مطالعه اثر پير شدن و آنيل انحلالي بر جوشپذيري سوپرآلياژ اينكولوي 800
بهفولاد مقاوم بهحرارت HP

رضا دهملايي1، مرتضي شمعانيان2 و احمد كرمانپور2
استاديار، دانشگاه شهيد چمران اهواز
دانشيار، دانشگاه صنعتي اصفهان
dehmolaei@scu.ac.ir

چكيده
در اين پژوهش ابتدا ريزساختار سوپرآلياژ اينكولوي 800 در سه حالت مختلف آنيل شده بعد از پير شدن، آنيل انحلالي بعـد از پيـر شـدن و ريزساختار فولادHP در حالت ريختگي بررسي گرديد . جـوشپـذيري دو آليـاژ در شـرايط مختلـف ارزيـابي گرديـد . نتـايج نـشان داد كـه اينكولوي 800 در شرايط پير شده از جوشپذيري مناسبي برخوردار نبوده و تركهايي در ناحيه مجاور جوش اين آلياژ مشاهده شد. عمليـاتحرارتي آنيل انحلالي بر روي سوپرآلياژ اينكولوي 800 پير شده باعث انحلال رسوبات تشكيل شده در مرحله پير شـدن و برگـشت سـاختارميكروسكوپي به حالت اوليه قبل از پير شدن و لذا باعث بهبود جوش پذيري گرديـد . بـراي ارزيـابي جـوش پـذيري از آزمـايش وارسـترينت 1 استفاده شد.

واژه هاي كليدي:
ريزساختار، جوش پذيري، فولاد مقاوم بهحرارت HP، اينكولوي 800، آنيل انحلالي.

مقدمه
سوپرآلياژها، آلياژهايي هستند كه براي كار در دماهـاي بـالاتر از540 درج ه س انتي گ راد در ش رايطي ك ه اس تحكام و مقاوم تبه خوردگي مورد نياز است بهكار ميروند. ايـن دسـته از آلياژهـابهسه دسته پايـه نيكـل، پايـه آهـن- نيكـل و پايـه كبالـت تقـسيمميشوند [1 و 2]. اينكولوي 800 يك سوپرآلياژ پايه آهن- نيكل استحكام يافته با محلول جامد است كه حضور رسـوبات فازهـايكاربيدي در زمينـه آسـتنيتي ايـن آليـاژ بـهافـزايش اسـتحكام آنكمك ميكند. اين آلياژ داراي استحكام خوب و مقاومت عـالي در مقابل اكسيداسيون و كربوره شدن در دماهاي بالا اسـت، لـذادر محيطهايي كه همزمان نياز بهتركيبي از اسـتحكام و مقاومـتب هخ وردگي در دماه اي ب الا باش د نظي ر ص نايع نف ت و گ از،پتروشـ يمي و پالايـ شگاه، نيروگـ اه هـ اي هـ سته اي، بويلـ ـرها، نيروگاههاي گازي و بخار، توربينهاي گازي مورد استفاده قـرارم ي گي رد [7-3]. فولاده اي ريختگ ي مق اوم ب هح رارت داراي مقاومت خوبي در مقابل ترك خـوردن، تـاب برداشـتن، خـزش، خـ ستگي حرارتـ ي، پيچيـ دگي و خـ وردگي در محـ يط هـ اي اك سيدكننده، كرب ورهكنن ده و ح اوي گ وگرد در دماه اي ب الا هستند. اين فولادهـا بـراي كـار در دماهـاي بـالاتر از 650 درجـهسانتيگراد طراحي شدهاند و بهطور گسترده در صنايع دماي بـالااستفاده ميگردند [8 و 9]. يكي از فولادهاي مقاوم بهحرارت كهبهطور گـسترده در صـنايع دمـاي بـالا نظيـر صـنايع نفـت و گـاز،پتروشيمي و پالايشگاه استفاده ميشود، فـولاد مقـاوم بـهحـرارت25%Cr-35%Ni) HP) اســت . ايــن آليــاژ معمــولاً در حالــتريختگي استفاده ميشود كه در اين حالت از داكتيليتـه و قابليـتجوشكاري مناسبي برخوردار است [12-10].
در موارد زيادي بهدليل نياز بهتعمير، تعـويض و جـايگزيني مـواداوليه، استفاده از جوشكاري بهويژه در حالت فلـزات و آلياژهـايغيرمشابه ضروري است. از اين رو لازم اسـت كـه قطعـات نـو رابه قطعات است فاده شده در سرويس (پير شـده) جوشـ كاري نمـود. لـذا ج وشپ ذيري و پارامتره اي م ؤثر ب ر آن از اهمي ت زي ادي برخوردار است . در اين مقاله جوشپـذيري غيرمـشابه اينكولـوي800 بـ هفـ ولاد مقـ اوم بـ ه حـ رارت HP و تـ أثير ريزسـ اختار ميكروس كوپي اينكول وي 800 (در ش رايط مختل ف قب ل از پي ر شدن، بعد از پير شدن و پس از عمليات حرارتـي آنيـل انحلالـي) بر جوش پذيري اين دو آلياژ مورد بررسي قرار گرفته است.

