رسوب سختی سوپرآلیاژ

رسوب سختی سوپرآلیاژ ها در راستای تقویت استحکام دما-بالا و مقاومت به خزش این دسته آلیاژها انجام می شود. ریزساختار بعد از رسوب سختی سوپر آلیاژ شامل شبکه مکعبی وجوه مرکزدار سخت شده به وسیله رسوب سختی یا تشکیل محلول است. سوپر آلیاژها به طور کلی آلیاژهای مقاوم در برابر حرارتی هستند که بر پایه نیکل ، آهن-نیکل یا کبالت-نیکل طراحی می شوند و ترکیب مناسبی از استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر خرابی سطح از خود نشان می دهند.

رسوب های مکعبی γ′ درون زمینه اینکونل 718

در آلیاژهای سختی پذیر بر پایه نیکل ، رسوب سختی سوپر آلیاژ به وسیله ترکیب بین فلزی γ′ (Ni3Al) انجام می شود. ولی آلیاژهای سختی ناپذیر بر پایه نیکل ، کبالت و آهن به وسیله تشکیل محلول جامد سخت می شوند. در آلیاژهای سختی پذیر بر پایه آهن و آهن-نیکل علاوه بر رسوب های γ′ ترکیبات γ″ (Ni3Nb) و η (Ni3Ti) نیز در رسوب سختی سوپرآلیاژ نقش دارند. سوپر آلیاژهای بر پایه کبالت نیز توسط کاربیدها رسوب سختی می شوند و مکانیسم سختی بر پایه ترکیبات بین فلزی ندارند.

مراحل عملیات رسوب سختی سوپرآلیاژ اینکونل 718

سوپر آلیاژهای پایه نیکل از لحاظ ترکیب آلیاژی انواع مختلفی دارند. اما رسوب فاز γ′ اساس رسوب سختی اغلب سوپرآلیاژ های این دسته را تشکیل می دهد. به این دلیل که استحکام در دمای بالا تابع مورفولوژی ، درصد حجمی و توزیع این رسوب ها است. بنابراین عملیات حرارتی باید به گونه ای انجام شود که این سه پارامتر به صورت بهینه تنظیم شوند. متغیرهای عملیات حرارتی رسوب سختی سوپرآلیاژها شامل دما و زمان همگن سازی و انحلال ، سرعت سرمایش از مرحله همگن سازی و انحلال و دما و زمان پیرسازی می شود.

مرحله انحلال در رسوب سختی سوپرآلیاژ

در رسوب سختی سوپرآلياژ عملیات حرارتی انحلال به منظور دستیابی به شبکه γ با ساختار FCC و همگن سازی ساختار جدایش یافته ناشی از ریخته گری یا کار سرد است. این عملیات در دمایی بالا تر از دمای انحلال γ′ انجام می گیرد و باعث افزایش اندازه دانه و تجزیه کاربیدها یا تبدیل ذرات درشت کاربیدی به کاربیدهای ریز مرزدانه ای می شود. اصلی ترین هدف از این عملیات، انحلال رسوب های قبلی موجود در شبکه سوپرآلیاژ است.

نمودار TTT سوپرآلیاژ اینکونل 718

به طور کلی این مرحله شامل حرارت دادن سوپرآلیاژ تا ناحیه تک فازی نمودار تعادلی و نگه داری آن در زمان لازم برای حل شدن فازها در شبکه و سپس سرمایش سریع است. انتخاب دمای انحلال بستگی به فازهای اولیه موجود در ساختار آلیاژ دارد. انتخاب دماهای پایین تر انحلال موجب خواص خستگی بهتر و انتخاب دماهای بالاتر برای فرآیند انحلال موجب خواص خزشی و پارگی دما بالای بهتر سوپر آلیاژ خواهد شد.

چگونگی فرآیند انحلال

به منظور دستیابی به خواص مکانیکی بهینه در آن دسته سوپر آلیاژ هایی که به وسیله تشکیل محلول جامد استحکام دهی می شوند، بایستی در دما و زمان مناسب عملیات انحلال به صورت کامل انجام بگیرد و سپس کوئنچ شوند. معمولا این دما برای انحلال کامل در رسوب سختي سوپرآلیاژ ها از 982 تا 1232 درجه سانتیگراد یا 1316 درجه سانتیگراد برای سوپرآلیاژهای تک بلور متغیر است. هر چند دماهای بالای 1204 درجه سانتیگراد اغلب از لحاظ هزینه ای به صرفه نیستند. از سوی دیگر به دلیل جدایش عناصر آلیاژی احتمال ایجاد ترکیبات یوتکتیک با دمای ذوب پایین تر در ساختار وجود دارد. بنابراین بالا رفتن دمای ذوب ممکن است موجب ذوب جزئی بشود. این مشکل در قطعات ریخته گری بزرگ و اشکال پیچیده ریخته گری شده مثل پره توربین ها وجود دارد. در قطعات کار شده که به وسیله تغییر شکل و اعمال دما همگن شده اند این مشکل دیده نمی شود.

