بررسي ريزساختار و خواص مكانيكي اتصال غيرهمجنس سوپر آلياژ اينكونل625 به فولاد زنگ نزن 316 آستنيتي در فرآيند لحيمكاري سخت

آرمين امامي*1، مرتضي شمعانيان2، مسعود كثيري3
دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي مواد- جوشكاري، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، اصفهان، ايران
استاد، دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، اصفهان، ايران
* Email:armin1emami@yahoo.com
(تاريخ دريافت: 07/06/91، تاريخ پذيرش: 12/10/91)

چكيده
در اين مقاله به بررسي ريزساختار و خـواص مكـانيكي اتصـال غيـر همجـنس سـوپر آليـاژ Inconel 625 بـه فـولاد زنـگنـزن آسـتنيتي AISI 316L با لايهمياني پايه نيكل AWS B-Ni2 به ضخامت 120 ميكرون، در فرايند لحيمكاري سخت پرداخته شده اسـت . اتصـال دردماي C◦1020 در مدت زمانهاي 30، 60، 120 دقيقه و همچنين عمليات همگنسازي در دماي C◦1080به مـدت 4 سـاعت بـر روينمونه اتصال يافته به مدت 120 دقيقه در كوره موفلي تحت پوشش گاز محافظ آرگون انجام شده است. بررسيهاي به عمل آمـده ازريزساختار و خواص مكانيكي درز اتصال نشان داده است كه با افزايش زمان اتصالدهي از 30 دقيقه به 120 دقيقه حجم تركيبات بين فلزي و رسوبات در مركز درز اتصال كاهش، و استحكام نهايي برشي از Mpa 265 به Mpa 360 افزايش يافته است. هـم چنـين بعـد ازعمليات همگنسازي، نمونه به ريز ساختاري يكدست نزديك و استحكام نهايي برشي به Mpa 520 افزايش يافته است.

واژه هاي كليدي:
سوپر آلياژ، فولاد زنگنزن آستنيتي، لحيمكاري سخت، لايه مياني، انجماد همدما، همگنسازي

1- مقدمه
براي استفاده از موادي با كارايي مناسب در صـنايع گونـاگون وبهرهمندي از خواص بهينه در موارد مختلف نياز به ايجاد اتصـالمناسب ميباشد. با توجه به تنوع مواد مهندسي و نياز بـه اسـتفاده از اين مواد براي كاربردهاي مختلف، در هر مورد بايد از اتصال مناسب براي آن ماده استفاده كرد. خواص فيزيكـي و مكـانيكيمناسب، اقتصاد مهندسي و مهمتر از همه توانايي ايجاد اتصـال از عوامل مهم در انتخاب فرآيند اتصال ميباشـند . در فرآينـد هـايجوشكاري ذوبي به دليـل پـايين بـودن تمركـز حرارتـي، انتقـالحرارت به صورت غيرهمگن، ايجاد فاز سـخت در منطقـه تـاثير حرارتي (HAZ)1، افت شديد خواص مكانيكي و همچنين ايجاد پيچيدگي و تغييرات ابعادي، استفاده از فرايندهـاي اتصـالدهـيكورهاي مثل لحيمكاري سخت مورد نياز است [1].
امكان اتصالدهي موادهاي غيرهمجنس و انواع آلياژهاي مقـاومبه حرارت با روش لحيمكاري سخت با انتخـاب مـاده پـركننـده مناســب فــراهم اســت. در روشهــاي جوشــكاري بــه علــت ناسازگاري مذابهاي غيرهمجنس در بسـياري از مـوارد عـلاوهب ر ايج اد عي وبي مث ل ت رك، ف ازه اي ن امطل وب، خ وردگي، ساختارهاي ترد ، مشكلات اجرايي نيز وجود دارد [1].
در مورد اتصال بين سوپرآلياژInconel 625 و فولاد زنـگ نـزنآستنيتي AISI 316L بـه دليـل غيـرهمجـنس بـودن وتفـاوت درشرايط انجماد و همچنين مذاب ناسازگار در درز اتصال و ايجاد ت رك داغ و ت رك ناش ي از گ دازش، اتص ال اي ن دو م اده در فرايند جوشكاري ذوبي با مشكلات زيادي همراه است. به همين منظور روشهاي اتصالدهي ديگري همچون جوشكاري پرتوي ليزر، جوشكاري پرتـوي الكترونـي، لحـيم كـاري سـخت مـورداهميت قرار ميگيرد، كه در اين تحقيق لحيمكاري سـخت ايـندو ماده مورد بررسي قرار گرفته است [2].
هيچ تحقيق و مقالهايي براي اتصال اين دو ماده مهـم صـنعتي بـهروش لحيمكـاري سـخت يافـت نشـده اسـت امـا توسـط آقـايمدراج2 و همكارانش، بررسـي معـادل رياضـي قـوانين نفـوذ دراتصال دو فولاد زنگنـزنAISI (321-410) 3و دو سـوپر آليـاژپايه نيكلي Inconel(625-718)به روش TLP 4انجام شده است.
در اين دو تحقيق با ايجـاد اتصـال در تعـداد مشخصـي از دمـا وزمان، انجماد همدما در ضخامتهاي مختلف لايه مياني بررسـيشده است و با مدل سازي، ايجاد انجماد همدما در هر دما و هـرزمان مشـخص شـده اسـت ولـي بررسـيهـاي ريـز سـاختاري وخواص مكانيكي در دما و زمانهاي مختلف در تحقيقشان انجام نشده است. از اين رو تحقيق بر روي اتصال غيرهمجنس ايـن دوماده از نظر ريزساختاري و خواص مكانيكي در دستور كار قرار گرفته است [3-4].
كاربرد صنعتي اتصال اين دو ماده در صنايع هوا فضا،پتروشـيميوموتور هواپيما ميباشد. به دليل عبور گاز داغ از لولههاي تنظيم فشار در اطراف پوسته قسمتهاي داغ موتور هواپيما در بسياري از موارد احتياج به اتصال اين دو ماده با هم است [2].
2-مواد و روش تحقيق
2-1- معرفي اتصالدهي به روش لحيمكاري سخت
اساس و روش اين فرايند به گونهاي مـي باشـد كه لايـه ميـاني يـاهمان ماده پركننده به درجه حرارت ذوب ميرسـد امـا دو مـادهمورد اتصال، زير درجه حـرارت ذوب نگهـداري مـيشـود و ازطريق پديده نفوذ و انتقال جرم در حالت جامد لايه ميـاني ذوبشده به درون دو ماده جامد مورد اتصال نفوذ پيدا مـي كنـد و بـاايجاد واكنش با فلزات پايه محكم ميشود. نكته قابل توجه ايـ ن است كه به دليل ذوب نشـدن فلـزات پايـه، منطقـه HAZ وجـودندارد و اگر از روش كورهاي استفاده شود انتقال حرارت نيز بـهطور كاملا همگن اتفاق ميافتد و اثرات نامطلوب ريزسـاختاريرا به حداقل ميرساند. در اين روش بـه دليـل اينكـه الزامـا لايـهمياني بايد ذوب شود و فلـزات پ ايـه در حالـت جامـد نگهـداريميشود معمولا عناصر آلياژي به لايهمياني اضافه شده اسـت كـهبا ايجاد يك نقطه يوتكتيك، نقطه ذوب را كاهش ميدهد و در حين نگهداري در دماي مورد نظر براي اتصال نسـبت بـه ميـزانزمان، اين عناصر آلياژي در دو فلز پايه پس زده مـي شـود يـا درصورت كافي نبودن دما و زمان براي اتصالدهي در مذاب، باقي مانده وباعث تشكيل ترتيب انجاد وتركيبات بين فلزي مـي شـود [1].
2-2- معرفي فلزات پايه
در اي ن تحقي ق از ف ولاد زن گ ن زنAISI 316L ك ار ش ده و همچنين از سوپر آلياژ پايه نيكليInconel 625 كار شده استفاده شده است. تركيب شيميايي توسط آزمايش كوانتومتري بدسـتآمده و در جدول (1) آورده شده است.
2-3 – معرفي لايه مياني پايه نيكل AWS B-Ni2 در فرايند اتصالدهي اين دو مـاده از لايـه ميـاني پايـه نيكلـي بـهضخامت 120 ميكرون به شكل خمير رول شـده (طيـف )، داراي عناصر آلياژي سيليسيوم، بور، كـرم ، آهـن اسـتفاده شـده اسـت.
نيكل عنصري ميباشد كه قابليت ايجاد محلول جامد با بسـيارياز عناصر آلياژي را دارد. فلـزات پـركننـده پايـه نيكلـي معمـولا داراي تنوع وسيعي ميباشند و مهمترين علت اسـتفاده از آنهـا،قابليت كاربرد در دماهاي بالاتر ازC◦1100 است كه اين شـرايطحتي بر محيطهاي نيمه خورنده نيز قابل تعمـيم مـيباشـد و ايـنويژگي عمدتا ناشي از مقاومت به خوردگي بالاي نيكل و نقطـهذوب بالاي آن در حـدود C◦1450 اسـت . بـا اسـتفاده از عناصـركاهش دهنده نقطه ذوب مثل بـور، كـربن، كـرم، مـس، منگنـز،فسفر، گـوگرد، آنتي مـ وان، سيليسـيم و روي ، نقطـ ه ذوب فلـزاتپركننده پايه نيكل كاهش داده ميشود كه از ايـن ميـان فسـفر وبور داراي جايگاه ويژهاي ميباشند.
جدول (1): درصد وزني عناصر شيميايي فلزات پايه مصرفي [5-6]
فولاد زنگ نزن 316 مصرفي فولاد زنگ نزن
316 UNS
S31603 اينكونل 625 مصرفي اينكونل 625
UNS
N06625
عناصر
66/40 بقيه 4/12 5/00 %Fe
10/76 10-14 59/78 بقيه %Ni
18/01 16-18 21/76 20-23 %Cr
2/97 2-3 9/32 8-10 %Mo
—– —– 3/35 3/15-4/15 %Nb
0/29 0/03 0/03 0/1 %C
0/97 2/00 0/22 0/5 %Mn
0/55 0/75 0/32 0/5 %Si
0/01 0/045 0/01 0/015 %P
0/01 0/03 0/01 0/015 %S
—– —– 0/24 0/4 %Al
—– —– 0/32 0/4 %Ti
—– —– 0/52 1/00 %Co
0/03 0/10 —– —– %N
—– 1371 —– 1290 ساليدوس
—– 1399 —– 1350 ليکوئيدوس

در لايهمياني مصرفي براي اتصال اين دو ماده عناصر سيليسيوم و بور نقش كاهنده نقطه ذوب (MPD)5را بازي ميكننـد و عنصـركرم باعث افزايش مقاومت به خوردگي اتصـال مـيشـود . لايـهمياني AWS B-Ni2 به علت پايين بودن نقطه ذوب، ترشوندگي مناسب، كم بودن دامنـه انجمـاد و مقاومـت در برابـر خـوردگيبسيار صنعتي و پر كاربرد است. براي آناليز عنصري از ايـن لايـه مي اني از روش ش يميت ر اس تفاده ش ده ك ه در جـدول (2) ب ه صورت درصد وزني ارائه شده است [7].

جدول (2): درصد وزني عناصر شيميايي لايه پايه نيكل AWS BNi-2
%Ni %Si %Cr %B %Fe %C ساليدوس ليكوئيدوس
85/2 4/5 7/00 3/2 3/00 0/06 971 999

2-4 -گاز آرگون مصرفي
در اين فرايند به منظور كاهش ميـزان اكسـيژن در كـوره از گـازبياثر آرگـون اسـتفاده شـده اسـت كـه ميـزان خلـوص گـاز درجدول (3) آورده شده است [9].

جدول (3): مشخصات گاز آرگون مصرفي به PPM
Ar O2 CnHm H20 CO2 N2
%99/99 <٠/٢
PPm <٠/١ PPm <٣
PPm <٠/١ PPm <۵
PPm

نگهدارنده جهت اتصال دهي
به منظور امكان اتصالدهي دو ماده مورد نظر بـراي ايجـاد فشـارلازم و نگهداري صحيح قطعات در كـوره ، يـك نگهدارنـده بـاشرايط خاص طراحي و ساخته شده است. به دليل اينكـه اتصـالدر دماي بالا صورت مـي پـذيرد و امكـان پيچيـ دگي ابعـادي درنگهدارنـ ـده وجـ ـود دارد، جـ ـنس آن از فـ ولاد زنـ گ نـ زن AISI 316L انتخاب شده است و طراحي ابعادي آن به صورتي ميباشد كه بتواند تـنش پسـماند ايجـاد شـده بعـد از هـر سـيكلعمليات حرارتي را دفع كنـد . تصـوير نگهدارنـده در شـكل (1) آورده شده است.

شكل (1): نگهدارنده ساخته شده جهت اتصالدهي

2-9 – ميكروسكوپ الكتروني و آناليز عنصري بعد از عمليات متالوگرافي، نمونهها براي بررسـي ريـزسـاختاريدقيقتـر تحـت آزمـايش آنـاليز عنصـري توسـط ميكروسـكوپ الكتروني مدل Vegall ساخت كمپاني Tescan و آناليز عنصري توسط مدل INCA ساخت كمپـانيOxford Instrument قـرار گرفته است.
2-10 -آزمايش ريزسختيسنجي
نگهدارنده جهت انجام آزمايش استحكام برشي براي كاهش ميزان عيوب ناخواسـته، ناشـي از عمليـات حـرارت دهي و از طرف ديگر صرفهجويي در مواد اوليه، نمونههـا بـراياتصالدهي با ابعاد كوچك تهيه شده است. به همين منظور براي بدست آوردن ميزان استحكام برشي ايـن نمونـههـاي كوچـك، يك نگهدارنده از جنس فولاد كربني CK 45 با شـرايط خـاصطراحي شده است كـه بعـد از سـاخت تحـت عمليـات حرارتـيكوينچ و تمپر قرار گرفته است تا بتواند نيروي اعمالي كششي را دقيقا به طور برشي به درز اتصال اعمال كنـد كـه تصـوير آن در شكل (2) آورده شده است [10-11].
2-8- متالوگرافي نمونهها
بعد از عمليات اتصالدهي در دما و زمانهاي مختلف و همچنين عملي ات همگ نس ازي، ف يلم رادي وگرافي تهي ه ش ده از كلي ه نمونهها، مورد بازرسي قرار گرفته كه در نهايت نمونههاي بـدونعيب براي آزمايش استحكام برشي و نمونـه ديگـر بـراي انجـاممتالوگرافي درون مانت گرم قرار گرفته است و به روش الكتـرواچ با ولتاژ معين و با محلول اچ انتخابي مورد نظر كـه در جـدول
(4) ارائه شده، عمليات متالوگرافي تكميل شده است [12].

جدول (4): محلول اچ انتخابي براي 100 ميليليتر محلول [12]
H2SO4 HNO3 H3PO4 ولتاژ
48 ml 40 ml 12 ml 4 ولت

شكل (2): نگهدارنده جهت انجام آزمايش استحكام برشي [10]

2-7- آماده سازي نمونهها جهت ايجاد اتصال نمون هه ا در ه ر دو م اده م ورد اتص ال ب ه ابع اد (2×15×15) ميليمتر به وسيله برش وايركات تهيه و مقطع مورد اتصال تحت سمباده زني از 100 تـا 400 بـه وسـيله سـمباده SiC قـرار گرفتـهاست تا سطح اتصال از هر گونه اكسيد و ناخالصي پاك شـود وجهت چربيزدايي به مدت 24 ساعت در حمام استن نگهـداريشده است. در مرحله بعدي لايه مياني مورد نظر به ابعـاد قطعـاتبريده شده و بين دو ماده مورد اتصال قـرار گرفتـه و در نهايـت ، كل مجموعه د رون نگهدارنده اتصالدهي بـا پـيچ و مهـره بسـتهشده است [11].

به منظور بدست آوردن تغييرات سختي از كليـه نمونـههـا از فلـزپايـه(Inconel 625) تـا فلـز پايـه(AISI 316L) توسـط الماسـهويكرز با نيروي (No.100 (0.981N)) آزمايش ريزسختيسنجي با توجه به استاندارد ASTM E 384-00 انجام شده است.

شكل (3): شماتيكي از مناطق اتصال توسط فرايند لحيمكاري سخت [12]

محدوده انجام ايـن آزمـايش بـر روي هـر نمونـه شـامل منـاطق:
1-فلزات پايه،2- مناطق تحـت تـاثير نفـوذ 6(DAZ)، 3- منـاطقانجماد همدما و 4- منطقه انجماد غير همدما (تركبيات بين فلزي و رسوبات)بوده است كه در شكل (3) آورده شده است [12].

3-نتايج و بحث
3-1 – نمونه اتصال يافته در دمـايC ◦1020 بـه مـدت 30 دقيقه
در حين فرآيند اتصالدهي در دماي اتصـال بـا ذوب شـدن لايـه مياني و چند لايه اتمي از فلزات پايه، مهاجرت عناصر آلياژي از لايهمياني به درون فلز پايه و از فلز پايه به درون لايه مياني شروع ميشود كه اين امر باعث تغيير در تركيب شيميايي لايه شده و با اتم ام زم ان نگه داري در دم اي اتص ال، انجم اد ب ا توج ه ب ه ترتيبهاي انجمادي آغاز ميشود [13].
با توجه به تصاوير متالوگرافي و (SEM-EDS) 7 از نمونه اتصال يافت ه در دم ايC◦1020 ب ه م دت 30 دقيق ه (ش كل 4و5) نش ان Inconel 625 و فولاد زنگ نزن AISI 316L هستند، ، دفع شده است[13].
3-1-1- منطقه A و B
مشهود است كه اولين ترتيب انجمـاد بـه صـورت همـدما شـامل فريت نيكل ميباشد كه تحت محلول جامد فوق اشـباع خـود رادر دو ط رف فل زات پاي ه نش ان داده اس ت. ب ا ايج اد ترتي ب انجمادي اول، مذاب باقيمانده در وسـط درز اتصـال از عناصـر MPD س ازو ك رم غن ي ش ده وب ه نظ ر م يرس د ك ه تش كيل يوتكتيكهاي دو تايي را باعث شده است و بـا توجـه بـه آنـاليزعنصري به عمل آمده از ترتيبهـاي انجمـادي بعـدي مـي تـوانتركيبات بين فلزي احتمالي را مورد بررسي قرار داد.
-5486384721

ميدهد كه بعد از اتمام زمان اتصالدهي و نفوذ عناصـر آليـاژيبهخصوص MPD سـاز هـا (بـور و سيليسـيوم) بـه درون دو مـادهمورد اتصال، فاز اوليه انجماد در دو طـرف فلـزات پايـه تشـكيلشده است و عناصر آلياژي كه نتوانستهاند در اين فاز حل شـوندخود را به مذاب باقيمانده پـس زده و شـرايط را بـراي تشـكيلترتيبهاي انجماد بعدي آماده كرده و باعث تشكيل رسـوبات وتركيبات بين فلزي در مركز درز اتصـال شـدهانـد كـه كـاملا درتصاوير قابل مشاهده است [13]. با توجه به تصـاوير متـالوگرافيو SEM-EDS از درز اتص ال ش كل (5)، س ه ترتي ب انجم ادي مورد بررسـي قـرار گرفتـه اسـت كـه مـيتـوان منـاطقB وA را ترتيـب انجمـادي اول، منـاطقF وC را ترتيـب انجمـادي دوم و مناطق EوD راترتيب انجمادي سوم دانست كه آنـاليز عنصـري اين مناطق در جدول (5) آورده شده است. لازم بـه ذكـر اسـتكه عنصر MPD ساز بور در مدت زمان نگهداري براي اتصـال، با شعاع اتمي كوچك و قابليت نفـوذ بـالا در دو عنصـر نيكـل وآه ن ك ه ب ه ترتي ب، عناص ر اص لي در س وپرآلي اژ پاي ه نيك ل C◦
شكل (4): تصوير متالوگرافي از نمونه اتصال يافته در دماي 1020 به مدت
30 دقيقه


شكل (5): تصوير SEM از نمونه اتصال يافته در دمايC 1020 به مدت
30 دقيقه
3-1-2 – منطقه C وF
در اي ن من اطق ب ا توج ه ب ه آن اليز عنص ري ب ه عم ل آم ده و دياگرامهاي فازي دو تـايي مربوطـه، احتمـال تركيـبهـاي بـين فل زي از ن وع Ni-Si ، Fe-Si ، Fe-Ni وج ود دارد و نكت ه قاب ل مش اهده اي ن اس ت ك ه مي زان سيليس يوم در ه ر دو نقط ه ب الا ميباشد، پس اين دو نقطه و نقاط هم نوع ديگـر كـه در تصـويرSEM ديــده مــي شــوند، ترتيــب انجمــاد جديــدي را تشــكيل دادهاند [14].

جدول (5): آنالير عنصري از مناطق A-B-C-D-E-F به درصد وزني
مجموع Fe Cr Si Ni عنصر
درصد وزني
% درصد وزني
% درصد وزني
% درصد وزني
% درصد وزني
% منطقه
100/00 6/98 6/19 5/95 80/88 A
100/00 1/98 7/48 7/95 82/59 B
100/00 11/55 1/01 27/17 60/27 C
100/00 1/61 36/58 0/23 61/58 D
100/00 0/25 28/31 1/52 69/92 E
100/00 6/71 0/41 24/67 68/21 F

3-1-3- منطقه D و E
در اي ن من اطق ب ا توج ه ب ه آن اليز عنص ري ب ه عم ل آم ده و دياگرامهاي فازي دو تايي مربوطه، احتمال تشكيل تركيبهـايبين فلزي از نوع Cr-C زياد مـي باشـد، كـه اگـر ايـن فـاز تحـتعنوان 6 Cr23Cوجود داشته باشد، باعث خودگي بين دانهايـي دراطراف مرزدانههاي خالي از كـرم نـوزاد مـي شـود و نكتـه قابـلتوجه در آناليز اين دو نقطه اين است كه ميزان كرم اين بـار بـالارفته است كه خود ناشي از ترتيب انجماد ديگري در اين منـاطقو مناطق مشابه ميباشد [12].
پس در كـل بـا توجـه بـه تصـوير SEM بـه وسـيله آشـكار سـاز الكترون برگشتي مشاهده شد كه ترتيبهاي مختلفي در انجمـادلايه مياني بعد از اتمام زمان اتصال دهي ناكافي در دمـاي مـوردنظر اتصال به وجود ميآيد، حال براي بررسي دقيق تر تركيبـاتبين فلزي، تصوير SEM ازيك ترتيب انجمادي به عنوان نمونـه،ارائه ميشود كه تصوير و آناليز عنصـري از منـاطق مختلـف آن در شكل (6) و جدول (6) ارائه ميشود.
G-H-L مناطق -4-1-3
در اين سه منطقه با توجه به آناليز عنصري گرفتـه شـده و ميـزانسيليسيوم بالا در كنار نيكل و با توجه به دياگرام دوتـاييNi-Si احتمال تشكيل شدن فازي از نوع Ni-Si زياد ميباشد.
I-J-K مناطق – 5-1-3
در اين سه منطقه با توجه به آناليز عنصري گرفتـه شـده و ميـزانبالاي آهن در كنـار نيكـل و ديـاگرام دو تـاييFe-Ni ،احتمـالتشكيل شدن فازي از نوع Fe-Niزياد ميباشد.

SEM شكل (6): تصوير در يكي از مناطق ترتيب انجمادي

جدول (6): آنالير عنصري از مناطق G-H-I-J-K-L به درصد وزني
مجموع Fe Cr Si Ni عنصر
درصد وزني
% درصد وزني
% درصد وزني
% درصد وزني
% درصد وزني
% منطقه
100/00 3/26 1/44 48/31 48/14 G
100/00 2/58 0/71 30/22 61/81 H
100/00 22/43 0/98 1/17 75/42 I
100/00 28/22 2/07 0/71 69/00 J
100/00 33/76 1/91 0/12 42/21 K
100/00 1/01 0/11 42/97 55/91 L

3-2 – نمونه اتصال يافته در دمـاي C◦1020 بـه مـدت 60 دقيقه
در دماي C◦1020 اما به مدت 60 دقيقه، بـه دليـل افـزايش زمـاناتص الده ي، فرص ت ب راي نف وذ عناص ر آلي اژي موج ود در لايهمياني به خصوص MPD سازها و دفع شدن آنها در دو فلـزپايه بيشتر شده است. بـا توجـه بـه تصـاوير متـالوگرافي و SEM (شكل 7 و8) از درز اتصال ميتـوان مشـاهده كـرد كـه بـهدليـلافزايش نرخ نفوذ، فاز اوليه انجمـاد بـهصـورت همـدما، افـزايشپيدا كرده و مذاب باقيمانده كه در نهايت تشـكيل انجمـاد غيـر همدما نموده است با كاهش روبرو شده است. اين پديده باعـثكاهش حجم تركيبات بين فلزي و رسوبات ميشود.

شكل(7): تصوير متالوگرافي از نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت 60 دقيقه

شكل(8): تصوير SEM از نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت 60 دقيقه

3-2-1 – آنـاليز خطـي از نمونـه اتصـال يافتـه در دمـاي C◦1020 به مدت 60 دقيقه
آناليز خطي از ايـن نمونـه (شـكل 9) نشـان مـيدهـد كـه عنصـر MPD ساز سيليسيوم، با افزايش 30 دقيقهاي زمان اتصالدهي بـهدليل بزرگ بودن شعاع اتمي، نتوانسته اسـت خـود را در دو فلـزپاي ه دف ع كن د و در درز اتص ال ب ه ص ورت غي ر يكنواخ ت باقيمانده است و ميزان آن در لايهمياني منجمد شده با توجه بـهترتيبهاي انجمادي موجود، متفاوت است پـس احتمـال ايجـادتركيبات بينفلزي با سيليسيوم مثـلNi-Si و Fe-Si خيلـي بيشـتراست. عنصر كرم در بخشـي از آنـاليز داراي افـزايش ناگهـاني و شديد ميباشد كه اين بار احتمال ايجـاد تركيبـات بـين فلـزي بـاكرم، مخصوصا تركيباتي از نوع Cr-C را در اين منطقه به شدت افزايش مـي دهـد . در مـورد عنصـر اصـلي MPD سـاز بـور ، كـهداراي شعاع اتمي كوچكي ميباشد ميتـوان گفـت ايـن عنصـرتوانس ته اس ت در اي ن زم ان و حت ي زم انه اي كمت ر ب راي اتصالدهي نيز، خود را در دو فلز پايه دفع كند.

شكل (9): آناليز خطي از نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت 60 دقيقه به وسيله آشكار ساز الكترون ثانويه

3-3- نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 بـه مـدت 120 دقيقه
تصاوير متالوگرافي و SEM(شكل10 و11)نشان ميدهد كـه در دماي C◦1020 به مدت 120 دقيقه با افـزايش دو برابـري زمـان ، فاز اوليه انجماد افزايش پيدا كرده است و عناصر آليـاژيMPD ساز موجود در لايه مياني به مقدار بيشـتري در دو فلـز پايـه دفـعشدهاند اما بعد از اتمام زمان نگهداري در دماي اتصال همچنـان رسوبات تركيبـات بـينفلـزي و رسـوبات در وسـط درز اتصـال مشاهده ميشـوند كـه خـود را بـه صـورت غيـر همـدما منجمـد كردهاند ولي مقـدار آن نسـبت بـه نمونـه هـاي قبلـي بـا كـاهش چشمگيري روبرو بوده است.
مشاهده ميشود كه افزايش چند برابـري زمـان نگهـداري بـراياتصالدهي در دمـاي ثابـت باعـث كـاهش مـذاب بـاقيمانـده وتركيبات بينفلزي ميشود اما ميتـوان بـه جـاي افـزايش زمـان، افزايش دما را جايگزين اين پديده كرد، زيـرا بـا افـزايش دمـاي اتصالدهي در زمان ثابت نيز نرخ نفوذ عناصر آلياژي مخصوصـاMPD سازها افزايش پيدا ميكنـد و ميـزان تركيبـات بـينفلـزي باكاهش روبرمي شود و بدليل اينكـه از انجـام عمليـات حرارتـيناخواسته و اثراث مخرب بر فلزات پايه جلوگيري ميكند، قابـلاهميت است [15].

شكل (10): تصوير متالوگرافي از نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت 120 دقيقه

شكل (11): تصوير SEM از نمونه اتصال يافته در C◦1020 به مدت 120 دقيقه

3-4 – همگنسازي در دماي C◦1080 به مدت 4 ساعت به منظور يكنواخت شدن ريزساختار، توزيع يكنواخـت سـختي، از بين بردن تمركز تنش و تنش پسـماند، نمونـه اتصـال يافتـه دردماي C◦1020 به مدت 120 دقيقه تحت عمليات همگـن سـازيدر دماي C◦1080 به مدت 4 ساعت قرار گرفته است.

شكل (12): تصوير متالوگرافي از نمونه همگنسازي شده دردماي C◦1080 به مدت 4 ساعت

CSEM◦ شكل (13): تصوير از نمونه همگنسازي شده در دماي 1080 به مدت 4 ساعت

لايهمياني قبل از مصرف كاملا متفاوت است و اين پديده باعـثميشود كه درجه حرارت ذوب مجدد افزايش يابد به طوري كه در دماي C◦1080 هرگز ذوب نخواهد شد [14].
دما و زمان انتخـابي بـراي همگـنسـازي، بـا توجـه بـه محـدودهانجمــادي Liqudus, Solidus)) فلــزات پايــه، لايــهميــاني و همچنين دما و زمان اوليه اتصالدهي بوده است. نكته قابل توجه اين است كه لايهمياني ذوب شده در دما و زمان اتصال، بهوسيله مهاجرت عناصر آلياژي به درون فلزات پايه و از فلـزات پايـه بـهلاي همي اني، لحظ ه ب ه لحظ ه داري تركي ب ش يميايي متف اوتي ميباشد و بعد از كامـل شـدن انجمـاد، تركيـب شـيميايي آن بـا تصاوير متالوگرافي و SEM شكل (12و13) از مركز درز اتصال نشان ميدهد كه، افزايش دما و زمـان بـه منظـور همگـنسـازي،باعث يكدست شدن تركيبات در درز اتصال شده است و بعد از عمليات همگنسازي در وسط درز اتصال تجمـع تركيبـات بـينفلزي و رسوبات ديده نميشود كه اين پديـده بـه دليـل انحـلالتركيبات بين فلزي در سرتا سر لايه مياني ميباشد.
3-4-1 آنــاليز خطــي از نمونــه اتصــال يافتــه در دمــاي C◦1020 به مدت 120 دقيقه و همگن سازي شده در دماي C◦1080 به مدت 4 ساعت
با توجه به آناليز خطي از نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 بـهمدت 120 دقيقه و همگنسازي شده در دماي C◦1080 به مدت 4 ساعت (شكل 14) ميتوان مشاهده كرد كه عنصر MPD سـاز
(سيليســـــيوم) در مركـــــز درز اتصـــــال داراي پراكنـــــدگي يكنواختتري نسبت به نمونه اتصال يافته در دمـايC ◦1020 بـهمدت 30 دقيقه ميباشد و در مورد عنصـر كـرم نيـز ايـن پديـدهقابل مشاهده است.

شكل (14): آناليز خطي از نمونه همگنسازي شده در دماي C◦1080 به مدت 4 ساعت به وسيله آشكار ساز الكترون ثانويه

3-5 – آزمايش ريزسختيسنجي از كليه نمونهها
3-5-1 – آزمايش ريزسختيسنجي از نمونه اتصال يافته در دماي C ◦1020 به مدت 30 دقيقه آزمايش ريزسختيسنجي شكل (15 و16) نشان ميدهـد كـه در ترتيب اوليه انجماد تشكيل شده به صورت همدما يعني نقـاطD و F (منــاطق Braze inconel و Braze SS316L) در نمــودار رسم شده، محلول جامدي تشكيل شده است كه باعـث كـاهشسختي در اين منطقه شده است. عناصر آلياژي موجود در مذاب با توجه به شعاع اتمي خود نتوانستهاند در فاز اوليـه انجمـاد حـلشوند و در مذاب باقيمانده پس زده شدهاند و انجماد غيرهمدما و تشكيل تركيبات بين فلزي ترد را به همراه داشـته انـد و سـختيرا نيز در اين منطقه يعني Braze Center در نمودار رسم شـده و نقاط E، به شدت افزايش دادهاند
علت بالا رفتن سختي در منطقه DAZ در دو طرف فلز پايـه ايـناست كـه، عناصـر آليـاژي كاهنـده نقطـه ذوب و ديگـر عناصـرموجود در درز اتصال در حين عمليـات اتصـالدهـي در دو فلـزپايه نفوذ كرده و باعث تشكيل تركيبات بينفلزي و رسوبات در مرزدانهها شده است و يك منطقه غيرهمگن با تمركز تنش بـالا ايجاد كرده است [12].
3-5-2 -آزمايش ريزسختيسنجي از نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت 60 دقيقه آزمايش ريزسختيسنجي از اين نمونه، شكل (15) نشان ميدهد كه سختي در فلز پايه سـوپر آليـاژ625 Inconel بـه مقـداركمي افزايش و در فلز پايه فولاد زنگنزن AISI 316L، كـاهش پيـداكرده است. زيرا فولاد زنگنزن به سمت آنيـل و درشـت شـدندانهها پيشروي نموده است. ميزان سختي در منطقه DAZ هـر دوفلز پايه با افزايش روبرو شده زيرا با افزايش زمان فرصـت بـراينفوذ عناصر آلياژي موجود در درز اتصال بـه درون فلـزات پايـهبيشتر شده است. ميزان سختي در مركز درز اتصال يعنـي منطقـهBraze center در نمودار رسم شده با كاهش مواجه شده اسـتكه به نظر ميرسد اين پديده نيز به دليل كم شدن عناصر آلياژي در م ذاب ب اقي مان ده ب وده اس ت زي را عناص ر آلي اژي قب ل از شكلگيري انجماد در دو فلز پايه نفوذ كردهاند [13].
3-5-3 -آزمايش ريزسختيسنجي از نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت 120 دقيقه
آزمايش ريزسـختي سـنجي از ايـن نمونـه شـكل (15و16) نشـان ميدهد كه، سختي در مناطق مـورد نظـر نسـبت بـه نمونـه قبلـيتفاوت چنداني نداشته است و تقريبا همان روند را نشان ميدهـد زيرا افزايش زمان با ثابت نگه داشتن دما نتوانسته است نرخ نفوذ را بيشتر كند و همچنان عناصـر آليـاژي تشـكيل دهنـده انجمـادغيرهمدما در درز اتصال باقي ماندهاند اما يك نكتـه قابـل توجـهميباشد كـه سـختي در منطقـهBraze Center در نمـودار رسـمشده و نقطه E در تصاوير ريزسختيسنجي، نسبت به نمونه هـايقبلي با افزايش روبرو شده است كه اين پديده بـه دليـل باريـكشدن منطقه انجماد غير همدما و تـرا كم تركيبـات بـين فلـزي درمزكز درز اتصال ميباشد [16].
3-5-4- آزمايش ريزسختيسنجي از نمونه همگـن سـازيشده در دماي C◦1080 به مدت 4 ساعت آزمايش ريـز سـختي سـنجي از ايـن نمونـه(شـكل 15و16) نشـان مــيدهــد كــه ســختي از منطقــه Braze Inconel تــا منطقــه Braze SS316L در نمودار رسم شده و نقاط D,E,F در تصاوير ريزسختيسنجي با كاهش چشمگيري مواجه شده است كه ايـنپديده بـه دليـل انحـلال و يكدسـت شـدن تركيبـات بـين فلـزيموجود در درز اتصال ميباشد.در مناطق تحت تاثير نفوذ هـر دوماده مورد اتصال سختي نقاط C ,G در تصاوير ريزسختيسنجي و مناطق مـورد نظـرDAZ SS 316L و DAZ Inconel 625 در نمودار رسم شده كاهش پيدا كرده است امـا همچنـان از منـاطقديگر بيشتر ميباشد مخصوصا در سوپر آليـاژ 625 Inconel كـهسختي بالايي را نشان ميدهد.
در اين عمليات حرارتي، فلز پايه فولاد زنـگ نـزنAISI 316L به روند آنيل شدن خـود ادامـه داده اسـت و سـختي آن كـاهشپيدا كرده است، اما فلـز پايـه سـوپر آليـاژ 625 Inconel در اثـرپديده پير شدن با افزايش سختي روبرو شـده اسـت.در صـورتيكه زمان همگن سازي افزايش يابـد ايـن پديـده نيـز مشـهود تـرديده ميشود. در كل ميتوان به يـك رونـد يكنـواختي سـختي
وكاهش تمركز تنش در سراسر نمونه اشاره كرد .

شكل (15): آزمايش ريز سختي سنجي از كليه نمونه هاي اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت زمانهاي 120،60،30 دقيقه و همگن سازي شده
در دماي C◦1080 به مدت 4 ساعت

شكل (16 ): تصاوير ريز سختي سنجي، (A) نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت 30 دقيقه، (B) نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت 120، (C) نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت 120 دقيقه و همگن سازي شده در دماي C◦1080 به مدت 4 ساعت

3-6 -آزمايش استحكام برشي براي كليه نمونهها آزمايش استحكام برشي براي كليـه نمونـههـا در سـه بـار تكـرارانجام شد است وبعد از تجزيـه تحليـل دادههـاي بـهدسـت آمـدهنمودار مربوطه نيز رسم گرديده است (شكل17).
در نمودار رسم شده از استحكام برشـي كليـه نمونـههـا مـي تـوانمشاهده كرد كه بـا كـاهش تركيبـات بـينفلـزي و رسـوبات درمركز درز اتصال (انجمـاد غيـرهمـدما ) اسـتحكام تسـليم برشـي(YS) 8كاهش و اسـتحكام نهـايي برشـي(UTS) 9افـزايش پيـداكرده است. مقدار عددي بين YS و UTS در نمونههـاي اتصـاليافته بدون همگنسازي بسيار كم است كه اين پديـده نشـانگـريك شكست ترد ميباشد كـه تصـويرSEM آن در شـكل (18) نشان داده شده است. در نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 بـهمدت 60 دقيقه مشاهده مـي شـود كـه اسـتحكام تسـليم و نهـاييفاصله عددي بيشتري با هم دارند كه اين پديده نشـانگر افـزايشهمچنين در نمونه اتصال يافته در دمـايC ◦1020 بـه مـدت 120 دقيقه مشاهده ميشود كه، استحكام تسليم و نهايي با نمونه قبلـيفرق چنداني ندارد و تقريبا روند كلي را ادامه داده اسـت امـا درنمونه همگن سازي شـده در دمـايC ◦1080 بـه مـدت4 سـاعتمش اهده م يش ـود ك ه تف اوت ب ين YS و UTS ب ـا اف زايش چشمگيري مواجه شده اسـت ،كه ايـن پديـده بـه دليـل عمليـاتحرارتي در دماي بالا و زمان بالا ميباشد كه در جهت يكدست شدن ساختار و كاهش تنش پسماند و تمركز تنش انجـام گرفتـهاست.
در كليه نمونهها مشـاهده مـيشـود كـه، اسـتحكام نهـايي برشـياتصال كمتر از استحكام نهـايي فلـزات پايـه مـيباشـد . حتـي در نمون ه عمليات همگنسازي شده كه ميتوان آن را بهترين حالت در نظر گرفت نيز اين پديده مشاهده ميشود و اسـتحكام نهـاييبرشي آن حدود Mpa30 كمتر از استحكام نهـايي فـولاد زنـگ
ح د خمي ري (Elongation) در اتص ـال اي ن دو م اده اس ت و نزن AISI 316L است.

شكل (17): نمودار استحكام تسليم برشي و نهايي برشي براي كليه نمونهها

شكل (18): تصاوير SEM از مقطع شكست نمونه اتصال يافته در دماي C◦1020 به مدت 30 دقيقه با بزرگنماييهاي متفاوت

4 – نتيجهگيري
در دماي C◦1020 به مدت 30 دقيقه بيشترين و در 120 دقيقـهكمترين ميزان تركيبات بينفلزي و رسوبات ملاحظه شده است.
با افزايش زمان اتصالدهي، فرصت براي نفوذ عناصر آليـاژيبخصوص MPD سازها از لايهمياني بـه درون فلـزات پايـه بيشـترشده و از تجمع آنها در مركز درز اتصال جلـوگيري شـده اسـتكه اين امر باعث افـزايش انجمـاد همـدما و كـاهش انجمـاد غيـرهمدما شده است.
3-ب ا توج ه ب ه آن اليزه اي عنص ري و خط ي گرفت ـه ش ده از ترتيبهاي انجمادي در مركز درز اتصـال مشـاهده مـيشـود كـهعنصر سيليسيوم به عنوان يك عنصر MPD ساز و كرم مهمتـرينعناصر در تشكيل تركيبات بين فلزي ترد ميباشند.
با انجام عمليات حرارتي همگنسازي بـر روي نمونـه اتصـاليافتــه مــي تــوان بــه ســاختاري نســبتا يكدســت از نظــر توزيــععناصرآلياژي دست پيـدا كـرد و خـواص مكـانيكي را تـا حـديافزايش داد اما با توجه به تصاوير متالوگرافي و SEM و آزمايش ريزسختيسنجي مشـاهده مـيشـود كـه ميـزان سـختي در منطقـهDAZ همچنان بالا ميباشد كه يكدست شـدن سـاختار را تحـتتاثير خود قرار داده است.
5-آزمايش استحكام برشي از نمونهها نشان ميدهـد كـه ماهيـتاتصالدهي اين دو ماده توسط لحيمكاري سخت به دليل تشـكيلتركيبات بين فلزي، ترد و شكننده ميباشد كه با عمليات حرارتي همگن سازي ميتوان شرايط را بهينه كرد به طوري كه بـا انجـاماين عمليات، استحكام نهايي برشي به Mpa 520 رسيده است امـاهمچنان از استحكام نهايي فلزات پايه كمتر ميباشد.

مراجع
G.Humpson, D.M.Jacobson “Principles of Soldering and Brazing”ASM Pub3rd, Printing 1996.

M.J. Donachei and S.J. Donachei “Superalloys A Technical Guide” Materials Park, ASM International, 2002.

M.A.Arafin, M. Medraj, D.P. Turner, P. Bocher “Effect of Alloying Elements on the Isothermal Solidification During TLP Bonding of SS 410 and SS 321 using a BNi-2 interlayer” Materials Chemistry and Physics, A. 106, PP.
109–119, 2007.

M.A.Arafin, M. Medraj, D.P. Turner, P. Bocher “Transient Liquid Phase Bonding of Inconel 718 and Inconel 625 with BNi-2 Modeling and experimental investigations” Materials Science and Engineering, A. 447,PP. 125– 133,2007.

M. Durand Charre “Microstructure of Superalloys” Gordon and Breach Science Publisher, France, 1997.

“ASM Metal Handbook” Vol. 9,ASM International, Material Park, OH, PP. 279-296, 1985.

Y. Gokkai “Brazability of Nickel Base Brazing Foil on a Nickel Base Alloy and Milled Steel” Quarterly journal of Japan Welding society , Vol.10, No. 3, PP. 50-56, Aug.
1992.

“Brazing Handbook” American Welding Society, 1990

R. Bakhtiari, A. Ekrami “The Effect of Gap Size on the Microstructure and Mechanical Properties of the Transient Liquid Phase Bonded FSX-414 Superalloy” Materials and Design, A. 40, PP. 130–137, 2012.

W.D. MacDonald and T.W. Eagar “Transient Liquid Phase Bonding Process” Annual Reviews of Materials Science, Vol. 22, pp. 23-46, 1992.

V.A Phillips “A Metallographic Study of Precipitation In a Ni-12.7 at.% Al Alloy” Acta Metallurgica, Vol. 14, No.
11,PP.1533-1547, 1966.

“Microstructural Aspects of Brazing a Ferritic Steel with Two Ni-Si-B Braze Filler Metals” Welding.Journal, PP.
93, Apr.1978.

Y.Hisamori“ Joint Characteristics by Nickel Brazing Alloy” Vol. 10, No. 2,PP. 3-8, May 1992.

W.D. MacDonald and T.W. Eagar “Isothermal Solidification Kinetics of Diffusion Brazing” Metallurgical and Materials Transactions, A, Vol. 29A,
No. 1, PP. 315-325, 1998.

M.Pouranvari, A.Ekrami, A.H. Kokabi“ Microstructure Development During Transient Liquid Phasebonding of GTD-111 Nickel-Based Superalloy ”Journal of Alloys and Compounds, 461, PP. 641–647, 2008.

6- پي نوشت
Heat Affected Zone
American Iron and Steel Institute
Medraj
Transient Liquid Phase
Melt Point Depressant
Diffusion Area Zone 7- Scaning Electron Microscope,
Energy Dispersive Spectroscopy
Yield Strength
Ultimate Tensile Strength



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید