشته و برای استفاده در داغ ترین قسمتهای یک توربین گازی گسترش یافته اند. در این تحقیق رفتار خزشی و پارامتر های موثر در خزش سوپرآلیاژ پایه نیکل Rene 80 را با بررسی ریز ساختار و انجام آزمایشات خزش در شرایط تنش و دمای متفاوت مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است و تاثیرات خشن شدن رسوبات و اندازه دانه وکاربیدها و همچنین مکانیزمهای خزش مورد مطالعه واقع شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهند که آلیاژهایی با دانه های درشت و ذرات ´γ ریز که بطور یکنواخت پراکنده شده اند بیشترین مقاومت در برابر خزش را دارند و با افزایش تنش و دما عمر خزشی در نمونه ها کاهش می یابد.
مقدمه:
ابداع توربین موتور هواپیما در سالهای 1940 تا 1950 تاثیر فوق العاده ای بر ساخت مواد قابل کاربرد در دماهای بالا گذاشت. پیدایش موتور جت نیاز به مواد و آلیاژهای جدیدی را که می بایست دارای ترکیبی از استحکام بالا و مقاومت در برابر پدیده های مضری چون خوردگی داغ باشند،آشکارتر نمود. این امر باعث پیدایش شاخه جدیدی از آلیاژها بنام سوپرآلیاژ ها گشت.
سوپرآلیاژها،آلیاژهای با پایه Ni،Fe-Ni و Co می باشند که عموما در دماهای بالای c°540 بکار می رود. این آلیاژها را می توان به شکل ریخته گری شده یا کار شده مورد استفاده قرار داد. از مهمترین گروههای سوپرآلیاژی،آلیاژ های پایه Ni می باشند که یکی از مشهورترین اعضای آن آلیاژ Rene 80 جهت ساخت پره توربین موتور های هوایی مورد استفاده قرار گرفته است. سوپرآلیاژ های پایه Ni معمولا دارای مقادیر مختلف Al و Ti می باشند. این عناصر با ایجاد رسوب Ni3(Al ,Ti) (ترکیبی با ساختمان شبکه ای FCC منظم شده که گاما پرایم،´γ ،نامیده می شود) زمینه آستنیتی را مستحکم می نماید. محیط هوای فشرده برای دیسکها می تواند حاوی مقادیر مختلفی از رطوبت،سولفور(در محیطهای صنعتی) و یون کلر(در کنار دریا) باشد. چنانچه محیط حاوی این عناصر باشد، سوپرآلیاژها را به ترکهای مرز دانه ای پیشرونده ی محیطی حساس می کند. آسیب خستگی می تواند عمر مفید سوپرآلیاژهای پایه نیکل را که در توربین های گازی برای موقعیت دما بالا،تنش بالا استفاده می شوند را محدود کند. هر چند که بطور معمول شکست پره های توربین در شرایط سرویس،جای تخریب ناشی از خزش در نتیجه ی خستگی حرارتی می باشد،لیکن با روش ریخته گری جهت دار دانه ها یا ایجاد ساختار تک بلور،مقاومت پره ها در برابر خستگی حرارتی به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد. از این رو بیشتر پدیده خزش به عنوان شاخص تخریب مورد بررسی قرار می گیرد. در این پروژه مکانیزمهای پیشنهاد شده برای خزش سوپرآلیاژهای پایه نیکل استحکام یافته با َ γ که درکاربردهای دیسک استفاده میشوند بررسی میشود.انواع روشهای مشخص کنترل کننده استحکام خزشی مانند برش نابجایی کوپل APB(anti-phase boundary )،برش ترکیباتی شامل نقص در چیده شدن فوق شبکه،حلقه اوراوان،صعود بوسیله دور زدن(climb by-pass) ،ریزدوقلویی(microtwinning)مشاهده شده،به شدت از میزان فاز رسوب یافته َγ تاثیر می پذیرند وتحت محدوده های دماو تنش قابل اجرا هستند.مطالعات بیشترانجام شده نشان دهنده شباهتهای مهمی بین فرایند ریزدوقلویی ونقص در چیده شدن گسترده میباشد. در سوپرآلیاژهای پایه نیکل پلی کریستالی،تحت شرایط مشخص خزشی ،ریز دوقلویی مکانیزم اصلی تغییر شکل خزشی می باشد. نتایج نشان می دهد که خواص مطلوب در سوپرآلیاژهای Rene 80 با اپتیمم کردن کسر حجمی و مورفولوژی َγ ایجاد می گردد و بهترین خواص خزشی در این آلیاژها با ماکزیمم کردن کسر حجمی فاز َγ ظریف بدست می آید. برای بررسی عمر خزشی و تاثیر عوامل ذکر شده بر خزش سوپرآلیاژهای پایه نیکل،پس از تهیه نمونه ی شکست ،آزمایش خزش در چهار شرایط مختلف c°871 و MPa470 ، c°871 و MPa290،c°926 و MPa375 و c°982 و MPa191 انجام شد و بوسیله عکسبرداری با میکروسکوپ روبشی(SEM) نوع شکست در هر نمونه بررسی شد.
