Q1: چه چیزی باعث تفاوت اساسی آلیاژ Incoloy 903 با سایر سوپرآلیاژهای{2}}در دمای بالا مورد استفاده در کورهها و توربینها میشود؟
پاسخ: آلیاژ Incoloy 903 (UNS N19903) شاخهای تخصصی از طراحی سوپرآلیاژی است که به عنوان سوپرآلیاژ انبساط کنترلشده- شناخته میشود. برخلاف سوپرآلیاژهای سنتی مانند Inconel 718 یا Waspaloy که استحکام خام و مقاومت در برابر اکسیداسیون را در اولویت قرار می دهند، آلیاژ 903 برای حل یک معمای مکانیکی خاص مهندسی شده است: حفظ استحکام در حالی که با ویژگی های انبساط حرارتی مواد دیگر مطابقت دارد.
ویژگی تعیین کننده - ضریب کم انبساط حرارتی (CTE):
آلیاژ 903 یک CTE غیرمعمول کم و قابل کنترل را نشان می دهد، معمولاً در حدود 7.0-8.0 میکرومتر بر متر · درجه (3.9-4.5 میکرون در این · درجه فارنهایت) از دمای اتاق تا 425 درجه (800 درجه فارنهایت). این تقریباً نصف فولادهای زنگ نزن آستنیتی مانند 304 یا 316 است.
چگونه این امر محقق می شود؟
این خاصیت از شیمی منحصر به فرد آن ناشی می شود. این یک آلیاژ نیکل-آهن- کبالت با افزودن قابل توجهی از نیوبیم (Cb) و تیتانیوم است. به ویژه حاوی کروم بسیار کم است (معمولا<0.5%). In most superalloys, Chromium is added for oxidation resistance. In Alloy 903, it is intentionally minimized because Chromium raises the CTE and disrupts the desired expansion behavior.
منطق برنامه:
این انبساط کم به اجزای آلیاژ 903 (مانند روکشها، روکشها و حلقهها) اجازه میدهد تا با سرعتی شبیه به سوپرآلیاژهای مبتنی بر-نیکل انبساطی{2}} یا حتی مواد سرامیکی که در حال آببندی یا پشتیبانی هستند، منبسط و منقبض شوند. این کار فاصلههای محکمی را در ماشینهای دوار حفظ میکند، کارایی را بهبود میبخشد و از ساییده شدن نوک تیغهها به کفن جلوگیری میکند. این ماده ای است که برای پایداری ابعادی تحت چرخه حرارتی طراحی شده است، نه فقط برای استحکام خام.
Q2: مشخصات AMS 5803 به مواد "الکترود قابل مصرف ذوب مجدد" اشاره می کند. چرا این عمل ذوب خاص برای ورق و صفحه Incoloy 903 برای اجزای کوره هوافضا حیاتی است؟
پاسخ: الزامات ذوب مجدد الکترودهای مصرفی-مخصوصاً ذوب مجدد قوس خلاء (VAR) یا ذوب مجدد الکتروفلاکس (EFR) همانطور که در AMS 5803 ذکر شده است - فقط یک چک باکس کیفیت نیست. این یک نیاز اساسی برای عملکرد و یکپارچگی مواد در کاربردهای حیاتی چرخش و آب بندی است.
دلیل: کنترل شیمی و یکنواختی ریزساختاری
کنترل شیمی محکم: خواص منحصر به فرد انبساط کم- آلیاژ 903 به نسبت دقیق نیکل، کبالت و آهن متکی است. ذوب استاندارد هوا نمی تواند به همگنی مورد نیاز دست یابد. ذوب خلاء تضمین می کند که عناصر واکنشی مانند تیتانیوم و نیوبیم (آلومینیوم نیز موجود است) دقیقاً کنترل شده و عاری از آلودگی توسط گازهایی مانند اکسیژن و نیتروژن هستند.
حذف تفکیک: در یک سیستم آلیاژی بالا مانند N19903، جداسازی عناصر در طول انجماد میتواند منجر به "باندبندی" در صفحه یا ورق نهایی شود. اگر یک نوار از مواد دارای ضریب انبساط کمی متفاوت از نوار مجاور باشد، جزء می تواند به طور غیرقابل پیش بینی در طول چرخه حرارتی در یک کوره یا موتور منحرف شود یا منحرف شود. VAR ساختار شمش همگن تری ایجاد می کند.
به حداقل رساندن ضخامتهای غیر فلزی: برای ورقهای نازک (AMS 5803 ورقهایی با ضخامت 0.001 اینچ را برای کاربردهای خاص پوشش میدهد)، یک ضخامت میکروسکوپی میتواند به عنوان افزایش دهنده استرس و نقطه شروع برای شکست خستگی عمل کند. فرآیند ذوب مجدد ساختار دانهها را اصلاح میکند و اجزاء را شناور میکند و ماده «تمیزکنندهتری» برای قابلیت اطمینان دیافراگمهای نازک، دم و مهر و مومها تولید میکند.