جدول (1): تركيب شيميايي فولاد HP، اينكولوي 800 و فلز پركننده (درصد وزني).
Fe Ni Cr C Nb Ti Al Mo Mn Si
35/4 35/8 24/4 0/4 1/3 – – 0/04 1/3 1/3 فولاد HP
39/5 31/1 17/9 0/09 – 0/36 0/25 – 1 0/7 اينكولوي 800
3 67 18/22 0/1 3-2 0/75 0/3 – 2/5 0/5 سيم جوش

جدول (2): مشخصات جوشكاري نمونه ها.
پاس هاي بعدي پاس اول مشخصه
14 14 ولتاژ V
1/1 1/3 سرعت جوشكاري mm/s
1/07 0/791 حرارت ورودي kj/mm
120 105 جريان A
روش تحقيق
در ايــن پــژوهش از فــولاد ريختگــي مقــاوم بــهحــرارت HP و سوپرآلياژ اينكولوي 800 در شرايط نو و پير شده بهعنوان فلـزاتپايه و اينكونل 82 بهعنوان فلز پركننده استفاده شـد . هـر دو آليـاژب هترتي ب از لول ه ه ايي ب ا قط ر خ ارجي 250 و 320 ميل ي مت ر و ضخامت جداره 13 ميليمتر تهيه شدند. تركيب شـيميايي فلـزاتپايه و پركننده در جـدول (1) نـشان داده شـدهاسـت . نمونـههـايمناسبي از فلزات پايه تهيه گرديـد. سـپس تعـدادي از نمونـههـاياينكولوي 800 پير شده بهمدت دو ساعت در دماي 1200 درجـهسانتيگراد تحت عمليات حرارتـي آنيـل انحلالـي قـرار گرفتنـد .
به منظور انجام جوشكاري طرح اتصال نمونه ها بهصورت جنـاغيي ك طرف ه ب ا زاوي ه 75 درج ه آم اده گردي د. س پس نمون ه ه ا به صورت لب به لب و بهفاصله 4/2 ميلي متر در كنار هـم قـرار دادهشــدند. جوشــ كاري نمونــه هــا بــا اســتفاده از روش جوشــكاري قـ وس- تنگـ ستني گـ از محـ افظ بـ ا قطبيـ ت منفـ ي الكتـ رود (G TAW-DCEN) انج ام ش د. مشخ صات روش جوش كاري استفاده شده در جدول (2) نشان داده شده است.
بـ راي مطالعـ ات ريزسـ اختاري از متـ الوگرافي اسـ تفاده شـ د. نمونـه هـايي از آلياژه اي پايـه و قطعـات ج وش بـا ابع اد 4×2×1 سانتيمتر تهيه گرديد و پس از سنبادهزني و پوليش شـدن توسـطمحلـول ماربـل ب همـدت 25 ثانيـه اچ ش دند . ريزسـاختار ن واحيمختلف جوش ، فلزات پايه و تركهـاي ناحيـه مجـاور جـوش بـااستفاده از ميكروسكوپ نوري و بررسي تركها در ناحيـه متـأثر از حرارت و نيز تعيين تركيب شيميايي و شناسـايي فازهـا توسـطميكروس كوپ الكترون ي (SEM) مجه ز ب هسي ستم آناليزكنن ده نقط ه اي (EDS) م ورد بررس ي و تجزي ه و تحلي ل ق رار گرف ت. ب ه منظ ور ارزي ابي ج وشپ ذيري و ح ساسيت ب ه ت رك داغ از آزم ايش وارس ترينت اس تفاده ش د. ب دين منظ ور نمون ه ه اي استانداردي بهابعاد 250×25×2/3 ميلي متـر از فلـزات پايـه قبـل وبعد از پير شـدن و بعـد از عمليـات حرارتـي آنيـل انحلالـي تهيـهگردي د. س پس ب هكم ك دس تگاه آزم ايش وارس ترينت، اي نآزمايش در پنج كرنش مختلف 5/0، 1، 2، 3 و 4 درصد و در هر كرنش براي سه نمونه انجام شد. ميانگين مجموع طول تركهاي ايجاد شد ه هر سه نمونه در يـك كـرنش خـاص بـه عنـوان نتيجـهنهايي آزمايش وارسترينت براي ارزيابي حـساسيت بـهتـرك داغگزارش شده است [13].