2-1انواع سوپرآلیاژها:
سوپرآلیاژها موادی هستند که برای کار در دمای بالا و تحت تنش مکانیکی زیاد ساخته شده اندو به سه دسته عمده سوپرآلیاژهای پایه نیکل،آلیاژهای پایه کبالت و آلیاژهای پایه آهن- نیکل تقسیم می شوند. عموما سوپرآلیاژها دردماهای بالایc ˚540 بکار می روند.
فلزاتی از قبیل تنگستن،تانتالوم و نیوبیوم نیز برای بهبود خواص در دماهای بالا به آنها اضافه می شود. شکل دهی سوپرآلیاژها هم بصورت کار سرد(نورد،آهنگری و...)و هم بصورت ریخته گری صورت می گیرد. [1]
سوپر آلیاژهای پایه کبالت را می توان بجای سوپر آلیاژهای پایه نیکل استفاده کرد که این جایگزینی به استحکام مورد نیاز و نوع خوردگی بستگی دارد. در دماهای پایین تر وابسته به استحکام مورد نیاز،سوپر آلیاژهای پایه آهن-نیکل نسبت به سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت کاربرد بیشتری پیدا کرده اند. همچنین این سوپر آلیاژها ارزان تر می باشند. اکثر سوپر آلیاژهای کار شده برای بهبود مقاومت خوردگی دارای مقداری کروم هستند. در ابتدا مقدار کروم در آلیاژهای ریخته گری شده زیاد بود،اما به تدریج مقدار آن کاهش یافت یا عناصر آلیاژی دیگری برای افزایش خواص مکانیکی به آنها افزوده شد. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل با کاهش کروم مقدار آلومینیوم افزایش می یابد،در نتیجه مقاومت اکسیداسیون آنها در همان سطح اولیه باقی می ماند و یا افزایش می یابد،اما مقاومت در برابر انواع دیگر خوردگی کاهش می یابد. [5-2] مهمترین گروه های سوپر آلیاژی،آلیاژهای پایه Ni می باشند که یکی از مشهورترین اعضای آن آلیاژ Rene 80 جهت ساخت پره توربین موتورهای هوایی مورد استفاده قرار گرفته است.[6]
2-1-1 سوپر آلیاژهای پایه نیکل :
در سوپر آلیاژهای پایه نیکل،عناصر آلیاژی برای افزایش خواص محلول جامد،تشکیل دهنده های رسوب و یا کاربید،و به عنوان پایدار کننده های مرزدانه ها و سطوح آزاد اضافه شدند. تنگستن(W)،مولیبدن(Mo)و تیتانیم(Ti)مستحکم کننده موثر محلول جامدند،WوMo همچنین برای کاهش ضریب نفوذ آلیاژ به کار می روند.(یک رابطه کلی معکوس بین نقطه ذوب و نفوذ پذیری وجود دارد).اگر چه اثر کرم(Cr) بر استحکام بخشی از طریق محلول جامد کم است(یعنی dτ/dc کم است)،اما به علت حلالیت زیاد Cr در Ni اثر کلی آن در استحکام بخشی زیاد است.کبالت (Co) اثر کمی بر استحکام بخشی از طریق محلول جامد دارد اما پایداری رسوب های زیر میکرونیX) ,Al )Ni3 یا َγ در محلول جامد نیکل یا γ را افزایش می دهد.در فاز َ γ،X نشان دهنده حضور Ti، نایوبیم (Nb) یا تانتالم (Ta) است. در این آلیاژها مشکل بودن حرکت نابجایی از ذرات منظم َγ مسئول مقاومت زیاد آنها به خزش در دماهای زیاد است. نکته جالب رفتار معمول َγ است یعنی با افزایش دما از دماهای کم به حدود c º 700 استحکام حدود 3 تا 6 برابر افزایش می یابد.