سوپر آلیاژهای پایه نیکل

سوپر آلیاژهای پایه نیکل

اسلاید 1: Nickel Base AlloysCourse superalloys Abadan RefineryModares : Eng OlfatiSpring 2015

اسلاید 2: Crystal structure FCCAtomic number 28Atomic weight 58.71Density (g.cm-3) 8.89Melting point (℃) 1455• Silvery shiny appearance• High toughness and ductility• Good high and lowtemperature strength• High oxidation resistance• Good corrosion resistance• Ferro-magneticProperties

اسلاید 3: ترکيب شيميايي سوپر آلياژهاي پايه نيکل

اسلاید 4: .با توجه به نقشي که هر کدام از اين عناصر در سوپرآلياژهاي پايه نيکل دارند مي توان آنها را به سه گروه زير تقسيم بندي کردالف- گروه اول عناصر تشکيل دهنده فاز زمينه با شبکه کريستالي FCC که اين عناصر بيشتر متعلق به گروه هاي پنج، شش و هفت جدول تناوبي مي‌باشند و عبارتند از: نيکل، کروم، کبالت، آهن، موليبدن و تنگستنب- گروه دوم شامل عناصري است که تشکيل دهنده فاز استحکام بخش گاما پریم بصورت ترکيب Ni3X بوده و بيشتر متعلق به گروه هاي سوم، چهارم و پنجم جدول تناوبي که شامل عناصر تيتانيم، آلومينيم، نيوبيم، تانتالم و هافنيم مي‌باشد.گروه سوم عناصر توليد کننده رسوب در مرزدانه نظير بور، کربن، زيرکونيم که از گروه هاي دوم، سوم و چهارم جدول تناوبي هستند

اسلاید 5: سه گروه اصلي فوق داراي دو زير گروه نيز مي‌باشند که اولي گروه کاربيدزاها نظير کروم، موليبدن، تنگستن، نيوبيم، تانتالم و تيتانيم و گروه دوم اکسيدزاها نظير کروم و آلومينيم بوده که سبب تشکيل لايه‌هاي اکسيدي چسبنده و مقاوم در برابر نفوذ شده و نهايتاً موجب محافظت از آلياژ در محيطهاي خورنده مي‌شوند

اسلاید 6: عناصر اصلي و تاثير آنها - نيکل: نيکل عمده‌ترين عنصر موجود در سوپرآلياژهاي پايه نيکل و تشکيل دهنده اصلي ساختار آستنيتي گاما FCCبوده و درصد عمده‌اي از زمينه اين آلياژها را به خود اختصاص مي‌دهد. نيکل باعث افزايش چقرمگي و انعطاف پذيري و مقاومت به خوردگي آلياژ بويژه در محيط‌هاي احياکننده مي‌شود .به دليل ساختار الکتروني خاص شبکه FCC نيکل، اين عنصر قابليت حلاليت بالايي براي ساير عناصر دارد ضمن اينکه يکي از ارکان فاز استحکام بخش گاما پریم

اسلاید 7: کروم:کروم يکي از عناصر مهم موجود در سوپرآلياژها بوده که سبب ايجاد لايه‌هاي محافظ و روئين و جلوگيري از خوردگي و نيز تشکيل فازهاي کاربيدي مي‌شود. اين عنصر همچنين مي‌تواند وارد محلول جامد فاز آستنيت زمينه شده و از اين طريق نيز موجب بالا رفتن استحکام شود.

اسلاید 8: کبالتاين عنصر علاوه بر آنکه با ايجاد محلول جامد مي‌تواند به افزايش استحکام سوپرآلياژ کمک کند، در سوپرآلياژهاي کارپذير پايه نيکل، موجب بالارفتن درجه حرارت حلاليت فاز نيز مي‌شود و از اينرو نقش مهمي در حفظ استحکام در درجه حرارتهاي بالا دارد حذف کبالت از سوپرآلياژهاي پايه نيکل کارپذير موجب کاهش درجه حرارت کارگرم آلياژ مي‌شود، همچنين به دليل تاثير کبالت بر دماي انحلال کاربيدها، کاهش آن در سوپر‌آلياژهاي پايه نيکل ريختگي باعث کاهش خواص مکانيکي آنها مي‌شود نيز مي‌شود

اسلاید 9: آلومينيم:اين عنصر يکي از عناصر تشکيل دهنده فاز بصورت (Ni3Al) بوده و سبب تامين مقاومت به خوردگي آلياژ با ايجاد اکسيد آلومينيم در سطوح خارجي مي‌شود

اسلاید 10: تيتانيم: تيتانيم نيز يکي از عناصر اصلي تشکيل دهنده فاز بشکل (Ni3Ti) بوده و همچنين باعث افزايش مقاومت به خوردگي داغ آلياژ مي‌شود

