30762

تاثير ميزان كرم بر ريزساختار و رفتار تنش گسيختگي يك سوپرآلياژ نسل جديد پايه كبالت رسوب سخت شونده با فاز 'γ

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مواد و متالورژي- مهندسي مواد

1394

1402/12/7

سيد محمد علي بوترابي - حسين عربي

مهندسي مواد و متالورژي

يك گروه جديد از سوپرآلياژها، سوپرآلياژهاي پايه كبالت رسوب سخت شونده با فاز ʹγ هستند. در پژوهش حاضر اثر كرم بر مورفولوژي و دماي حلاليت فاز ʹγ، پايداري ريزساختار آلياژ در حضور عنصر كرم، تشكيل فازهاي ثانويه و مورفولوژي آنها و همچنين رفتار تنش گسيختگي اين آلياژها بررسي شده است. ابتدا بر اساس مطالعات انجام شده تركيب شيميايي آلياژ جهت افزايش كرم طراحي گرديد. نتايج بررسي‌ها نشان داد كه آلياژ Co-30Ni-9Al-6W-3Ti-1Ta-0.12B-0.05Zr جهت انجام پژوهش مناسب است. به اين آلياژ مقادير مختلف درصد اتمي عنصر كرم (6، 10 و 14) افزوده گرديد. آلياژسازي، ذوب، ريخته‌گري، عمليات حرارتي همگن‌سازي/آنيل انحلالي بعلاوه پيرسازي انجام شد. جهت كنترل و بررسي ريزساختار آلياژها از آناليز حرارتي، SEM، TEM، EDS، EBSD، XRF و ICP استفاده شد. نتايج بررسي‌ها نشان داد كه فاز ʹγ با افزايش كرم تا 14% در اين آلياژها تشكيل مي‌شود، ليكن اين افزايش تغييرشكل فاز ʹγ از مكعبي به كروي را به دنبال خواهد داشت. با افزايش ميزان كرم در آلياژ، درصد فاز ʹγ كاهش و فازهاي ثانويه جديد علاوه بر فازهاي γ و ʹγ ايجاد مي‌شود. افزايش كرم تا ميزان 6% مي‌تواند موجب تشكيل فاز µ و افزايش كرم به بيش ازميزان 10% مي‌تواند موجب تشكيل فاز ثانويه β علاوه بر فاز ثانويه µ گردد. علت پديده الواري شدن ذرات رسوب فاز γ´ آلياژ طراحي‌شده در دماي پيرسازي oC 900 بدون حضور تنش مورد بررسي قرار گرفت. مدل به هم چسبيدن ذرات فاز γ´ ارائه شد و به كمك آن فاصله بحراني ذرات فاز γ´ از يكديگر كه در فواصل كمتر از آن امكان به هم چسبيدن ذرات ميسر است، محاسبه گرديد. اين فاصله بحراني به ميزان كرنش الاستيك موجود در فصل مشترك زمينه با فاز γ´ وابسته است. همچنين سرعت رشد ذرات فاز γ′ با زمان تعيين گرديد. آزمايش تنش گسيختگي در چهار دما (700، 760، 910 و oC 982) و دو تنش (152 و MPa 586) برروي كليه نمونه‌ها انجام شد و در نهايت سطح مقطع نمونه‌هاي گسيخته شده در اين آزمايش مورد بررسي قرار گرفت. مشخص شد كه افزايش بيش از 6% كرم، موجب كاهش شديد زمان گسيختگي در آزمايش تنش گسيختگي مي‌شود. علت كاهش زمان گسيختگي ايجاد و افزايش درصد فاز µ تشخيص داده شد.

1403/02/08

Effect of chromium content on the microstructure and stress rupture behaviour of a newly developed precipitation hardened cobalt-base superalloy with γ' phase

2/25/2025 12:00:00 AM

A new group of superalloys is precipitation hardened cobalt-based superalloys with γ′ phase. In this research, the effect of chromium content on the morphology and dissolution temperature of γ′ phase, microstructural stability in the presence of chromium, the formation of second phases and their morphology and stress rupture behavior were investigated. First, based on the previous researches, the chemical composition of the superalloy had been designed to add chromium. The results showed that the composition of Co-30Ni-9Al-6W-3Ti-1Ta-00.12B-0.05Zr was suitable for this research. Different contents of chromium (6, 10, and 14 at.%) were added to the designed superalloy. Alloy melting, casting, homogenizing/solution annealing and aging heat treatments were carried out. The microstructure and chemistry of the specimens were investigated by scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopes, differential thermal analysis (DTA), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), electron backscatter diffraction (EBSD), X-ray fluorescence (XRF), and inductively coupled plasma (ICP). The results showed that there was γ′ phase in all specimens with different chromium contents, but increasing the chromium content changed the morphology of the γ′ phases from cubic to spherical. Furthermore, the volume fraction of γ′ phase decreased with increasing the chromium content and new second phases were formed in addition to γ and γ′ phases. Increasing the chromium content up to 6 at.% induced the formation of μ phase, and when the chromium content increased to 10 and 14 at.%, the β phase was formed in addition to the μ phase. Interestingly, the rafting phenomenon of γ′ phase was observed during long-term aging at 900 ˚C without stress in the chromium-free specimen. The mechanism of the γ′ phases coalescing was described and the critical thickness of γ channels was modeled. If the γ channel thickness smaller than the critical value, the γ′ particles would join together. The critical value of γ channel thickness depends on the elastic misfit strain of the γ/γ′ interface. Stress rupture test were carried out at 700 ˚C, 760 ˚C, 910 ˚C and 982 ˚C at two stress levels of 152 MPa and 586 MPa. When the chromium content increased to values beyond 6 at.%, the rupture time dramatically decreased during stress rupture test. The reduced rupture time was related to the μ phase formation.

سوپر آلياژ پايه كبالت جديد , ميزان كرم , مورفولوژي فاز γ′ , فاز µ , فاز β , به هم چسبيدن فاز γ′ , تنش گسيختگي

New cobalt-based superalloy , Chromium content , γ′ morphology , μ phase , β phase , Coalescing of γ′ phases , Stress rupture

Ali Akbar Fallah

Dr. Mohammad Ali Bootorabi