عملیات حرارتی سوپر آلیاژهای پایه نیکل

عملیات حرارتی سوپرآلیاژ های پایه نیکل

مقدمه:

عملیات حرارتی سوپرآلیاژ های پایه نیکل ، با مکانیزم رسوب سختی (precipitation hardening) ، انجام می شود. بنابراین عملیات حرارتی این آلیاژها، شامل مراحل همگن سازی، عملیات انحلالی (solution treatment) و پیرسازی (aging) است. متغیرهای مربوط به این مراحل، بر روی ریز ساختار و خواص مکانیکی سوپر آلیاژ تاثیر می گذارند. در نتیجه، انتخاب بهینه این متغیرها روی کیفیت و عمر قطعات مورد استفاده در شرایط سخت کاری، موثر است. عملیات حرارتی، یکی از مراحل ساخت و یا بازسازی پره های توربین گازی است که با هدف ایجاد ساختار میکروسکوپی مناسب و خواص مورد نظر در آلیاژ و پوشش انجام می گردد. عدم کنترل دقیق سیکل عملیات حرارتی و اتمسفر آن، موجب ایجاد ساختار نامناسب، ایجاد ترک، افت خواص مکانیکی و اکسایش    می شود.

عملیات حرارتی سوپرآلیاژ های پایه نیکل

سوپر آلیاژهای پایه نیکل از نظر نوع و ترکیب، دامنه ی گسترده ای دارند و روشهای عملیات حرارتی متنوعی استفاده می شود. از آنجا که استحکام در دمای بالا، تابعی از کسر حجمی فاز́ ɣ است، خواص مطلوب با بهینه کردن کسر حجمی و مورفولوژی این فاز ایجاد می گردد. این کار با مکانیزم رسوب سختی انجام می شود. سوپر آلیاژهای پایه نیکل همیشه در خلا یا تحت اتمسفر خنثی عملیات حرارتی می شوند. متغیرهای مهم در عملیات حرارتی این آلیاژها، عبارتند از : دما و زمان مرحله ی همگن سازی، سرعت سرمایش از دمای همگن سازی، دما و زمان مرحله ی حل کردن جزئی، سرعت سرمایش از دمای انحلال جزئی و نهایتا دما و زمان مرحله ی پیرسازی. این متغیرها روی ریز ساختار آلیاژ موثر هستند.

هدف از انجام عملیات انحلال، به دست آوردن ساختار تک فاز ɣ با شبکه FCC و همگن سازی ساختار میکروسکوپی جدایش یافته است. این مرحله از عملیات در دمای بالا یا نزدیک خط دمایی انجماد ́ ɣ صورت می گیرد و هدف آن بهبود اندازه دانه و کمک به تجزیه کاربیدهای خشن MC به کاربیدهای ریز و مرزدانه ای است. از عملیات پیرسازی، به منظور رسوب́ ɣ  خیلی ریز کمک گرفته می شود که این مورد برای افزایش خواص خزشی (creep properties) بسیار حائز اهمیت است. میتوان گفت که هدف از انجام عملیات حرارتی در آلیاژهای پایه نیکل، ایجاد یک تعادل بهینه میان استحکام بین دانه ای و مرزدانه ای است که توسط اندازه، شکل و توزیع فازهای اصلی و فرعی کنترل می شود.

در سوپر آلیاژهای پایه نیکل، عملیات حرارتی با اهداف ذیل انجام می شود:

• انحلال رسوب های ́ ɣ و برخی کاربیدهایی که در زمینه ایجاد شده اند.
• همگن سازی و توزیع یکنواخت عناصر آلیاژی
• کنترل اندازه دانه ها

1. عملیات حرارتی انحلالی

عملیات حرارتی انحلالی شامل حرارت دادن یک آلیاژ با ساختار دو یا چند فازی، تا ناحیه ی تک فازی نمودار تعادلی فازها، به مدت زمان لازم برای انحلال فازها و ایجاد یک فاز همگن و سپس کوئنچ آن است. انتخاب دما و زمان عملیات حرارتی به پارامترهایی چون دمای انحلال، فازهای مختلف موجود در آلیاژ، دمای رشد دانه ها و خواص مورد نظر بستگی دارد. با انتخاب دماهای پایین تر انحلال، خواص خستگی (fatigue properties) بهتری حاصل می شود اما با انتخاب دمایی بالاتر برای انحلال، خواص خزشی و گسیختگی (creep and rupture properties) دما بالای آلیاژ، بهتر خواهد بود.

در آلیاژهایی که با محلول سازی مستحکم می شوند، خواص بهینه ی مکانیکی زمانی حاصل می شود که روی آنها عملیات انحلال کامل انجام گرفته و سپس سرد شوند. با وجود این باید به ایجاد توازن بین این خواص و خواص دیگری چون مقاومت به خوردگی و اکسایش نیز، در انتخاب روند عملیات حرارتی توجه کرد. در حالت انحلال کامل، فاز ́ ɣ خشن و برخی کاربیدها با حرارت دیدن در دمای ۱۲۰۰ °C به مدت ۲ ساعت در زمینه آستنیتی ɣ حل شده و سپس با سرعت ۵ °C/min سرد خواهد شد که نتیجه آن ایجاد رسوبات درشت ́ ɣ است. دلیل این پدیده، مکانیزم نفوذی، جوانه زنی و رشد رسوبات ́ ɣ است که عواملی مثل فواصل    شاخه های دندریتی، سرعت سرد شدن پس از انجماد، عملیات حرارتی و همچنین دما و زمان عملیات، تاثیرگذار هستند. کاهش فواصل شاخه های دندریتی، فاصله نفوذ را کاهش و سرعت رشد را افزایش می دهد. به علاوه، با کاهش سرعت سرمایش پس از انجماد و عملیات حرارتی، فرصت بیشتری برای نفوذ عناصر و رشد رسوبات فراهم می شود که موجب درشت شدن آن ها می شود.

البته با نگهداری طولانی در دمای همگن سازی، ذوب موضعی یوتکتیک اتفاق می افتد ودر نتیجه، درصد یوتکتیک کاهش  می یابد. اگر چه عملیات محلول سازی در دمای بالا، منجر به افزایش کسر حجمی ́ ɣ ظریف می گردد، ولی خطر فرا گرمایش(over-heat) و تشکیل شبکه های کاربیدی در مرزدانه ها را افزایش می دهد و اگر دمای محلول سازی پایین باشد، انحلال به خوبی صورت نگرفته و کسر حجمی ́ ɣ ظریف به شدت کاهش می یابد.

برای به دست آوردن رسوبات ́ ɣ ظریف با توزیع یکنواخت، باید عملیات محلول سازی جزئی انجام شود. در محلول سازی جزئی، بخشی از فاز ́ ɣ درشت به علت حل نشدن کامل، باقی می ماند و درصد فاز ́ ɣ درشت در دمای محلول سازی بالاتر، کمتر می شود و اندازه آنها بستگی به سرعت سرمایش بعد از حل سازی دارد. انتخاب دمای محلول سازی جزئی، به میزان تمایل آلیاژ به تشکیل فازهای مضر TPC نظیر لاوه، ɳ و Ϭ، بستگی دارد.

2. عملیات پیرسازی

در آلیاژهایی که دارای حد اشباع یا انحلال عنصر ثانویه هستند، با کاهش دما، یک فاز ثانویه می تواند تشکیل شود که با فاز اولیه(زمینه) در حالت تعادل ترمودینامیکی قرار خواهد داشت. ایجاد این فاز جدید، زمانی است که شرایط ترمودینامیکی و سینتیکی، هر دو همزمان فراهم باشند. لذا، اگر چه کاهش دما شرایط ترمودینامیکی استحاله را فراهم می کند، اما همراه با این کاهش، یکی از شرایط مهم سینتیکی، یعنی تحرک اتم ها و نفوذ اتمی، مشکل تر می شود. از آنجا که اتم های عنصر حل شونده به صورت تصادفی در داخل شبکه فاز اولیه توزیع شده اند، برای ایجاد فاز ثانویه، این اتم ها باید از چنان قابلیت تحرک و نفوذی برخوردار باشند که بتوانند خود را به موقعیت های جدید و مناسب، برای ایجاد و رشد فاز جدید برسانند. اگر یک آلیاز فوق اشباع، در ناحیه دو فازی (یا چند فازی) در دماهای بالا برای مدتی نگهداری شود، یک فاز ثانویه که به صورت ذرات ریز در داخل زمینه پخش شده است، ایجاد خواهد شد. درصد، اندازه و چگونگی توزیع این فاز، به عواملی چون ترکیب شیمیایی آلیاژ، روند عملیات انحلالی، ساختار اولیه، دما و زمان پیرسازی بستگی دارد. شکل ا دیگرام فازی Ni-Al را همراه با ترکیباتی که برای رسوب́ ɣ مناسب هستند، نشان می دهد.

شکل۱٫ دیگرام فازی Ni-Al و ترکیباتی که مناسب برای رسوب گذاری́ ɣ هستند.

وجود فاز ثانویه در داخل زمینه، مانند یک مانع در سر راه نابجاییها عمل کرده و باعث قفل شدن آنها و در نتیجه افزایش خواص استحکامی آلیاژ می گردد. مهم ترین فازهایی که عملیات پیرسازی، به منظور ایجاد و توزیع مناسب آنها انجام می شود، بسته به ترکیب آلیاژ یکی از فازهای ́ ɣ  یا ̋ ɣ  هستند. هر چند که فازهایی مانند Ni₃Ti₃ و انواع کاربیدها (به خصوص M₂₃C₆)، بریدها (M₃B₂) و فاز دلتا (Ni₃Nb) نیز ممکن است، تشکیل شوند. چنین فازهایی کنترل عملیات پیرسازی را حساس تر می کنند.

نوع و تعداد فازهای رسوبی، اندازه ی رسوبات، دمای کاری آلیاژ و ترکیب مطلوبی از خواص استحکامی و انعطاف پذیری، از جمله عوامل مهمی هستند که روی انتخاب دما، زمان پیرسازی و نیز تعداد مراحل عملیات پیرسازی موثر هستند. در مجموع، هدف اصلی از پیرسازی، راسب کردن فازهای مقاوم کننده ی زمینه و در نتیجه بهبود خواص مکانیکی آلیاژ است.

3. استحاله های فازی

یکی از مسائلی که ممکن است، طی عملیات حرارتی سوپرآلیاژ و یا در حین کار سوپر آلیاژها رخ دهد، استحاله ی فازی است، یکی از این استحاله ها، استحاله ی فاز ́ ɣ به فاز ɳ یا ترکیب Ni₃Ti است که در آلیاژهایی با نسبت کم آلومینیم به تیتانیم، هنگام قرارگرفتن در دمای ۷۰۰-۹۰۰ °C رخ می دهد. این فاز در دماهای زیر ۷۵۰ °C به صورت رسوب در مرز دانه ها و در دماهای بالای ۷۵۰ °C به صورت رسوبات ویدمن اشتاتن (Widman Staten) در داخل ساختار وجود دارد.

فاز دلتا می تواند در محدوده ی دمایی ۶۵۰ °C تا ۹۲۵ °C تشکیل شود و توزیع و مورفولوژی آن به دمای پیر کردن بستگی دارد. در دماهای پایین پیرسازی، به شکل سلولی در میان دانه ها  و در دماهای بالا به شکل رسوب مرز دانه ای است.

4. واکنش های کاربیدی

کاربیدها از فازهای مهم موجود در ساختار سوپر آلیاژها هستند و انواع مختلف آن مورفولوژی های متفاوتی دارند. کاربیدهای MC در طی فرایند انجماد تشکیل می شوند و کاربیدهای M₂₃C₆ در طی عملیات حرارتی سوپرآلیاژ و یا از تجزیه ی کاربیدهای MC  و واکنش آنها با زمینه، شکل می گیرند. تغییر نوع، مورفولوژی و توزیع کاربیدها با فرایند عملیات حرارتی ممکن است و باید با عملیات حرارتی مناسب مورفولوژی مفیدی از این کاربیدها، قبل از به کارگیری قطعه ایجاد کرد. کاربید MC در سوپر آلیاژهای پایه نیکل، در طی عملیات انحلال به طور کامل حل نمی شود. با این وجود، این کاربید یک حالت ناپایدار داشته و در آلیاژهایی حاوی درصد بالایی از مولیبدن و تنگستن، در دماهای حدود ۹۸۰ °C تا ۱۰۴۰ °C به M₂₃C₆ تبدیل می شود که این کاربید بیشتر در مرز دانه  رسوب کرده و با توجه به سیکل عملیات حرارتی سوپرآلیاژ می تواند، دارای مورفولوژی های نواری، کروی، صفحه ای، لایه ای و یا سلولی باشد. شکل ۲ تصویر SEM از برخی کاربیدها و فازهای رسوبی را در آلیاژ اینکونل ۷۱۸ نشان می دهد.

شکل۲٫ رسوب کاربید، فاز دلتا و رسوبات ́ ɣ و̋ ɣ در آلیاژ اینکونل ۷۱۸

منابع 

1. س.ع. سجادی، سوپر آلیاژهای پایه نیکل. مشهد : دانشگاه فردوسی، ۱۳۹۲٫
2. Ni-base super alloys