اسلاید 11: عناصر ديرگداز: اين عناصر شامل موليبدن،تانتالم، نيوبيم و واناديم بوده از مقادير چند دهم تا حداکثر 15% در سوپرآلياژهاي کارپذير پايه نيکل حضور دارند. عناصر مذکور نقش دوگانه‌اي در زمينه استحکام بخشي به محلول جامد و ايجاد کاربيدها مخصوصاً MC و M23C6 ايفا مي‌کنند

اسلاید 12: زيرکنيم:زيرکنيم از جمله عناصري است که باعث افزايش قابليت انعطاف پذيري سوپرآلياژها مي‌شود. اين عنصر به همراه بور، باعث افزايش مقاومت خزشي و همچنين سبب بهبود خواص کششي و خواص تنش گسيختگي آلياژ مي‌شود.

اسلاید 13: کربن:ميزان کربن در سوپرآلياژهاي پايه نيکل تقريباً در حدود 1/0 درصد بوده و اثرات زير را در آلياژ دارد:- افزايش استحکام مرزدانه ناشي از تشکيل کاربيد - افزايش پايداري با خارج شدن عناصر فعال از زمينه آلياژ - کاهش چکش خواري و افزايش درصد تخلخل با افزايش درصد کربن

اسلاید 14: عناصر جزئيعلاوه بر عناصر اصلي که در بالا ارائه شده مقداري از عناصر نيز بصورت جزئي حضور دارند که اندازه گيري آنها به کلاس مورد نظر بستگي دارد. بطور کلي دو کلاس براي اندازه گيري اين عناصر ذکر شده که عبارتند از:

اسلاید 15: کلاس بندی عناصر جزئیکلاس 1: در اين کلاس بررسي عناصري نظير بيسموت، سرب، سلنيم، تلوريم و تاليوم مورد نظر مي‌باشدکلاس 2 : در اين گروه علاوه بر عناصر کلاس 1، عناصر ديگري نظير آنتيموان، ارسنيک، کادميم، گاليم، ژرمانيم، طلا، اينديم، جيوه، پتاسيم، نقره ، سديم ، قلع ، اورانيم و روي نيز بررسي مي‌شود. درصد اين عناصر نبايد از 005/0درصد (ppm50) بيشتر باشد. همچنين مجموع اين عناصر نيز نبايد از 04/0 درصد (ppm400) فراتر رود

اسلاید 16: بررسي ريزساختاري سوپرآلياژهاي پايه نيکل ريختگيزمينه پيوسته فاز آستنيتي پايه نيکل با ساختار FCC، گاما ناميده مي شود. اين فاز معمولاً شامل درصد بالايي از عناصر محلول جامد نظير کبالت، کروم، موليبدن و تنگستن مي‌باشد که باعث استحکام بخشي زمينه سوپرآلياژ مي‌شوند

اسلاید 17: دلايل اصلي براي پايداري آلياژهاي با زمينه نيکل توانايي بالايي براي تشکيل آلياژ با ترکيب پايدار دارد. آلياژهاي پايه نيکل با افزودن کروم به تشکيل پوسته هاي محافظ غني از Cr2O3 تمايل پيدا مي کنند. اين پوسته ها داراي جاهاي خالي کاتيوني کمي مي‌باشد. بنابراين سرعت نفوذ عناصر فلزي به سمت خارج و سرعت نفوذ اکسيژن، نيتروژن، گوگرد و ساير اجزاء مزاحم به سمت داخل کاهش مي‌يابد.در دماهاي بالاتر، اين آلياژها تمايل بيشتري به تشکيل پوسته هاي غني از Al2O3 نشان مي‌دهند که اين پوسته ها مقاومت به اکسيداسيون منحصر به فردي دارند

اسلاید 18: فازهاي GCPبطور‌کلي فازهاي موجود در سوپرآلياژهاي پايه نيکل به دو دسته فازGCP و TCP تقسيم مي‌شوند. فازهاي GCP که از نوع فازهاي مفيد مي‌باشند شامل کاربيدهاي M6C ,M23C6 ,MC و فاز که فاز استحکام بخش زمينه است و معمولاً طي عمليات پيرسازي سوپرآلياژهاي پايه نيکل بوجود مي‌آيد، مي‌باشد و فازهاي TCP از نوع فازهاي مضر هستند که در ساختار برخي سوپرآلياژها ايجاد شده و اثرات نامطلوبي را برروي خواص مکانيکي مي‌گذارند. فازهاي TCP معمول در آلياژهاي نيکل σ.μ و Laves مي‌باشند

