20748

۲۰۷۴۸

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

دكتري

مهندسي مواد و متالورژي

1392

۱۳۹۸/۴/۲

دكتر حسين عربي و دكتر شهرام خيرانديش

دكتر غلامرضا ابراهيمي

مواد و متالورژي

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.

1398/04/08

An Investigation on Hot Deformation Mechanism and Yield Strength Enhancement of a Co-Al-W Superalloy Together With Thermomechanical and Heat Treatments

6/23/2019 12:00:00 AM

Co-Al-W cobalt-base superalloy containting gamma-prime (γ/) intermetallic phase was recently introduced along with superior enhanced mechanical properties. Moreover, this group of alloys to be considered as a next generation superalloys and as an alternative for Ni-base one. The primary studies have shown appropriate hot working and safe thermomechanical circumistances for this alloys. However, the lack of detailed hot working dataset is seen based on literature survey done. The purpose of this research is according to following: firstly, the deformation response and potential of as-cast Co-Al-W alloy to be listed as wrought and concurrent phe-nomena during the thermomechanical process were assessed. Secondly, study on aging heat treatment of wrought-type sample and evaluating its yield strength form room throughout high temperatures were focused. For this aims, an alloy was designed and casted in vacuum induction melting furnace (VIM) with composition of Co-9.8Al-7.3W-20.4Ni-2.7Ti-0.4C-0.1B (at%). The microstrucrure of as-cast alloy consists of high volume fraction of ordered γ/ phase (~70%), coarse MC carbides (more than 2 µm) and moderate elemental segregation due to non-eqilubrium solidification. Effect of elemental segregation was investigated on the microstructure and characteristic of γ/ particles such as size and chemical compositios during homogenization treatment at 1300ºC and various times i.e. 2, 4, 8, 16 and 24 hours. In addition, the hot compression tests was performed at temperature interval of 950-1200ºC and strain rates from 0.001s-1 to 1s-1, for evalutetion of hot deformation behavior. The results illustrated that the hot deformation at low temperature regime (950-1050ºC) was led to crack formation, fracture with no evidence of dynamic recrystallization (DRX), which was affected by precipitats of the high volume fraction of fine γ/ particles (less than 200 nm). Moverover, at this regime, slip bands of γ/ pricipitates and γ-γ/ rafted struecture were occured corresponding to the interacation of hot deformation related phenomena and particles. In the high temperature regime (1100-1200ºC) that was characterized by electron back scater difraction (EBSD) technique, it is found that the new grains were formed through discontinuous dynamic recrystallization (DDRX) at three different locations in the microstructure: original grain boundaries, vicinity of MC carbides and interior of the relatively coarser grains. These may be attributed to the mechanisms of strain induced boundry migration (SIBM), particle stimulation nucleation (PSN) and sub-grain growth, respectively. Taking the advantage of derived hot deformation concepts, processing maps of the Co-based alloy were developed to determine the safe and appropriate domains were extracted for thermo-mechanical processe. Furthermore, the hot rolling process was carried out on the cast and homogenized samples leading to wrought-type one. The aging heat treatment was performed over the various temperature (720-900ºC) and time (1-48 hours) on the previously solutioned wrought sample, along with revealing and further discustion about the main phenomena accosiated with γ/ pricipitates. To conclude, the optimal condition for aging treatment was achived by combination of the micro-hardness expremental data and available models. Finally, compressive yield strength of wrought alloy under optimal aging treatment was evaluated. The results illustrated that, the alloy yield strength over the applied temperature range was better than ones for special wrought Ni-base superalloys, such as Waspalloy and Udimet 720. This study implis that the Co-Al-W superalloys can be catogorized in wrought from cast-type using conventional routes and they may introduced as a new class of wrought superalloys along with high temperature applications.