همچنین قابل توجه است که در آلیاژهای تک بلور که درc º 1000 تحت تنش قرار می گیرند رسوبات َγ به درشت شدن و تشکیل تیغه های موازی تمایل دارند که عمود بر محور تنش اعمالی قرار می گیرند. مطالعات اخیر تأیید می کند که با تشکیل این ریز ساختار " مواج مانند " مقاومت به خزش آلیاژ افزایش می یابد. عقیده بر این است که نبودن صعود نابجایی در اطراف ذرات َγ ،به علت شکل عدسی مانند آنها ،نابجاییها مجبور به برش فاز منظم َγ هستند. این مسیر نابجایی مقاومت آلیاژ به سیلان مومسان را افزایش می دهد.
حضور کاربیدها در مرزدانه های آلیاژهای چند بلوری سرش و مهاجرت مرزدانه ها را محدود میکند.عناصر کاربیدزا،مثلW ،Mo،Nb،Ta،Ti،Cr و وانادیم (V) به تشکیل کاربیدهای M7C3،M23C6،M6C وMC پایدارتر از همه است (مثلاًََ TiC). وقتی میزان کرم نسبتاً زیاد است ،ذرات Cr23C6 تشکیل می شوند.
Cr، Al،بور(B)،زیرکونیوم(Zr)،و هافنیم(Hf) پایدارکننده های سطح اند .حضور کرم به صورت محلول جامد باعث تشکیل Cr2o3 میشود ،که آهنگ اکسایش و خوردگی داغ راکاهش می دهد.آلومینیم باعث بهبود مقاومت به اکسایش و مقاومت به پوسته شدن اکسیدها می شود. بالاخره، B،Zr،و Hf اضافه می شوند تا در بهبود استحکام گرم،شکل پذیری گرم، و عمر گسیختگی سهیم باشند.
تلاشهای اخیر برای بهبود وضعیت کاری سوپر آلیاژها بیشتر به سمت بهینه سازی طراحی و ساختن آنها به روش های پیشرفته توجه دارد تا تغییر در ترکیب شیمیایی.[7]
ساختار:
ساختار اکثر سوپر آلیاژهای پایه Ni شامل سه جزء اصلی زمینه آستینتی γ ،رسوبات همدوست (coherent) َγ و کاربیدها می باشد. عناصری مانند آلومینیوم،کروم،مولیبدن،تنگستن و کبالت سبب افزایش استحکام محلول جامد γ با شبکه FCC می شوند و همچنین عناصرTi وAl سبب بوجود آمدن فاز همدوست َγ با فرمول Ni3(Al ,Ti) )ترکیبی با ساختمان شبکه ای منظم شده( شده که چند عنصر دیگر نظیر Ta و Nb نیز در مقادیر کمتر جایگزین Al یا Ti می شوند. بنابراین استحکام این آلیاژهاتابعی از کسر حجمی فاز َγ است. در واقع فاز َγ به عنوان مهمترین فاز مقاوم کننده در آلیاژ Rene 80 به شمار می رود. مورفولوژی این فاز که به صورت کروی،مکعبی یا صفحه ای در سوپر آلیاژهای پایه نیکل دیده شده است به میزان عدم انطباق شبکه بین فازهای γو َγ و در نتیجه به ترکیب شیمیایی فازهای γ و َγ بستگی دارد.کاربید ها نیز از فاز های مهم استحکام دهنده در این آلیاژها می باشند. [8] استحکام دهی سوپر آلیاژها توسط سخت کاری محلولی)تداخل اتمهای جانشینی همراه با تغییر شکل( ،کار سختی)انرژی نهان ناشی از تغییر شکل( و رسوب سختی )تداخل رسوبها همراه با تغییر شکل( افزایش می یابد.[9]