عملیات پیرسازی

به طور کلی عملیات رسوب سختی سوپرآلیاژ در آن دسته آلیاژهایی انجام می شود که دارای حد اشباع برای عناصر ثانویه ساختار هستند. کاهش دما موجب رسوب دادن ساختاری می شود که با زمینه آلیاژ تعادل ترمودینامیکی دارد. کاهش دما در عین حال که شرایط ترمودینامیکی ایجاد رسوب را فراهم می کند، شرایط بهینه سینتیکی، از جمله سرعت نفوذ اتم ها، را تحت الشعاع قرار می دهد. بنابراین تنظیم دما باید به گونه ای انجام شود که اتم ها سرعت کافی برای نفوذ و تشکیل ترکیبات رسوبی را داشته باشند. در این شرایط، نگه داشتن آلیاژ در دمای گفته شده و زمان کافی موجب ایجاد فاز ثانویه به صورت ذرات ریز خواهد شد. به این عملیات پیرسازی می گویند.

مکانیسم پیرسازی و فرتوت سازی سوپرآلیاژ

بسته به نوع آلیاژ و ترکیب آن این دما 621 درجه تا 1038 درجه سانتیگراد متغیر است. از سوی دیگر ممکن است که یک سری عملیات پیرسازی مجدد در دمای متفاوتی اعمال شود تا مجموعه دیگری از رسوب ها در شبکه ایجاد شوند. برای مثال برای آلیاژ Waspaloy یک عملیات حرارتی اولیه در 843 درجه و یک عملیات حرارتی دوم در 760 درجه سانتیگراد انجام می شود.

عیوب احتمالی در عملیات پیرسازی سوپرآلیاز

طی این عملیات پیرسازی علاوه بر رسوبات γ′، γ″ و η ترکیبات کاربیدی و فازهای ترد و شکننده از جمله σ نیز تشکیل می شوند. یکی از دلایل چند مرحله بودن فرآیند رسوب سختی سوپر آلیاژ کنترل بیشتر روی تشکیل این فازها و توزیع مناسب کاربید ها در زمینه است. توزیع ابعادی رسوب های ساختار نیز مستقیما تحت تاثیر دمای پیرسازی قرار دارد. دماهای بالای پیرسازی موجب کاهش استحکام از طریق افزایش ابعاد رسوب ها و همدوس شدن آنها می شود. به این فرآیند فرتوت شدن می گویند.

مکانیسم رسوب سختی سوپرآلیاژ

مکانیسم های رسوب سختی سوپرآلیاژ بر مبنای دشوار شدن حرکت نابجایی ها به دلیل وجود رسوب عمل می کنند. گیر کردن نابجایی ها بر این موانع، باعث قفل شدن آن ها و افزایش استحکام آلیاژ می گردد. در صورت فرتوت شدن آلیاژ این مکانیسم عمل نمی کند، نابجایی به راحتی از رسوب گذر کرده و تاثیر رسوب از بین می رود. اما رسوب های بزرگتر مقاومت بهتری در برابر خزش دارند. به طور کلی، استحکام بیشتر به مقاومت در برابر خزش ترجیح داده می شود و پیرسازی به گونه ای انجام می شود که رسوبات ریز تشکیل شوند.

هزینه رسوب سختی سوپرآلیاژ

عملیات رسوب سختی سوپرآلیاژ که شامل انحلال و پیرسازی می شود، از لحاظ دمای انجام فرآیند جزو پر چالش ترین عملیات حرارتی بین آلیاژهای پرکاربرد در صنعت است. با فرض این که هر بخش عملیات حرارتی به صورت یک مرحله ای انجام شود، سوپرآلیاژ Inconel 706 برای انحلال به 1000 درجه سانتیگراد و برای پیرسازی به 845 درجه نیاز دارد. بنابراین فشار بالایی که این عملیات به کوره وارد می کند باعث بالا رفتن هزینه رسوب سختی سوپرالیاژ می شود.

در کنار دما، عامل بسیار مهم دیگری که موجب افزایش هزینه رسوب سختی سوپرآلیاژ می شود، اتمسفر کوره است. اتمسفر کوره در مرحله انحلال که در دمای بیشتر انجام می شود و زمان طولانی تری به طول می انجامد، از اهمیت بیشتری برخوردار می شود. برای رسوب سختی سوپرآلیاژ هایی که در ساختار آن ها از آلومینیوم و تیتانیوم استفاده شده است، ایجاد اتمسفر خنثی یا انجام عملیات در کوره خلا اهمیت بالایی دارد. تنظیم اتمسفر در کوره موجب بالا رفتن هزینه رسوب سختی سوپر آلیاژ می شود.