3- نتايج و مباحث
ش كل (1) ريزس اختار فل زات پاي ه را در ش رايط مختل ف ن شان ميدهد. شكل (1- الـف ) نـشان مـيدهـد كـه ريزسـاختار فـولادمقاوم بهحرارتHP در شـرايط ريختگـي داراي زمينـه آسـتنيتيهمراه با شبكه تقريباً پيوستهاي از كاربيدهاي دندريتي يوتكتيـك(كاربيدهاي اوليه ) در مرز دانهها است و زمينه آسـتنيتي عـاري ازهر گونه رسوبات است.
شكل (1- ب) نشان ميدهـد كـه ريزسـاختار اينكولـوي 800 نـو(قبل از استفاده) داراي زمينه آستنيتي بههمراه رسوباتي در داخـلدانهها و بر روي مرز دانهها است . بررسي ريزساختار همين نمونـهبا ميك روسكوپ الكتروني شكل (1- ج) وجود دو نوع رسوب بـامورفولوژي متفـاوت را نـشان مـيدهـد كـه يكـي ريزتـر بـوده وبه شكل كروي است و ديگري درشتتـر بـوده وتقريبـاً بـه شـكلمكعبي است . رسوبات ريزتر داخل دانهها و رسـوبات درشـتتـراضافه بر داخل دانهها بر روي مرزها نيز مشاهده مـي شـوند. نتـايجآناليز نقطهايEDS اين رسوبات در شكلهـاي (1- د) و (1- ن) نشان ميدهد كه رسوبات ريزتر غني از تيتانيوم بوده كه بـا توجـهب هدرص د ب الاي ك ربن در آلي اژ، اي ن ذرات م ي توانن د كاربي د تيت انيوم (TiC) باش ند و رس وبات درش ت ت ر غن ي از تيت انيوم و نيتروژن است كه ميتواند نيتريد تيتانيوم (TiN) باشد. ايـن نتـايجتوسط ساير محققان نيز تأييد شده است [3، 5 و 6].
شــكل (2) ريزســاختار ميكروســكوپي اينكولــوي 800 را در دو حالت پير شده و آنيلشده نشان مي دهد. مقايسه شكل (2- الـف ) با شـكل (1- ب) نـشان مـي دهـد كـه در اثـر پيـر شـدن تغييـراتمتالورژيكي زيادي در ساختار اوليه اينكولوي 800 رخ داده است.
در ش كل (2- ال ـف) فازه ـا و اج زاء س اختاري جدي دي قاب ـلتشخيص هستند كه در اثر قرار گرفتن آلياژ بـهمـدت طـولاني دردماي بالا (پير شدن ) ايجاد شدهاند. شكل نشان ميدهد كه مـشابهآلياژ 800 نو (قبل از استفاده) فاز ني تريد تيتاني وم با شـكل هندسـيتقريباً منظم مكعبي در تمام سطح نمونه بهصورت پراكنده وجـوددارد. اين فـاز در اثـر قرارگيـري در شـرايط كـاري بـراي مـدتطولاني تغيير خاصـي پيـدا نكـرده و مورفولـوژي و ابعـاد آن نيـز حفظ گرديدهاست كه اين مسئله با توجه بهپايداري اين فاز تا زيردماي ذوب آلياژ منطقي بهنظر مي رسد [2]. ايـن شـكل اضـافه بـرنيتريد تيتاني وم پرتقالي رنگ فازهاي ديگري را با مورفولوژيهاي گوناگون در مرز و در داخل دانهها نشان ميدهد. مطالعه سـاختاراينكولوي 800 پير شده توسط ميكروسكوپ الكتروني با دتكتورالكترونهاي برگشتي شكل (2- ج ) فازهـا را بـا وضـوح بيـشترينشان ميدهد. شكل نشان مي دهد كه ذرات رسوبي هم در داخـلدانهها و هم بـر روي مرزهـا تـشكيل شـدهانـد . از شـكل مـشاهدهميشـود كـه بعـضي فازهـا از دو قـسمت بـا رنـگهـاي مختلـفتشكيل شدهاند كـه در شـكل بـا رنـگهـاي تيـره و روشـن قابـلتـــشخيص هـــستند . شـــكل (2- د) رســـوبات دو رنگـــي را دربزرگنمايي بالاتر (X10000) و با وضوح بيشتري نشان مي دهد. نتايج آناليز نقطهايEDS رسوبات آلياژ 800 پيـر شـده در شـكل(3) نشان داده شدهاست.

