مکانیسم‌های خرابی اولیه برای این آلیاژها در خدمات طولانی‌مدت چیست؟

1. ویژگی های اساسی و کاربردهای اولیه آلیاژهای 2J31 و 3J40 چیست؟

2J31 و 3J40 آلیاژهای انبساط کنترل شده مبتنی بر آهن-نیکل- کبالت هستند، اما آنها به دسته‌های عملکردی مختلف با اهداف اصلی متمایز تعلق دارند.

3J40 (همچنین به عنوان Nilo 42/Alloy 42/UNS K94610 نیز شناخته می شود):

مشخصات: این آلیاژ کم انبساط است. ویژگی کلیدی آن ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین (CTE)، شبیه به شیشه بوروسیلیکات سیلیکونی و برخی از سرامیک‌ها، در محدوده دمایی وسیع (معمولاً از دمای اتاق تا 300{4}}400 درجه) است. این امر از طریق محتوای نیکل خاص ~42٪ به دست می آید که آن را در حداقل منحنی گسترش Invar (Fe-Ni) قرار می دهد. معمولاً در شرایط نرم شده (پخت شده) عرضه می شود و می تواند در طول سن تا سطوح استحکام متوسط ​​​​سخت شود.

کاربردهای اولیه: کاربرد اصلی آن در کاربردهایی است که با وجود نوسانات دما به پایداری ابعادی نیاز دارند.

الکترونیک: قاب های سربی برای مدارهای مجتمع، جایی که با CTE تراشه سیلیکونی مطابقت دارد تا از استرس در حین لحیم کاری و عملیات جلوگیری کند.

مهر و موم شیشه ای-به-فلزی: برای ایجاد مهر و موم های هرمتیک در بسته های الکترونیکی، حسگرها، و ورودی ها که در آن پوشش شیشه ای دارای CTE کم منطبق است.

ابزار دقیق: در اجزای لیزر، سیستم های نوری و دستگاه های اندازه گیری استفاده می شود که در آن جابجایی حرارتی باید به حداقل برسد.

2J31 (یک آلیاژ سخت‌کننده مغناطیسی):

ویژگی ها: این یک آلیاژ مغناطیسی نرم{0}}سخت پذیر است. در حالی که دارای یک CTE کنترل‌شده نیز می‌باشد، ویژگی بارز آن توانایی مغناطیسی و مغناطیسی‌زدایی آسان آن است و پس از یک عملیات حرارتی خاص، سختی بالا و ماندگاری مغناطیسی ایجاد می‌کند. این بخشی از خانواده "آلیاژهای آب بندی شیشه ای" است اما به دلیل خواص مغناطیسی آن متمایز است.

کاربردهای اولیه: استفاده از آن برای کاربردهایی که به ترکیبی از یک شیشه قابل اعتماد-تا-آب بندی فلزی و خواص مغناطیسی خاص نیاز دارند، تخصصی است.

هرمتیک Feedthroughs: در تجهیزات نظامی، هوافضا، و تجهیزات نفت و گاز پایین چاه که در آن هادی الکتریکی باید از یک مانع فشار یا خلاء از طریق یک مهر و موم شیشه ای عبور کند و عملکرد مغناطیسی مورد نیاز است (به عنوان مثال، در سنسورها یا محرک ها).

سوئیچ های مغناطیسی نی: سرب ها و محفظه ها را می توان از چنین آلیاژهایی ساخت.

اجزای دقیق: در ژیروسکوپ ها و سایر ابزارهایی که پایداری مغناطیسی و حرارتی هر دو مهم هستند استفاده می شود.

2. مکانیسم های تقویت کننده و خواص مکانیکی حاصله بین 3J40 و 2J31 چگونه متفاوت است؟

خواص مکانیکی این آلیاژها مستقیماً به حالت متالورژیکی متمایز و مکانیسم های تقویتی آنها مرتبط است.

3J40 (آلیاژ 42):

حالت نرم شده (بازپخت): در این حالت، 3J40 نسبتا نرم و انعطاف پذیر است (سختی معمولی ~70 HRB)، که آن را برای عملیات کشش عمیق، مهر زنی و شکل دهی شدید مورد نیاز برای ساخت قاب های سربی الکترونیکی یا اجزای آب بندی ایده آل می کند.

سن-وضعیت سخت شده: در حالی که 3J40 حالت اولیه خود را ندارد، می‌توان با یک تیمار پیری{3}}در دمای پایین (مثلاً 1 ساعت در دمای 475 درجه) سخت شد. این باعث رسوب فازهای بین فلزی ریز می شود (اغلب بر پایه Ni3Ti یا Ni3Al در صورت وجود عناصر کمیاب)، استحکام و سختی آن را به طور متوسط ​​افزایش می دهد. با این حال، عملکرد اصلی آن ثبات ابعادی است، نه استحکام بالا.

2J31:

محلول-وضعیت درمان: همانطور که ارائه شد، 2J31 در حالت نرم و حل‌شده- است که امکان ماشین‌کاری و شکل‌دهی را فراهم می‌کند.

سن-سخت شده (بارش-سخت شده) شرایط: کلید عملکرد آن یک عملیات حرارتی خاص است که شامل یک مرحله پیری مغناطیسی است. این عملیات یک فاز سخت و بین فلزی (مانند Ni3Ti یا ترکیبات مرتبط) را در سراسر ماتریس رسوب می دهد. این به دو هدف به طور همزمان دست می یابد:

به طور قابل توجهی سختی و استحکام را افزایش می دهد (تا 40-45 HRC می رسد) و باعث می شود که جزء مقاوم در برابر سایش و از نظر مکانیکی مقاوم باشد.

خواص مغناطیسی نرم مورد نظر خود را ایجاد می کند، از جمله یک پسماند مغناطیسی بالا و یک حلقه هیسترزیس مربع، که برای عملکرد آن در سوئیچ های نی و سایر اجزای مغناطیسی ضروری است.

به طور خلاصه، در حالی که هر دو را می توان سخت کرد، 3J40 در درجه اول یک آلیاژ کم انبساط- است که می تواند به طور متوسط ​​تقویت شود، در حالی که 2J31 یک آلیاژ مغناطیسی است که برای رسیدن به هدف عملکردی خود به طور قابل توجهی سخت می شود.

3. در کدام کاربردهای خاص می توان لوله 3J40 را به جای لوله استاندارد فولاد ضد زنگ انتخاب کرد؟

انتخاب یک لوله 3J40 (آلیاژ 42) به دلیل نیاز حیاتی به پایداری ابعادی و تطابق CTE است، نه به دلیل مقاومت در برابر خوردگی یا مقاومت در برابر حرارت{3}}.

سیستم های نوری و لیزری:

کاربرد: محفظه ساختاری یا قاب پشتیبانی برای عناصر نوری با دقت بالا-(عدسی ها، آینه ها) یا میله های لیزری.

دلیل: با گرم شدن سیستم در حین کار، لوله 3J40 تقریباً با همان سرعتی که قطعات نوری شیشه یا سرامیک پشتیبانی می کند، منبسط می شود. این امر از ایجاد تنش، خم شدن، یا ناهماهنگی (عدسی حرارتی) که مسیر نوری را مخدوش می کند و عملکرد را کاهش می دهد، جلوگیری می کند. یک لوله فولادی ضد زنگ استاندارد (با CTE تقریبا دو برابر 3J40) باعث ناهماهنگی قابل توجهی می شود.

ابزارآلات هوافضا:

کاربرد: ساختاری برای نصب سیستم های هدایت اینرسی (به عنوان مثال، ژیروسکوپ) در یک هواپیما یا ماهواره.

دلیل: این ابزارها به تغییرات ابعادی دقیق حساس هستند. استفاده از لوله 3J40 برای قاب تضمین می کند که فاصله های بحرانی و هم ترازی بین سنسورها علیرغم تغییرات دمایی تجربه شده از پرواز اتمسفر به فضا ثابت می ماند و دقت اندازه گیری را تضمین می کند.

تجهیزات تولید نیمه هادی:

کاربرد: لوله ها یا اعضای ساختاری در ابزارهای جابجایی ویفر یا لیتوگرافی.

دلیل: این فرآیندها در تلورانس‌های نانومتری- رخ می‌دهند. هر گونه انبساط حرارتی در ساختار تجهیزات، دقت را از بین می برد. 3پایداری J40 برای حفظ تراز مرحله ویفر و اپتیک در محدوده دمای عملیاتی ضروری است.

در تمام این موارد، محرک اصلی دقت است، نه مهار فشار. "لوله" به عنوان یک مجرای ساختاری پایدار، اغلب برای محافظت از اجزای حساس داخلی یا برای حفظ یک رابطه هندسی دقیق بین اجزا عمل می کند.

4. ملاحظات حیاتی برای جوشکاری و لحیم کاری لوله های آلیاژی 2J31 و 3J40 چیست؟

اتصال این آلیاژها به روش های دقیق برای حفظ خواص عملکردی منحصر به فرد آنها و جلوگیری از ایجاد تنش یا فازهای شکننده نیاز دارد.

ملاحظات کلی برای هر دو:

تمیزی بی عیب و نقص: تمام سطوح باید عاری از روغن، گریس و اکسید باشد تا از آلودگی جلوگیری شود و از خیس شدن یا همجوشی مناسب اطمینان حاصل شود.

تنش زدایی: به دلیل استفاده از آنها در کاربردهای دقیق، هر فرآیند اتصال باید با آنیل تنش زدایی دنبال شود تا تنش های پسماند که می تواند در طول زمان باعث ناپایداری ابعادی شود به حداقل برسد.

تثبیت: نصب مناسب برای حفظ تراز بسیار مهم است، به خصوص برای مهر و موم های{0}}شیشه به-فلز که تلورانس ها بسیار محکم هستند.

مخصوص 3J40 (آلیاژ 42):

جوشکاری: جوشکاری قوس تنگستن گازی (GTAW/TIG) با یک فلز پرکننده ترکیبی منطبق (به عنوان مثال، ERNiFeCr-4 یا یک پرکننده تخصصی 42 درصد نیکل) ترجیح داده می شود. حرارت ورودی کم جوش لیزری نیز عالی است.

لحیم کاری: این امر به ویژه برای آب بندی شیشه بسیار رایج است. آلیاژهای لحیم کاری بر پایه نقره- (به عنوان مثال، BAg-8) اغلب استفاده می شوند. این فرآیند باید در یک اتمسفر کنترل شده (خلاء یا هیدروژن) انجام شود تا از اکسیداسیون جلوگیری شود و یک اتصال تمیز و قوی تضمین شود. دمای لحیم کاری باید با وضعیت عملیات حرارتی نهایی 3J40 سازگار باشد.

مخصوص 2J31:

توالی عملیات حرارتی بسیار مهم است: جوشکاری یا لحیم کاری باید قبل از مرحله نهایی سخت شدن سن مغناطیسی{0}} انجام شود. انجام این عملیات بر روی مواد کاملاً سخت شده باعث می شود:

بیش از-ساختار سخت شده در منطقه متاثر از گرما-(HAZ) پیر می‌شود و سختی و خواص مغناطیسی آن را از بین می‌برد.

ایجاد تنش های پسماند بالا که می تواند منجر به ترک خوردن در هنگام خنک شدن شود.

فرآیند: جزء ساخته شده و در شرایط نرم و محلول-به هم متصل می‌شود. پس از جوشکاری/لحیم کاری، کل مجموعه تحت یک چرخه سخت شدن سن نهایی- قرار می گیرد تا خواص مغناطیسی و مکانیکی بهینه خود را به طور یکنواخت ایجاد کند.

5. مکانیسم‌های خرابی اولیه برای این آلیاژها در خدمات طولانی‌مدت چیست؟

شکست برای 2J31 و 3J40 به ندرت پارگی فاجعه بار است. این اغلب یک تخریب تدریجی ویژگی عملکردی اولیه آنها است.

برای 3J40 (آلیاژ کم انبساط):

خستگی حرارتی مهر و موم: در مهر و موم‌های{0}}به-فلز، گرمایش و سرمایش چرخه‌ای در صورت وجود ناهماهنگی جزئی CTE یا تنش پسماند، در نهایت می‌تواند منجر به ایجاد ترک‌های میکرو-در شیشه یا رابط فلزی- شود. این امر باعث شکستن مهر و موم هرمتیک شده و منجر به نشتی و خرابی بسته الکترونیکی می شود.

رانش ابعادی: اگر آلیاژ برای دوره های طولانی در معرض دماهای خارج از محدوده CTE پایدار خود قرار گیرد، یا اگر تنش به درستی کاهش نیابد، ممکن است تغییر ابعادی دائمی و جزئی داشته باشد و ابزار دقیق را نادرست کند.

اکسیداسیون: در حالی که مقداری مقاومت در برابر اکسیداسیون دارد،-قرار گرفتن طولانی مدت در معرض دمای بالا در هوا می تواند منجر به پوسته پوسته شدن سطح شود، که می تواند در اتصالات دقیق یا تماس های الکتریکی اختلال ایجاد کند.

برای 2J31 (آلیاژ سخت شدن مغناطیسی):

تخریب ویژگی‌های مغناطیسی: قرار گرفتن در معرض دمایی که به دمای پیری نزدیک می‌شود یا بیشتر از آن می‌تواند باعث پیری بیش از حد- شود. این رسوبات تقویت کننده را درشت می کند و منجر به کاهش قدرت اجباری و ماندگاری می شود و به طور موثر عملکرد مغناطیسی طراحی شده آن را "پاک می کند".

شکستگی مکانیکی در مهر و موم: فلز سخت،-سخت شده 2J31 بسیار کمتر از شیشه ای است که روی آن آب بندی شده است. تحت شوک مکانیکی یا چرخه حرارتی شدید، تنش می‌تواند در سطح مشترک آب‌بند متمرکز شود و منجر به شکستگی شکننده در شیشه یا عدم اتصال{4}}درزگیر شود.

خوردگی: در محیط‌های خشن (مثلاً سوراخ‌ها)، خوردگی می‌تواند به آلیاژ حمله کند و به سطح آب‌بندی یا خود جزء آسیب برساند. هنگامی که در چنین شرایطی استفاده می شود، این اغلب با آبکاری (به عنوان مثال، آبکاری نیکل) کاهش می یابد.