1. GH4169 (INCONEL 718) مسلماً پرکاربردترین سوپرآلیاژ مبتنی بر نیکل{3}}است. مکانیزم منحصربفرد تقویت دو فازی آن چیست و چگونه ترکیب آن این امکان را فراهم می کند و آن را از آلیاژهای سخت شده مانند GH4738 متمایز می کند؟
موفقیت بینظیر GH4169 ناشی از اتکای منحصربهفرد آن به فاز گاما دو-پرایم ('') بهعنوان تقویتکننده اصلی آن است که با فاز پرایم گاما (') تکمیل شده است. این مکانیزم دو فازی نتیجه مستقیم محتوای بالای نیوبیم (Nb) آن است.
تقویت کننده اصلی: گاما دوبل-پرایم ( ''): آلیاژ به شدت با نیوبیم (~5%) غنی شده است. در طول پیری، این Nb به عنوان یک فاز چهارضلعی (BCT) منسجم و بدن، Ni3Nb رسوب میکند. این فاز به طور استثنایی در جلوگیری از نابجایی موثر است و اکثریت تسلیم بالا و استحکام کششی آلیاژ را فراهم می کند. دیسک{6}}شبیه مورفولوژی آن یک میدان کرنش قوی در ماتریس ایجاد میکند و آن را قویتر از «در دماهای پایین تا متوسط» میکند.
تقویتکننده ثانویه: گاما پرایم ('): مقدار کوچکتر اما قابل توجهی از فاز مکعبی منسجم (FCC) Ni3 (Al, Ti)' نیز در طول پیری شکل میگیرد. این فاز به استحکام کلی کمک می کند و به طور اساسی پایداری ریزساختاری را بهبود می بخشد.
نقش عناصر کلیدی:
نیکل (Ni): ماتریس آستنیتی ( ) را فراهم می کند.
کروم (Cr): مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی ایجاد می کند.
آهن (آهن): جزء مهمی است که GH4169 را نسبت به سایر سوپرآلیاژها مقرون به صرفهتر میکند و به تقویت{1} محلول جامد کمک میکند.
نیوبیم (Nb): حیاتی ترین عنصری است که امکان تشکیل فاز '' را فراهم می کند.
مولیبدن (Mo): جامد-تقویت محلول را ارائه میکند و انتشار{1}}تبدیل کنترلشده '' فراپایدار به فاز δ پایدار را کند میکند.
تمایز از GH4738: بر خلاف GH4738، که توسط فاز پایدار Ni3 (Al,Ti) ' تقویت می شود، قدرت GH4169 ازغیر پایدار'' فاز. این تفاوت اساسی دلیل جوشپذیری و ساختپذیری برتر GH4169 است، زیرا فاز '' بسیار آهستهتر رسوب میکند و خطر ترکخوردگی ناشی از کرنش- را به حداقل میرساند. با این حال، حداکثر دمای سرویس خود را نیز به حدود 650 درجه محدود میکند، زیرا قرار گرفتن در معرض طولانی مدت بیش از این باعث میشود که '' به فاز δ-Ni3Nb غیر{5}} تقویتکننده و پایدار تبدیل شود.
2. یک محدودیت شناخته شده برای GH4169 حداکثر دمای سرویس آن تقریباً 650 درجه است. تبدیل ریزساختاری خاص مسئول این محدودیت چیست و چگونه خواص مکانیکی آلیاژ را کاهش می دهد؟
محدودیت اولیه GH4169 فراپایداری ذاتی فاز تقویتی آن است. با قرار گرفتن طولانی مدت در معرض دماهای بین 650 درجه تا 980 درجه، فاز '' یک تبدیل برگشت ناپذیر به فاز دلتا (δ) پایدار می شود.
تبدیل '' به δ: رسوبات منسجم، دیسکی-شکل Ni3Nb'' حل شده و به صورت فاز ناهمدوس و متعامد Ni3Nb δ، رسوب میکند. فاز δ معمولاً به صورت پلاکتهای درشت یا سوزن، ترجیحاً در مرز دانهها شکل میگیرد.
پیامدهای مربوط به خواص مکانیکی:
از دست دادن استحکام: تبدیل ذرات ریز تقویت کننده '' به فاز δ درشت مانع اصلی حرکت نابجایی را از بین می برد. این منجر به کاهش چشمگیر استحکام کششی، استحکام تسلیم و مقاومت در برابر خزش می شود.
تردی: یک شبکه پیوسته فاز δ در امتداد مرزهای دانه می تواند شکل پذیری و چقرمگی را به شدت کاهش دهد و آلیاژ را مستعد شکست بین دانه ای کند.
تاثیر بر عمر خستگی: ذرات δ درشت و مناطق برهنه شده اطراف آنها می توانند به عنوان مکان های قوی برای شروع ترک عمل کنند و به طور قابل توجهی عمر خستگی آلیاژ را کاهش دهند.
این تبدیل با انتشار{0}}کنترل میشود، بنابراین زمان و دما عوامل حیاتی هستند. برای مواجهههای کوتاهمدت یا تنشهای کمتر، میتوان حد را کمی بالاتر برد، اما برای قطعات مهندسی با عمر طولانی مانند دیسکهای توربین، 650 درجه حد بالایی محافظهکارانه و عملی برای اطمینان از پایداری ریزساختار و یکپارچگی مکانیکی در طول هزاران ساعت کارکرد در نظر گرفته میشود. عملیات حرارتی به دقت طراحی شده است تا هر فاز δ بالقوه مضر را قبل از سرویس به روشی کنترل شده رسوب دهد و اطمینان حاصل شود که در حین کار توزیع مضری ایجاد نمی کند.
3. GH4169 به دلیل جوش پذیری و شکل پذیری عالی در مقایسه با سایر سوپرآلیاژهای{2}} با استحکام بالا مشهور است. کدام ویژگی متالورژیکی این مزیت را به آن می دهد و از چه چالش جوشکاری خاصی جلوگیری می کند؟
قابلیت ساخت استثنایی GH4169 نتیجه مستقیم و عمدی سینتیک بارش آهسته آن است که به نوبه خود توسط محتوای نیوبیم و مکانیسم تقویتی آن تعیین می شود.
سینتیک بارش آهسته: تشکیل فاز تقویت کننده از ماتریس فوق اشباع فرآیندی نسبتاً کند است و در دمای پیری (معمولاً 720 درجه و 620 درجه) به ساعت ها نیاز دارد. این در تضاد کامل با «-آلیاژهای سخت شده مانند GH4738 است که در آن فاز تقریباً فوراً رسوب میکند.
اجتناب از کرنش-ترک ناشی از سن: این رسوب آهسته کلید جلوگیری از کرنش-ترک سن (SAC) است، که چالش اصلی جوشکاری برای اکثر ابرآلیاژهای بارندگی-سخت شده است.
مکانیسم SAC در آلیاژها: در طول جوشکاری یک آلیاژ سخت شده، ناحیه تحت تاثیر حرارت-(HAZ) یک چرخه حرارتی را تجربه می کند که فاز را حل می کند. پس از خنک شدن و عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT)، فاز ' به سرعت رسوب می کند. اگر تنش های پسماند ناشی از جوش وجود داشته باشد، این بارش سریع می تواند این تنش ها را مسدود کند و منجر به ترک در HAZ شود.
چرا GH4169 ایمن است: از آنجایی که فاز '' در GH4169 بسیار آهسته رسوب می کند، آلیاژ برای مدت طولانی پس از جوشکاری نسبتاً نرم و انعطاف پذیر باقی می ماند. این اجازه می دهد تا برای آرامش استرس از طریق جریان پلاستیک قبل از اینکه تقویت قابل توجهی رخ دهد. این کار باعث میشود که GH4169 در شرایط قدیمی جوش داده شود و سپس یک عملیات حرارتی کامل پس از جوش-بدون ترک خوردگی اعمال شود، کاری که با اکثر سوپرآلیاژهای با استحکام بالا بسیار دشوار یا غیرممکن است.
این ترکیب از استحکام بالا و جوشپذیری فوقالعاده، GH4169 را به انتخاب پیشفرض برای سازههای بزرگ و پیچیده جوشکاری شده در هوافضا، مانند محفظههای موتور موشک، و اجزای دوار حیاتی که نیاز به جوشکاری تعمیری دارند، تبدیل کرده است.
4. خواص GH4169 به طور دقیق از طریق یک عملیات حرارتی سه مرحله ای خاص مهندسی شده است. هدف هر مرحله-درمان محلول، پیری اول، و پیری دوم-در کنترل ریزساختار چیست؟
عملیات حرارتی استاندارد برای GH4169 (بازپخت + دوبار پیری) یک دستور العمل با دقت کالیبره شده برای حل کردن فازهای نامطلوب، تنظیم اندازه دانه و رسوب توزیع بهینه '' و ' است.
درمان با محلول (پخت): معمولاً در 950 درجه - 980 درجه انجام میشود و به دنبال آن خنکسازی سریع (کوئنچ) انجام میشود.
هدف: حل کردن تمام فازهای ثانویه (''، '، و δ) در محلول جامد، ایجاد یک ریزساختار تک فازی همگن-. این مرحله همچنین اندازه دانه نهایی را تعیین می کند. دما برای انحلال به اندازه کافی بالا اما به اندازه کافی پایین برای جلوگیری از رشد بیش از حد دانه انتخاب می شود. خنک شدن سریع این حالت فوق اشباع را برای مراحل پیری بعدی حفظ می کند.
اولین پیری (سن دمای بالاتر-): معمولاً 720 درجه به مدت 8 ساعت و به دنبال آن یک کوره کنترل شده با دمای 55 درجه در ساعت تا 620 درجه خنک می شود.
هدف: این مرحله حیاتی برای هسته زایی رسوبات '' و ' است. نگه داشتن 8 ساعته انرژی حرارتی و زمان تشکیل هسته های با چگالی بالا را فراهم می کند. خنک سازی آهسته و کنترل شده از طریق محدوده دمایی حداکثر سینتیک بارش (تا 620 درجه) امکان رشد مداوم و یکنواخت این رسوبات را فراهم می کند و کسر حجمی فازهای تقویتی را به حداکثر می رساند.
پیری دوم (سن دما پایین تر): معمولاً 620 درجه به مدت 8 ساعت و به دنبال آن خنک کننده هوا.
هدف: برای تثبیت بیشتر ریزساختار و اطمینان از تکمیل فرآیند بارش. این مرحله باعث افزایش بارندگی در مقیاس{1}}تر می شود و تعادل نهایی فازهای "و" را تنظیم می کند و استحکام، شکل پذیری و پایداری آلیاژ را بهینه می کند.
هر گونه انحراف از این چرخه می تواند خواص مکانیکی را به شدت تغییر دهد. آهنگری و سایر تاریخچههای پردازش حرارتی{1}}مکانیکی نیز به دقت کنترل میشوند تا به طور قابل پیشبینی با این عملیات حرارتی نهایی تعامل داشته باشند.
5. GH4169 در کدام یک از اجزای هوافضای پرمخاطره، ماده انتخابی بلامنازع است، و در حالتهای خرابی سرویس که مهندسان باید در مقابل آنها طراحی کنند، چه مواردی غالب هستند؟
ترکیب GH4169 از استحکام بالا تا 650 درجه، مقاومت در برابر خستگی استثنایی و قابلیت ساخت عالی، آن را در طیف وسیعی از کاربردهای حیاتی هوافضا ضروری می کند.
برنامه های کاربردی کلیدی:
دیسکهای موتور توربین گاز: این مهمترین کاربرد{0}}ایمنی آن است. دیسکهای کمپرسور و توربین فشار بالا تحت فشارها و دماهای بسیار گریز از مرکز قرار میگیرند که در آن قدرت تسلیم بالا و عملکرد خستگی چرخه پایین (LCF) GH4169 بسیار مهم است.
شفتهای روتور و تیغههای کمپرسور: در بخشهای{0}}تنش زیاد موتور استفاده میشود.
اجزای موتور موشک: برای پرهها، دیسکها و محفظههای توربوپمپ استفاده میشود، جایی که به استحکام و جوشپذیری بالا نیاز است.
اجزای بدنه هواپیما: در -بستهها، قطعات ارابه فرود و سایر اعضای ساختاری حیاتی در هواپیماهای پیشرفته استفاده میشود.
حالت های شکست غالب:
-خستگی سیکل پایین (LCF): برای دیسک های توربین، عامل محدود کننده عمر{1} اولیه LCF است که توسط چرخه های راه اندازی-خاموش و خاموش شدن موتور هدایت می شود. ترکها در متمرکزکنندههای تنش (مثلاً شکافهای اتصال تیغه، حفره) شروع میشوند و تحت این چرخههای{6} کرنش بالا انتشار مییابند. تمیزی مواد (آزادی از اجزای غیر فلزی) برای عمر LCF بسیار مهم است.
خزش و تنش-پارگی: در حالی که مقاومت خزشی آن خوب است، در انتهای بالای محدوده دمایی آن و تحت تنش زیاد، تغییر شکل وابسته به زمان{1}}و پارگی نهایی ممکن است رخ دهد. این یک نکته کلیدی در طراحی دیسک ها و تیغه ها است.
آسیب ریزساختاری بیش از-درجه حرارت: اگر قطعه ای به طور تصادفی در معرض دماهای به طور قابل توجهی بالاتر از 700 درجه قرار گیرد، تبدیل سریع فاز '' به δ می تواند باعث از دست دادن غیرقابل برگشت استحکام شود و به طور بالقوه منجر به شکست فاجعه بار در چرخه عملیاتی بعدی شود.
ترک خوردگی ناشی از تنش (SCC): در محیط های خاص، به ویژه در حضور کلریدها، SCC می تواند یک نگرانی باشد، به ویژه برای اجزای با تنش های کششی پسماند یا اعمال شده بالا.
بنابراین، آزمایشهای غیرمخرب دقیق (NDT)، محاسبات ماندگاری بر اساس چرخههای LCF، و رعایت دقیق محدودیتهای دمای عملیاتی برای اطمینان از عملکرد ایمن و قابل اعتماد اجزای GH4169 ضروری است.