به طور خلاصه، مشخص کردن AMS 5803 با الزامات ذوب مجدد الکترود مصرفی آن تضمین می کند که صفحه یا ورق تمیزی داخلی و یکنواختی شیمیایی لازم برای انجام عملکرد پایداری ابعادی خود را به طور قابل اطمینان انجام می دهد.
Q3: یک طراح ورق Incoloy 903 را برای یک بافل کوره در نظر گرفته است که در دمای 700 درجه (1300 درجه فارنهایت) کار می کند. بر اساس خواص متالورژیکی آن، آیا این یک کاربرد بی خطر است؟ محدودیت های ذاتی این آلیاژ چیست؟
پاسخ: انتخاب Incoloy 903 برای یک بافل کوره در دمای 700 درجه (1300 درجه فارنهایت) احتمالاً یک کاربرد نادرست متالورژیکی قابل توجه است که می تواند منجر به شکست سریع و فاجعه آمیز شود.
محدودیت اصلی: عدم مقاومت در برابر اکسیداسیون
همانطور که در Q1 ذکر شد، آلیاژ 903 حاوی کروم (Cr) بسیار کمی است. کروم عنصر اولیه ای است که با تشکیل یک مقیاس محافظ Cr2O3 مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا را ایجاد می کند.
در 700 درجه در اتمسفر هوا (اکسید کننده)، سطح آلیاژ 903 به سرعت اکسید می شود. بدون لایه محافظ اکسید کروم، یک مقیاس اکسید نیکل-غیر محافظ و ریزش آهن تشکیل میدهد. این ماده با سرعتی سریع "زنگ زده" می شود که منجر به از دست دادن سریع بخش می شود.
سایر محدودیت های حیاتی:
بالا{0}}افت مقاومت دما: در حالی که آلیاژ 903 در دماهای متوسط (تا ~650 درجه) به دلیل سخت شدن بارندگی (گاما پرایم، Ni3 (Al، Ti، Cb)) استحکام عالی دارد، با نزدیک شدن دما به 700 درجه و بالاتر، استحکام آن به شدت کاهش می یابد. برای کاربردهای تحمل بار در آن دما طراحی نشده است.
اکسیداسیون مرزی دانه با تنش (SAGBO): آلیاژ 903 در استفاده در هوافضا (معمولاً زیر 650 درجه) می تواند در برابر SAGBO حساس باشد، جایی که اکسیژن تحت تنش کششی به مرزهای دانه نفوذ می کند و منجر به شکنندگی می شود. در 700 درجه، این مکانیسم تسریع می شود.
برنامه صحیح:
آلیاژ 903 برای دمای متوسط (تا ~650 درجه)، کاربردهای با استحکام بالا که در آن انبساط کم حیاتی است و محیط نسبتاً خنثی یا محافظت شده است (مثلاً داخل محفظه موتور مهر و موم شده با جو کنترل شده) در نظر گرفته شده است. برای یک بافل کوره که در معرض هوای آزاد در دمای 700 درجه قرار دارد، یک آلیاژ استاندارد با دمای بالا-مانند Inconel 600 یا 601، یا یک آلیاژ FeCrAl بسیار مناسب تر است.
Q4: ما در حال ساخت یک پوشش پیچیده از ورق AMS 5803 با استفاده از جوشکاری قوسی تنگستن گازی (GTAW) هستیم. چالش جوش پذیری منحصر به فرد ارائه شده توسط این آلیاژ چیست و چه عملیات حرارتی جوش (PWHT) خاصی مورد نیاز است؟
پاسخ: جوشکاری Incoloy 903 یک چالش منحصربهفرد را ارائه میکند که مستقیماً با شیمی انبساط کنترلشده-ش مرتبط است. خطر اولیه کرنش-ترک ناشی از سن در طول عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) است.
چالش: کرنش-ترک شدن سن
مکانیسم: آلیاژ 903 با رسوب گاما اول [Ni3(Al, Ti, Cb)] در طول پیری تقویت می شود. فرآیند جوشکاری یک ناحیه تحت تأثیر حرارت- (HAZ) ایجاد میکند که با سرد شدن در حالت تنش کششی باقیمانده قرار میگیرد.
مشکل: هنگامی که مجموعه جوش داده شده در معرض PWHT (چرخه پیری) قرار می گیرد تا استحکام کامل در فلز پایه ایجاد شود، HAZ نیز شروع به رسوب گاما پرایم می کند. این بارش باعث تقویت HAZ و از دست دادن شکل پذیری می شوددر حالی کهتنش های پسماند ناشی از جوشکاری هنوز وجود دارد. اگر تنش ها به اندازه کافی زیاد باشند، اکنون-HAZ شکننده ترک خواهد خورد-این ترک ناشی از کرنش-سنی است.