اسلاید 19: فازگاما پریمرسوب ترکيبات A3B با ساختار FCC با نام گاما پریم در سوپرآلياژها پديده‌اي بسيار مفيد مي‌باشد با فرمول شيميايي (Al,Ti)Ni3 ، فاز اصلي استحکام بخش در بسياري از سوپرآلياژهاي پايه نيکل بوده و شبکه کريستالي آن از نظر ابعادي اختلاف کمي (در حدود (5/0%-0)) با شبکه کريستالي فاز گاما دارد

اسلاید 20:

اسلاید 21: کاربيدها در سوپرآلياژها مي‌توانند اثرات مفيد يا مضري داشته باشند. اين اثرات به نوع، مورفولوژي و چگونگي توزيع کاربيدها بستگي دارد. در تحقيقات اوليه تصور براين بود که کاهش داکتيليته سوپرآلياژها ناشي از رسوب کاربيدها در مرزدانه ها مي‌باشد، به همين منظور براي جلوگيري از اين امر، راه حل منطقي کاهش کربن به مقدار بسيار کم پيشنهاد شد. هر چند در مطالعات بعدي مشخص شد که کاهش کربن تا مقادير زير 03/0% در آلياژهاي Nimonic 80A و Udimet 500 باعث کاهش شديد عمر خزشي و داکتيليته مي‌گردد، علت اين امر به از بين رفتن رسوبات مقاوم کننده مرزدانه‌اي نسبت داده مي‌شود. معمولاً کاربيدها هم در مرزدانه و هم در زمينه رسوب مي‌نمايند و در پلي کريستالها، کاربيدهايي که در مرزدانه تشکيل مي‌شوند مانع از حرکت مرزدانه ها شده و باعث استحکام بخشي آلياژ مي‌گردند. کاربيدها

اسلاید 22: انواع کاربیدهاالف- کاربيد MCب- کاربيد M23C6 ج- کاربيد M6Cد- کاربيد M7C3

اسلاید 23:

اسلاید 24: فازهاي TCPσμلاوه

اسلاید 25: خواص مکانيکي سوپرآلياژهاي پايه نيکل ريختگي خواص کششي :تشکيل محلول جامد‌- جاهاي خالي الکتروني- رسوبات گاما پرايم - عمليات حرارتي- اندازه دانه- فازهاي TCP - سختي

اسلاید 26: Decker, R., Strengthening Mechanisms in Nickel-Base Superalloys, International Nickel, 1970

اسلاید 27: AWS Welding Handbook

اسلاید 28: AWS Welding HandbookNote VariationPure Fe = 9.7pureSSpptdisp

اسلاید 29: Pure Nickel - Alloy 200 Food processing equipment Caustic handling equipment Chemical Shipping drums Electrical & electronic parts Susceptible to graphitization at grain boundaries at elevated temperatures. Alloy 201 Used for service above 600F because: Has low carbon which promotes increased resistance to graphitization at elevated temps

اسلاید 30: Solid SolutionNickel - Copper (400, R-405) Resistance to Sea Water, chlorination Naval Application, Chlorination Plants, Water meter parts, pump shafts, feed water heatersNickel-Chromium (600, 601, 690, 214, 230, G-30, RS-330) Corrosion Resistance at Elevated Temp Furnace muffles, heat treating equipment, nuclear steam tubing, heat exchangers, aircraft engine componentsNickel-Iron-Chromium (800, 800HT, 825, 20Cb3, N-155, 556) High Temp Strength, Resistance to Oxidation Heat exchangers, carborizing fixtures, pickling tank heaters, spent nuclear fuel element recovery, hydrofluoric acid production

اسلاید 31: Solid SolutionCobalt-Chromium-Nickel-Tungsten (L-605, 188, S-816, 54Co-26Cr) Sensitive to Copper contaminationNickel-Chromium-Molybdenum (C-22, C-276, G, S, X, 622, 625, 686) Corrosion resistance at room tempNickel-Molybdenum (B, B-2, N, W) Low temp corrosion resistance, some acids Cryogenic Service

اسلاید 32: Precipitation-Hardenable AlloysGamma Prime PrecipitateNickel-Copper Alloys (K-500) Resistant to Sea Water, Chlorine Pump shafts, impellers, oil well drill collars, electronic components, springsSensitive to strain age crackingNickel-Chromium (713C, X-750, U-500, R-41, Waspalloy) Al-Ti-Nb strengthening Good high temp oxidation Gas turbine componentsNickel-Iron-Chromium (901, X-750) Forging applications generally not welded

اسلاید 33: Relative Weldability of PPt AlloysAWS Welding Handbook

اسلاید 34: Thorium Dispersion Strengthened NickelTD Nickel High Temperature Strength Thermal Shock Resistance – Used for Turbine componentsCan have considerable loss of strength in weld, due to agglomeration or growth of thoria dispersoid.TD NiCr High Temperature StrengthOxidation and Sulfidation ResistanceFansteel Metals Division Bulletin,