سوپرآلیاژهای پایه نیکل از لحاظ ترکیبی کمپلکس هستند ولی از لحاظ ریز ساختاری زمانیکه با فولاد ها یا آلیاژهای تیتانیوم مقایسه می شوند،ساده هستند. ریز ساختار شامل زمینه آستنیت است که به روش محلول جامد استحکام دهی شده است. رسوبات با زمینه همدوس هستند و در آن انواع مختلفی از کاربید ها و سایر فازها وجود دارد که از میان زمینه و در طول مرز دانه ها توزیع شده اند. ترکیب مناسب و کنترل مورفولوژیکی موجب ایجاد آلیاژهایی می شود که مقاومت به خوردگی بالا دارند و استحکام زیادی را در دمای بالا نشان می دهند و مقاومت خزشی و انعطاف پذیری خوبی دارند. این آلیاژ ها بصورت ریخته گری،کار شده و متالورژی پودر تولید می شوند که بسته به مزایای اقتصادی و کاربرد های خاص روش تولید متفاوت می باشد.
اکثر آلیاژهای پایه نیکل امروزه توسط رسوب گاما پریم(َγ) استحکام دهی می شوند که بر اساس ساختار Ni3Al منظم شده که با شبکه FCC γ مادر همدوست است. آلیاژ ها همچنین حاوی کاربید ها،بوراید ها و سایر فاز هایی می باشند که ممکن است نا مطلوب باشد. این فازها بسته به نوع دقیق شان ممکن است در زمینه توزیع شوند یا در مرز دانه ها تجمع یابند. عناصر خاصی به منظور تشکیل فازهای مطلوب،برای افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون و کنترل ماهیت و خصوصیات مرز دانه ها افزوده می شوند.
ترکیب سوپرآلیاژهای پایه نیکل استحکام دهی شده با َγ از آنجایی که این آلیاژها ممکن است محتوی 15 عنصر باشند،کمپلکس است. هر عنصر یا دسته ای از عناصر یک یا چند عملکرد دارند که در زیر آورده شده است:
a) استحکام دهنده های محلول جامد: V،Cr،Mo،W،Fe و Co. قابل به ذکر است که اکثر عناصر تا حدودی وارد محلول محلول جامد در زمینه می شوند حتی اگر چه برای اهداف دیگری افزوده شده باشند. بعنوان مثال،Al برای تشکیل َγ افزوده می شود،اما در محلول جامد یک استحکام دهنده قوی است.
b) تشکیل دهنده های َγ : Al، اما Ti،Nb و Ta می توانند جایگزین Al شوند.
c) تشکیل دهنده های کاربید: V،Ti،W،Mo،Cr،Nb و Ta که بصورت کاهش اثر بخشی منظم شده اند.
d) تشکیل دهنده های اکسیدی: Al و Cr. اکسید های پایدار بر سطوح سوپرآلیاژهای حاوی Al و Cr تشکیل می شوند و بطور گسترده ای مقاومت اکسیداسیون دمای بالا را افزایش می دهند.
e) معرفهای مرز دانه ها: عناصری که هیچ یک از اثرات بالا را ندارند و بدلیل تفاوتهای زیاد در اندازه اتمی مرز دانه ها را جدا می کنند. مانند Mg،B،C،Zr و Hf. از دسته بندی بالا می توان نتیجه گرفت که یک عنصر داده شده ممکن است برای بیش از یک هدف افزوده شود و می تواند در بیش از یک فاز اتفاق افتد. برای مثال،آلومینیوم به هر دو صورت زمینه و فازهای َγ ظاهر می شود. در زمینه،یک استحکام دهنده محلول جامد خیلی قوی است و باعث مقاومت به اکسیداسیون می شود. فاز َγ ممکن است حاوی عناصر بیشمار دیگری علاوه بر شکل دهنده های َγ باشند.