راه حل: یک استراتژی دو مرحله ای PWHT-
برای کاهش این موضوع، رویکرد استاندارد{0}}صنعت برای اجزای AMS 5803 عبارت است از:
مرحله 1 - راه حل آنیل (تسکین استرس) قبل از پیری:
پس از جوشکاری، مجموعه باید تحت عملیات بازپخت محلول قرار گیرد (معمولاً در حدود 15 ± 980 درجه / 25 ± 1800 درجه فارنهایت) و به دنبال آن خنک شدن سریع (کوئنچ).
هدف: این بخش عمده ای از تنش های پسماند جوشکاری را کاهش می دهد و هرگونه بارش اولیه ای که ممکن است در حین جوشکاری رخ داده باشد را از بین می برد.
مرحله 2 - چرخه سخت شدن (پیری) بارش:
تنها پس از کاهش استرس، قطعه در معرض چرخه پیری قرار میگیرد (معمولاً یک فرآیند دو مرحلهای در حدود 720 درجه و 620 درجه / 1325 درجه فارنهایت و 1150 درجه فارنهایت).
هدف: این کار خواص مکانیکی مورد نیاز (استحکام کششی و تسلیم) را در محیطی-آزاد یا کم{1}}تنش ایجاد میکند.
نادیده گرفتن آنیل محلول میانی و رفتن مستقیم به چرخه پیری، دستور العملی برای قطعات اسقاط شده به دلیل ترک خوردن است.
Q5: یک مهندس در حال بررسی یک طرح قدیمی است که صفحه AMS 5803 را مشخص می کند. زنجیره تامین برای تامین آن در تلاش است. آلیاژهای جایگزین مدرن کدامند و جایگزین کردن آنها چه سودی دارد؟
پاسخ: یافتن جایگزین های مستقیم برای AMS 5803/Alloy 903 دشوار است زیرا ترکیب-انبساط کم و{3}}استحکام آن کاملاً تخصصی است. با این حال، بسته به الزامات دقیق برنامه، چند مسیر وجود دارد که هرکدام دارای مبادله- قابل توجهی هستند.
جایگزین 1: آلیاژ 909 (UNS N19909 / AMS 5892)
جانشین مدرن: آلیاژ 909 تکامل مستقیم شیمی 903 است. این به طور خاص برای بهبود مقاومت SAGBO و چقرمگی بریدگی آلیاژ 903 و در عین حال حفظ ویژگیهای انبساط پایین توسعه یافته است.
معامله-خاموش: در حالی که قابلیت ساخت و مقاومت بهتری را در برابر مکانیسمهای ترک مورد بحث در Q4 ارائه میکند، بدون احراز مجدد چرخه عملیات حرارتی، افت-در جایگزینی آن نیست. اغلب برای طرحهای جدید که نیاز به انبساط کم دارند، انتخاب ارجح است، اما اگر قطعه آهنگری باشد، دمای آهنگری مهمتر است.
جایگزین 2: آلیاژ 718 (UNS N07718 / AMS 5596)
جایگزین رایج "قوی-" بالا:
مبادله-خاموش (انبساط): آلیاژ 718 دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار بالاتری است. جایگزینی آن کنترل ترخیص کالایی را که قطعه اصلی 903 برای ارائه آن طراحی شده بود، از بین می برد. راندمان توربین یا کوره کاهش می یابد یا تداخل مکانیکی (مالش) ایجاد می شود.
معامله-خاموش (اکسیداسیون): از جنبه مثبت، 718 حاوی کروم قابل توجهی است که در مقایسه با 903 مقاومت بسیار بالایی در برابر اکسیداسیون دارد.
جایگزین 3: آلیاژهای نوع Invar{1} (به عنوان مثال، Ni36 / UNS K93600)
جایگزین گسترش کم-:
ترید-خاموش (قدرت): Invar دارای CTE حتی کمتر از 903 در نزدیکی دمای اتاق است، اما یک سوپرآلیاژ سختشدنی ناشی از بارندگی نیست. این نسبتاً نرم است و فاقد استحکام دمایی-بالای 903 است. در دماهای بالا بلافاصله تحت بار می خزد یا تغییر شکل می دهد.
نتیجه گیری: اگر 903 در دسترس نباشد، آلیاژ 909 منطقی ترین جایگزین متالورژیکی است. اگر 909 نیز در دسترس نباشد، احتمالاً طرح باید دوباره-ارزیابی شود. جایگزینی با یک سوپرآلیاژ استاندارد مانند 718 مشکل تامین را حل می کند اما عملکرد انبساط حرارتی قطعه را از بین می برد.
