23585

Stabilization of phase in A286 Fe-Ni based superalloy via Nb addition

دكتري تخصصي

مهندسي مواد و متالورژي

1399

1399/12/17

دكتر سيد حسين رضوي

دكتر معصومه سيف اللهي

مهندسي مواد و متالورژي

سوپرآلياژ پايه آهن-نيكل A286، به عنوان يكي از مواد پركاربرد در صنايع توربين‌هاي گازي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. ايجاد رسوبات فاز اتا (h) در اين آلياژ در حين سرويس‌دهي، منجر به افت خواص مكانيكي و كاهش عملكرد آن مي‌گردد. هدف از تحقيق حاضر بررسي شرايط تشكيل فاز h با اصلاح تركيب شيميايي آلياژ A286 است. بدين منظور 6 آلياژ با نام‌هاي، Nb0 (0%at Nb)، Nb15 (0.15%at Nb)، Nb25 (0.25%at Nb)، Nb30 (0.3%at Nb)، Nb35 (0.35%at Nb) و Nb40 (0.4%at Nb) با مقادير مختلف عناصر تاثيرگذار شامل آلومينيوم، تيتانيوم و نيوبيوم طراحي و با روش VIM توليد شدند. پس از عمليات همگن‌سازي، نوردگرم و محلول‌سازي، تمام آلياژها تحت يك سري عمليات حرارتي در بازه دمايي °C650 الي °C900 به مدت زمان 2 الي 30 ساعت قرار گرفتند. تحولات ريزساختاري شامل مقدار رسوبات h و گاماپرايم (/γ) به‌وسيله ميكروسكوپ‌هاي نوري و الكتروني روبشي (SEM) مجهز به EDS، آناليز حرارتي DTA و XRD مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت. همچنين خواص مكانيكي با آزمايش‌هاي سختي سنجي و كشش گرم در دماي °C650 بررسي شدند. بررسي ريزساختاري نشان داد كه در تمام دماهاي پيرسازي، ابتدا فاز /γ در آلياژ ايجاد مي‌شود و در ادامه رسوبات فاز h با دو مكانيزم استحاله h→ /γ و تشكيل مستقيم h از زمينه آلياژ به وجود مي‌آيند. تحولات ريزساختاري نشان داد كه هرچند در دماهاي °C650 و °C720 هيچ اثري از رسوبات h مشاهده نشده است، اما با افزايش دما به °C840 ميزان h به بيشترين مقدار رسيده و مجدداً در دماي °C900، ريزساختار عاري از h گرديد. تحولات ريزساختاري نشان داد كه با تغيير تركيب شيميايي از آلياژ Nb0 (شاهد) به آلياژ Nb30، روند ميزان h كاهشي بوده و در آلياژهاي Nb35 و Nb40، مقدار h افزايش داشته است. به نحوي كه بيشترين كسر حجمي فاز h در دماي °C840 و در آلياژهاي Nb0، Nb30 و Nb40 به ترتيب برابر با 4/6، 8/4 و 5/7 درصد است. تحليل نتايج نشان داد كه كمترين كسر حجمي فاز h مربوط به آلياژ Nb30 بوده است، بررسي مدل‌هاي ترموديناميكي و سينتيكي نيز اين موضوع را به خوبي تحليل و تبيين كرد. بررسي خواص مكانيكي نمونه‌ها نيز نشان داد كه با تغيير آلياژ به Nb30، ميزان سختي و استحكام كشش گرم بهبود يافته است، به نحوي كه استحكام نهايي از مقدار MPa 864 در آلياژ Nb0 به MPa972 در آلياژ Nb30 افزايش داشته است. نتايج تحقيق پيش‌رو نشان داد كه كنترل عناصر مهم (Nb، Ti و Al) در آلياژ بهينه (Nb30)، موجب افزايش ميزان رسوبات /γ و پايداري آن‌ها، كند شدن تشكيل رسوبات h در حين پيرسازي و نتيجتاً بهبود سختي و خواص كششي دماي بالا گرديد.

1400/02/26

پايدارسازي فاز γ' در سوپرآلياژ پايه آهن-نيكل A286 از طريق افزودن عنصر نيوبيوم

3/8/2022 12:00:00 AM

A286 Fe-Ni superalloy is one of the most practical compounds in gas turbine industries. The formation of  precipitates reduces the mechanical properties and performance of the superalloy. The present study investigates the formation conditions of  phase with a variation of A286 chemical composition. In this regards, 6 types of the alloy with varying in Al, Ti, and Nb elements were produced via the VIM method and named Nb0, Nb15, Nb25, Nb30, Nb35, and Nb40. Homogenization, hot rolling, and dissolution annealing were applied to the alloys. Then, the alloys were heat-treated at 650 to 900 ºC for 2 to 30 h. The microstructural evolution, especially the amount of  and , was analyzed by optical microscopy, SEM, DTA, and XRD techniques. In addition, the mechanical properties were investigated via hardness and hot tensile tests at 650 ºC. The microstructural studies indicated that  firstly appeared in all of the aging temperatures, and then,  precipitates formed either directly or from  transformation. Although none of  precipitates was observed at 650 and 720 ºC, increasing temperature up to 840 ºC maximized the amount of  precipitates, and then the precipitates disappeared at 900 ºC. According to microstructural evolution, the amount of  precipitates reduced from Nb0 (control sample) to Nb30, and increased in Nb35 and Nb40. The maximum amount of  precipitates was observed at 840 ºC in Nb0, Nb30, and Nb40, as 6.4, 4.8, and 7.5, respectively. Result analysis showed that the minimum fraction of  precipitates attributed to Nb30, and thermodynamical and kinetical models evaluated and proved this event. The mechanical evaluation indicated that hardness and hot tensile strength improved from Nb0 to Nb30, from 864 MPa to 972 MPa, respectively. In summary, the study showed that the targeted selection of Nb, Ti, and Al in the optimum alloy (Nb30) increased the amount and stability of  precipitates, reduced the formation of  precipitates during aging, and improved hardnes and hot tensile properties.

سوپرآلياژ A286، عنصر نيوبيوم، عمليات پيرسازي، فازهاي /γ و h، ريزساختار، سختي، استحكام كششي گرم.

A286 superalloy, Nb element, aging treatment,  and  precipitates, microstructure, hardness, hot tensile tests.