فازها: زمینه آستنیت: همان طور که قبلا بیان شد،فاز زمینه fcc است و حاوی استحکام دهنده های محلول جامد می باشد که اثرات استحکام دهی متناسب با تفاوت در اندازه اتم بین زمینه(نیکل) و اتم محلول می باشد. تاثیر عناصر مختلف محلول جامد در جاهای دیگر تخمین زده شده است و همان طور که انتظار می رود،کروم،مولیبدن و تنگستن موثرترین استحکام دهنده ها هستند.
رسوبات گاما پریم: فاز َγ بر اساس ساختار منظم شده Ni3Al با اتمهای نیکل در مراکز سطوح و اتمهای آلومینیوم(یا اتمهای سایر عناصر) در مراکز مکعب می باشد. رسوبات َγ می تواند آلیاژ را به دو طریق استحکام دهد. راه اول،کرنش های همدوسی،نفوذ نا بجایی ها را بدرون رسوب ها مشکل می کند و دوم،زمانیکه نابجاییها بدرون َγ نفوذ می کنند،انرژی مرز آنتی فاز (APB) بخاطر ساختار منظم شده باید ایجاد شود. ثابت شده است که نفوذ نابجایی ها درون ذرات َγ یک مرحله اساسی کنترل تغییر شکل این آلیاژها می باشد. . فاز َγ با توجه به دما کاملا پایدار است. این فاز تقریبا استحکام تسلیم ثابتی در دماهای بالای c˚900 (F˚1650) دارد و بسته به ترکیب وقتی دما به قله یعنی به محدوده c˚900 تا c˚700 (F˚1650 تا 1300) می رسد مقدار کار سختی نیز افزایش می یابد. این وابستگی دمایی کار سختی بصورت واکنش های بین نابجایی های <110> و <100> توضیح داده می شود. شکل و پایداری ساختاری َγ به پارامتر عدم تطابق،δ،بستگی دارد. . زمانیکه اندازه ذرات یا پارامتر عدم تطابق کوچک باشد،ذرات َγ تمایل دارند که به شکل کروی در آیند. برای آلیاژهایی که پارامتر عدم تطابق بزرگی دارند،پیر سازی پیوسته منجر به رسوبات مکعبی شکل می شود که با صفحات {100}زمینه موازیند. بسادگی با ذکر این نکته که هنگامی که ذرات کوچک هستند اثرات انرژی سطحی غالب است و هنگامی که ذرات بزرگ هستند اثرات انرژی کرنشی غالب است،توضیح داده شود. چون صفحات {100}نرم هستند،تغییر شکل الاستیک زمانیکه این صفحات،صفحات انطباق هستند سازگاری بیشتری دارد،عناصری مانند نئوبیوم و تیتانیوم تمایل به افزایش پارامتر عدم تطابق دارند در حالیکه آهن و مولیبدن تمایل به کاهش آن دارند. پارامتر عدم تطابق اهمیت دارد چون نقش بزرگی را در تعیین خصوصیات تغییر شکل ایفا می کند. زمانیکه عدم تطابق بزرگ است تغییر شکل تمایل دارد که بصورت حلقه رسوبات توسط نابجایی ها اتفاق افتد و زمانیکه کوچک است،برش اتفاق می افتد. پایداری مورفولوژیکی َγ به عنوان تابعی از تنش اعمالی مطالعه شده است و ثابت شده است که ریز ساختار تعادلی به جهت تنش اعمالی و پارامتر عدم تطابق بستگی دارد. برای مثال،در آلیاژهایی که پارامتر عدم تطابق مثبت است،تنش در طول[001] مکعب را به صفحه در طول (001) تبدیل می کند.
تعداد صفحات:83
فرمت: ورد و با قابلیت ویرایش
