بررسي مكانيزم كارگرم و بهبود استحكام تسليم يك سوپرآلياژ Co-Al-W با استفاده از عمليات ترمومكانيكي و حرارتي

دكتري

اخيراً سوپرآلياژهاي پايه كبالت Co-Al-W حاوي فاز بين فلزي گاماپرايم (γ/) كه خواص مكانيكي مناسب‌تري نسبت به سوپرآلياژهاي پايه كبالت متداول دارند، معرفي شده‌اند. اين آلياژها به عنوان نسل جديد سوپرآلياژها مطرح هستند و مي‌توانند جايگزيني مناسب براي سوپرآلياژهاي پايه نيكل باشند. بررسي‌هاي اوليه انجام شده بر روي اين آلياژها، نشان داده است كه آن‌ها از كارپذيري‌گرم مناسبي برخوردارند، هرچند اطلاعات جامعي در اين زمينه وجود ندارد. لذا يكي از اهداف اصلي پژوهش حاضر، بررسي نحوه پاسخ يك آلياژ ريختگي Co-Al-W جهت تبديل از حالت ريختگي به كارشده و تشريح پديده‌ها و مكانيزم‌هاي حاكم در اين تبديل است. علاوه بر اين، بررسي عمليات پيرسازي در آلياژ كارشده و ارزيابي خواص استحكام تسليم آن نيز مورد نظر است. به اين منظور، آلياژ (at%) B1/0-C4/0-Ti7/2-Ni4/20-W4/7-Al8/9-Co با روش ذوب و ريخته‌گري در خلاء (bar 5-10) توليد شد. بررسي اين آلياژ ريختگي نشان داد كه ريزساختار حاوي فاز بين‌فلزي γ/ (با حجم %70~) و كاربيدهاي درشت MC (بيش از μm 2) در زمينه گاما (γ) است. در حين انجماد غيرتعادلي آلياژ ريختگي، جدايش عناصر اتفاق افتاد. تاثير اين جدايش عنصري بر ويژگي‌هاي ريزساختاري فاز γ/ با استفاده از عمليات همگن‌سازي در دماي Cº1300 و در زمان‌هاي مختلف (2، 4، 8، 16 و 24 ساعت) در اين تحقيق بررسي شده است. نتايج اين بررسي نشان داد كه با افزايش زمان همگن سازي به 16 ساعت، علاوه بر پخش مناسبي از عناصر آلياژي در بين و داخل بازوهاي دندريتي، ويژگي‌هاي رسوبات گاماپرايم نيز در اين مناطق مشابه شد. جهت بررسي رفتار كارگرم، نمونه‌هايي از آلياژ ريختگي-همگن‌سازي شده تهيه و آزمايش‌هاي فشارگرم در محدوده دماهاي Cº1200-Cº950 و محدوده نرخ كرنش‌هاي s-11-001/0 بر روي آن‌ها انجام شد. نتايج نشان داد كه تغييرشكل‌گرم در شرايط رژيم دماي پايين (Cº1050-Cº950)، به واسطه تشكيل كسر حجمي زيادي از رسوبات ريز γ/ (كمتر از nm 200)، با ترك و شكستگي همراه است. تحت اين شرايط پديده تبلور مجدد ديناميكي (DRX) مشاهده نشد. ولي در محدوده اين رژيم دماي پايين، تغييرشكل موجب برش خوردن رسوبات γ/ و ايجاد ساختار الواري γ/-γ مي‌شود. كارگرم بر روي آلياژ در رژيم دماي بالا (Cº1200-Cº1100)، كه ريزساختار فاقد فاز γ/ است، موجب تشكيل دانه‌هاي جديد ناشي از پديده DRX مي‌شود. بررسي‌هاي ريزساختاري به كمك روش پراش الكترون برگشتي (EBSD) نشان داد كه DRX از نوع ناپيوسته بوده و دانه‌هاي جديد در اثر مهاجرت مرزدانه‌هاي اوليه در اثر كرنش (SIBM)، جوانه‌زني متأثر از وجود كاربيدهاي MC در زمينه (PSN) و رشد ناپيوسته دانه‌هاي فرعي اتفاق مي‌افتد. با استفاده از منحني‌هاي بدست آمده در آزمايش‌هاي فشارگرم، نقشه‌هاي فرآيندي اين آلياژ رسم و شرايط مناسب جهت كارگرم آلياژ استخراج گرديد. سپس بر اساس داده‌هاي استخراج شده از اين نقشه‌ها، عمليات نوردگرم بر روي نمونه‌هاي ريختگي-همگن‌سازي‌شده انجام و قطعات كارشده‌اي توليد شد. بر روي اين نمونه‌ها، سيكل‌هاي عمليات حرارتي‌ پيرسازي در دماهاي مختلف (Cº900-Cº720) و زمان‌هاي متفاوت (1 الي 48 ساعت) انجام و پديده‌هاي حاكم بر تغيير و تحول رسوبات γ/ بررسي شد. همچنين با استفاده از آزمايش‌هاي ميكروسختي و مدل‌هاي موجود، شرايط بهينه عمليات حرارتي پيرسازي تعيين گرديد. در انتها مشخص شد كه استحكام تسليم فشاري در محدوده وسيعي از دماهاي كاربردي، از استحكام سوپرآلياژهاي پايه نيكل كارشده‌ي معروفي مانند Udimet 720 و Waspaloy بيشتر است. اين نتايج به‌گونه‌اي است كه مي‌توان ادعا كرد كه سوپرآلياژهاي كارشده Co-Al-W كه با روش‌هاي متداول كارگرم توليد شده‌اند، طبقه جديدي از آلياژهاي كارشده را تشكيل مي‌دهند و از آن‌ها مي‌توان به‌عنوان جايگزيني مناسب براي سوپرآلياژهاي پايه نيكل كارشده استفاده كرد.

193108

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر غلامرضا ابراهيمي

مهندسي مواد و متالورژي

دكتر حسين عربي و دكتر شهرام خيرانديش