شكل (1): ساختار ميكروسكوپي، (الف): فولاد HP، (ب): اينكولوي 800، (ج): تصوير ميكروسكوپ الكتروني از اينكولوي 800، (د) و (ن) بهترتيب آناليز EDS
ذرات درشت TiN و ذرات ريز TiC.

نتايج آناليزEDS رسوبات در مرز دانهها نشان مـي دهـد كـه ايـنرسوبات غني از كروم و كربن بوده كه مـيتوانـد كاربيـد كـروم (6(Cr23C باشد . محدوده دمـايي مناسـب جهـت تـشكيل كاربيـدكروم (6(Cr23C، 850-500 درجـه سـانتيگـراد اسـت. بـا توجـهبهاينكه آلياژ در طي پير شدن در اين محدوده دمايي قـرار دارد وبا توجه بهطولاني بودن مدت پير شدن، زمان كـافي جهـت نفـوذكروم فـراهم بـودهاسـت . از طرفـي كـربن مـازاد بـر حلاليـت درآستنيت در دماي 800 درجه سانتيگراد( پير شدن ) فعـال بـوده واز سرعت نفوذ بسيار بالايي برخوردار است و براي حضور آن در مرز دانهها هيچ محدوديتي وجود ندارد [14]. بههمين دليل كرومميتوانـد پـس از نفـوذ در مـرز دانـه هـا بـا كـربن واكـنش داده وتشكيل كاربيد كروم (6Cr23C) دهد [15 و 16].

ذرات رسوبي با دو رنگ متفاوت نيز توسط آناليز نقطـهايEDS بررسي شدند كه نتايج حاصل در شـكلهـاي (3- ب ) و (3- ج ) نشان ميدهد كه مناطق تيره غني از كروم و كربن بـوده و از نـوعكاربيد كروم (6(Cr23C است، در حاليكـه منـاطق روشـن غنـي ازنيكل، تيتـانيوم و سيليـسيم اسـت كـه بـا توجـه بـهدرصـد عناصـرموجود در آن ميتوانـد فـازG بـا تركيـب شـيميايي 7Ni16Ti6Si باشد.

50
μ
m

25
μ
m

Cr
23
C
6

G phase

G Phase
الف
ب

ج

د



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید