Q1: در چشم انداز سوپرآلیاژهای مبتنی بر آهن-نیکل، آلیاژ 901 (AMS 5661) در مقایسه با آلیاژهای معروف تری مانند Inconel 718 در کجا قرار می گیرد و هدف اصلی طراحی این ماده چه بوده است؟
الف: آلیاژ 901 (UNS N09901) جایگاه ویژه و مهمی در خانواده سوپرآلیاژ دارد: این یک سوپرآلیاژ بر پایه آهن-نیکل است که برای سرویسهای دمای متوسط-تا{{4}در درجه حرارت متوسط، عمدتاً در اجزای توربین گاز طراحی شده است. توسعه آن مربوط به Inconel 718 است که در همه جا حاضر است و مکمل آن است.
موقعیت ترکیبی:
آهن-پایه نیکل: آلیاژ 901 معمولاً حاوی تقریباً 40-45 درصد نیکل و 30-35 درصد آهن است. این میزان بالای آهن باعث می شود که قیمت آن نسبت به سوپرآلیاژهای مبتنی بر کبالت یا نیکل بالا مانند Waspaloy یا Rene 41 کمتر باشد.
سخت کننده های بارش: از تیتانیوم (2.5-3.0٪) و آلومینیوم (2.5-3.0٪) استفاده می کند.<0.3%) to form the primary strengthening phase, Gamma Prime (γ') - Ni₃(Ti, Al). It also contains Molybdenum (5.0-7.0%) for solid solution strengthening.
هدف طراحی:
آلیاژ 901 در ابتدا برای اجزای توربین گازی طراحی شد که در محدوده دمایی 425 درجه تا 760 درجه (800 درجه فارنهایت تا 1400 درجه فارنهایت) کار می کنند. این "بخش داغ" است اما منطقه احتراق شدید نیست.
مقایسه با Inconel 718:
718 (AMS 5596/5662): از نیوبیم به عنوان تقویت کننده اصلی خود برای تشکیل گاما دو پرایم ('') استفاده می کند. این استحکام عالی تا حدود 650 درجه ارائه می دهد و به دلیل جوش پذیری آن مشهور است.
901 (AMS 5661): برای تقویت گاما پرایم به تیتانیوم متکی است. این استحکام مفید را در دماهای کمی بالاتر (تا ~760 درجه) نسبت به 718 حفظ می کند، اما به طور کلی به دلیل محتوای بالای تیتانیوم و حساسیت به کرنش- ترک خوردگی ناشی از سن، جوشکاری آن دشوارتر است.
به طور خلاصه، اگر یک طراح برای دیسک توربین، شفت یا پوششی که در محدوده دمای متوسط-بالا کار میکند، به مواد{0}}مقرونبهصرفه،- با استحکام بالا نیاز داشته باشد، آلیاژ 901 یک انتخاب کلاسیک و قابل اعتماد است.
Q2: مشخصات AMS 5661 ورق، صفحه و اشکال مختلف محصول را پوشش می دهد. چالشهای خاص در نورد کردن آلیاژ 901 به ورق نازک چیست، و این چگونه بر زنجیره تامین و در دسترس بودن تأثیر میگذارد؟
A: نورد کردن آلیاژ 901 به ورق نازک (همانطور که در AMS 5661 مشخص شده است) به طور قابل توجهی چالش برانگیزتر از نورد فولادهای زنگ نزن آستنیتی استاندارد یا حتی آلیاژ 718 است. این مشکل مستقیماً بر زمان تحویل، حداقل مقدار سفارش و هزینه تأثیر می گذارد.
چالش های متالورژی:
استرس جریان بالا: آلیاژ 901 استحکام بسیار بالایی در دمای کاری گرم دارد. این بدان معنی است که برای کاهش ضخامت به قدرت نورد بسیار زیادی نیاز دارد. این ماده در برابر تغییر شکل مقاومت می کند و فشار قابل توجهی بر تجهیزات نورد وارد می کند.
پنجره کار گرم باریک: محدوده دمایی که در آن آلیاژ 901 را می توان با موفقیت نورد گرم کرد، نسبتاً باریک است و باید دقیقاً کنترل شود.
خیلی سرد: کار مواد به سرعت سفت می شود و می تواند ترک بخورد یا لبه پارگی ایجاد کند.
خیلی داغ: این ماده می تواند بیش از حد گرم شود و باعث ایجاد مایعات مرزی دانه یا ذوب اولیه شود که ریزساختار را خراب می کند و ورق را برای گواهینامه AMS 5661 نامناسب می کند.
وضعیت سطح: در طول نورد، آلیاژ یک مقیاس اکسید مقاوم را تشکیل می دهد. اگر این رسوب در سطح غلت بخورد (عیب که به عنوان "نورد-در مقیاس" شناخته می شود)، باید با آسیاب کردن یا ترشی کردن از بین برود. برای ورق نازک، سنگ زنی سنگین برای از بین بردن عیوب می تواند ضخامت کمتر از تحمل را کاهش دهد و منجر به نرخ رد بالا شود.
پیامدهای زنجیره تامین:
به دلیل این مشکلات، همه کارخانه ها ورق آلیاژ 901 تولید نمی کنند. اغلب به عنوان یک محصول "تخصصی" در نظر گرفته می شود.
زمان سرب: انتظار زمان طولانی تری را در مقایسه با میله یا آهنگری دارید، زیرا کارخانه ها اغلب در کمپین های خاص ورق را اجرا می کنند.
حداقل مقادیر: آسیاب ها برای توجیه راه اندازی و خطر نورد به حداقل مقادیر سفارش (MOQs) نیاز دارند. شما نمی توانید به راحتی یک برگه را از قفسه سفارش دهید.
هزینه: دشواری مستقیماً به هزینه بالاتر به ازای هر پوند در مقایسه با آلیاژهای رایج تر ترجمه می شود.
Q3: یک ایستگاه تعمیر توربین گاز در حال بررسی جوشکاری یک روکش فلزی ترک خورده آلیاژی 901 است. نگرانی های عمده جوشکاری چیست و چه فلز پرکننده و روش خاصی باید برای اطمینان از تعمیر موفقیت آمیز مشخص شود؟
A: جوشکاری آلیاژ 901، به ویژه برای تعمیر، یک عملیات پرخطر- است که نیازمند رعایت دقیق رویههای تخصصی است. نگرانی اصلی این است که-ترکهای ناشی از سن در ناحیه تحت تأثیر گرما (HAZ) در طول عملیات حرارتی پس از-جوشکاری یا حتی در حین سرویس است.
نگرانی جوش پذیری: کرنش-ترک خوردگی سن
آلیاژ 901 استحکام خود را از طریق سخت شدن بارش (پیری) بدست می آورد. فرآیند جوشکاری یک HAZ ایجاد می کند که یک چرخه حرارتی را تجربه می کند و آن را در وضعیت تنش پسماند قرار می دهد.
مکانیسم: اگر قطعه جوش داده شده در معرض عملیات حرارتی پیری (یا حتی دمای سرویس بالا) قرار گیرد، HAZ سعی می کند فاز گاما پرایم را رسوب دهد. این بارش باعث می شود که HAZ دقیقاً در حالی که تنش های جوشکاری باقیمانده بر آن تأثیر می گذارد، تقویت شده و شکل پذیری خود را از دست بدهد. اگر تنش از ظرفیت فعلی مواد شکننده فراتر رود، ترک خوردگی رخ می دهد.
راه حل: پرکننده تخصصی و روش
انتخاب فلز پرکننده:
از پرکننده شیمیایی منطبق استفاده نکنید. پرکننده ای که با فلز پایه مطابقت داشته باشد (نوع ERNiFeCr-2) به شدت مستعد ترک خوردگی خواهد بود.
پرکننده توصیه شده: از پرکنندههای آلیاژی مانند ERNiCrMo-3 (آلیاژ 625) یا ERNiCrMo-4 (آلیاژ C-276) استفاده کنید.
چرا: این پرکنندههای پرکننده-نیکل،{{1} و مولیبدن بالا در برابر کرنش مقاومتر هستند و مانند فلز پایه 901 در برابر بارندگی-سخت نمیشوند. آنها یک رسوب جوش انعطاف پذیر را فراهم می کنند که می تواند مقداری کرنش را بدون ترک خوردگی تحمل کند.
روش جوشکاری:
ورودی گرمای کم: از GTAW (TIG) با حداقل ورودی گرما برای کاهش عرض HAZ و تنش پسماند استفاده کنید.
پیش گرم کردن (اختیاری): گاهی اوقات از پیش گرمای جزئی استفاده می شود، اما باید به دقت کنترل شود.
عملیات حرارتی جوش (PWHT): اگر قطعه نیاز به بازیابی خواص کامل فلز پایه داشته باشد، کل مجموعه ممکن است به بازپخت کامل محلول (برای کاهش تنشها) و سپس پیری مجدد نیاز داشته باشد. این اغلب برای کفن های بزرگ غیر عملی است، به همین دلیل است که روش پرکننده انعطاف پذیر برای تعمیرات مورد علاقه است.
Q4: فراتر از ورقه های فلزی، اجزای حیاتی چرخان در یک توربین گاز که به طور سنتی از صفحه آلیاژ 901 یا آهنگری ساخته می شوند، کدامند و چرا این آلیاژ بر جایگزین ها ترجیح داده می شود؟
پاسخ: در حالی که AMS 5661 ورق را پوشش می دهد، این آلیاژ شاید به شکل فرفورژه (میله و آهنگری) برای اجزای چرخان-به ویژه دیسک ها و شفت های توربین معروف ترین باشد.
اجزای حیاتی:
دیسک های کمپرسور و توربین (روتور): چرخ هایی هستند که پره ها را نگه می دارند. آنها باید بارهای گریز از مرکز بالا از تیغه های دوار را در دماهای بالا تحمل کنند.
اسپیسرها و حلقه های آب بندی: اینها فاصله محوری بین مراحل دیسک را حفظ کرده و مسیر گاز را آب بندی می کنند.
پیچ و مهره:-پیچ ها و بست های با دمای بالا برای اتصالات فلنج در بخش وسط-توربین.
چرا آلیاژ 901 ترجیح داده می شود:
استحکام کششی و تسلیم بالا: آلیاژ 901 تا حدود 760 درجه (1400 درجه فارنهایت)، نسبت استحکام عالی به وزن را حفظ میکند، که برای مدیریت تنشهای حلقه در یک دیسک چرخان ضروری است.
مقاومت خوب در برابر خزش و پارگی: در لبه دیسک، که در بالاترین دما کار می کند، ماده باید در برابر تغییر شکل خزشی طی ده ها هزار ساعت مقاومت کند. ساختار پرایم گاما آلیاژ 901 این پایداری طولانی مدت را- فراهم می کند.
پایداری حرارتی: در برابر شکنندگی در طول{0}} قرار گرفتن طولانی مدت در معرض دمای سرویس مقاومت می کند.
هزینه-اثربخشی: در مقایسه با گزینههای آلیاژی{{1} بالاتر مانند Waspaloy یا Rene 95، محتوای آهن بالای 901 آن را به انتخاب اقتصادیتری برای آهنگریهای بزرگ تبدیل میکند. این به طراحان اجازه می دهد تا از یک رویکرد "درجه بندی" استفاده کنند: 901 برای بخش های خنک تر، انتقال به مواد بسیار آلیاژی در داغ ترین مراحل.
Q5: یک مهندس در حال مقایسه AMS 5661 (آلیاژ 901) و AMS 5596 (آلیاژ 718) برای یک قطعه فلزی جدید که در 650 درجه (1200 درجه فارنهایت) کار می کند. معاوضههای کلیدی-در خواص مکانیکی و قابلیت ساخت کدامند که انتخاب مواد نهایی را هدایت میکنند؟
A: در 650 درجه (1200 درجه فارنهایت)، هر دو آلیاژ 901 و آلیاژ 718 کاندیدای قابل دوام هستند، اما آنها در طرف های مختلف یک منحنی عملکرد قرار دارند. این انتخاب اغلب به مبادله-میان قدرت-در حرارت بالا و قابلیت ساخت/جوش پذیری است.
مقایسه در 650 درجه (1200 درجه فارنهایت):
| اموال | آلیاژ 901 (AMS 5661) | آلیاژ 718 (AMS 5596) | برنده؟ |
|---|---|---|---|
| استحکام کششی کوتاه-زمان | عالی، بسیار بالا | عالی، بسیار بالا | کراوات |
| قدرت خزش و پارگی | کمی برتر در انتهای بالایی محدوده (به سمت 700 درجه) | عالی است، اما به دلیل درشت شدن دو پرایم گاما، استحکام با سرعت بیشتری در بالای 650 درجه کاهش می یابد. | 901 (لبه کوچک) |
| قابلیت جوشکاری | ضعیف تا عادلانه خطر بالای ترک خوردگی کرنش-. به بیش از-پرکننده آلیاژی نیاز دارد. | عالی می توان در محلول-در شرایط درمان شده یا قدیمی با روش مناسب جوش داد. می توانید از پرکننده تطبیق استفاده کنید. | 718 (برنده پاک) |
| شکل پذیری (ورق) | سخت تر استحکام بیشتر باعث می شود خم شدن / مهر زنی سخت تر شود. | بهتر است. شکل پذیری بیشتری در شرایط{1}}درمان شده با محلول. | 718 (برنده) |
ماتریس تصمیم:
آلیاژ 901 (AMS 5661) را انتخاب کنید اگر:
این جزء دمای پایدار را به طور مداوم بالای 650 درجه، نزدیک به 700-750 درجه مشاهده می کند.
قطعه به شدت جوش داده نشده است، یا می توان از جوشکاری اجتناب کرد (به عنوان مثال، ماشینکاری از صفحه یا آهنگری).
بالاترین قدرت خزشی ممکن مورد نیاز است و هزینه یک نگرانی ثانویه برای عملکرد است.
آلیاژ 718 (AMS 5596) را انتخاب کنید اگر:
این قطعه در طول ساخت به جوشکاری گسترده نیاز دارد.
این قطعه به عملیات شکل دهی پیچیده (کشش عمیق، خمیدگی پیچیده) نیاز دارد.
حداکثر دمای سرویس به طور ایمن زیر 650 درجه است.
سهولت تولید و در دسترس بودن زنجیره تامین، محرک های اصلی هستند.
به طور خلاصه، در دمای "مرز" 650 درجه، 718 قابلیت ساخت عالی را ارائه می دهد، در حالی که 901 یک مزیت جزئی در پایداری دمای بالا ارائه می دهد، که انتخاب را به شدت به محدودیت های طراحی و ساخت وابسته می کند.
