سوپرآلیاژهای ریخته چند بلوری(PC) (کلیات)
سوپر آلیاژهای پایه نیکل ریختهPC کاربرد کمی در صنعت توربین های گازی دارند. سوپرآلیاژهای پایه کبالت ریختهPC در بعضی موارد کاربرد دارند.قدیمی ترین سوپرآلیاژهای بکار گرفته شده آلیاژهای پایه کبالت ریخته هستند. سوپرآلیاژهای پایه کبالت دارای زمینه کبالت-کرم با افزودن نیکل (برای پایدار سازی زمینه γ)، کربن (برای تشکیل کاربید) و عناصر دیگر نظیر W، MO، Ta یا Nb هستند. معمولاً سوپرآلیاژهای پایه کبالت به استثناء چند مورد در مجاورت هوا ذوب و ریخته می شوند. آستحکام سوپرآلیاژهای پایه کبالت ناشی از کاربیدهای مرزدانه ای و داخل دانه ای و نیز استحکام دهی محلول جامد عناصر آلیاژی دیگر است. اکثر آلیاژهای پایه کبالت ریخته، به استثناء موارد قلیل عملیات حرارتی تنش زدایی، عملیات حرارتی نمی شوند. سوپرآلیاژهای پایه کبالت در حین کار پیرسخت شده( با کاهش داکتیلیتی) و در نتیجه واکنش کاربیدها محکم تر می شوند.

IN) در پره های هوای توربین کم فشار استفاده شدند، زیرا استحکام های بالاتر خزش-گسیختگی در موتورهای پیشرفته مورد نیاز بود.
برای خواص مکانیکی سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریخته PC اطلاعات کمی وجود دارد. کارهای گسترده ای روی ۷۳۸-IN انجام شده است. داده های موجود درباره آلیاژهای دیگر ناچیز است. آلیاژ۱۰۰-IN یکی از آلیاژهای ریخته چند بلوری است که بیشترین مطالعات روی آن انجام شده است و مطالعات مهندسی روی این آلیاژ و ۲۴۷-M-MAR و نیز آلیاژهای دیگر ادامه دارد. ۹۳۹-IN یک سوپر آلیاژ پایه نیکل استحکام پایین ول مقاومت خوردگی داغ بالا است که می تواند در توربین های گاز صنعتی دریایی مورد استفاده قرار گیرد. شکل ۱۲-۵۲ استحکام گسیختگی تعدادی از سوپرآلیاژهای پایه نیکل در ۱۰۰ ساعت را نشان می دهد.

۳)سوپرآلیاژهای ریخته چند بلوری (اثرات داکتیلیتی)
داکتیلیتی کششی سوپرآلیاژها در دمای c°۶۹۴ تا c°۸۷۱ افت پیدا می کند. داکتیلیتی تنش-گسیختگی تعدادی از سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریخته PC نیز در دمایc°۷۶۰ افت مشابهی نشان می دهد. آزمایش تنش-گسیختگی در این دما به منظور فراهم ساختن شرایط تنش/ دما حاکم بر ناحیه اتصال تیغه های توربین به دیسک صورت می گیرد. عموماً داکتیلیته آلیاژهای ریخته PC قبلی رضایت بخش بودند، ولی در آلیاژهای ریخته چند بلوری استحکام بالا، داکتیلیتی در دمای C°۷۶۰ پایین تر از آلیاژهای قبلی است. یکی از اولین آلیاژهایی که این مسئله در مورد آن دیده شد ۱۹۰۰- B و سپس ۲۰۰-M-MAR ریخته چند بلوری بود. داکتیلیتی آلیاژهای دوم به قدری پایین بود که استفاده از آن تا زمان ابداع فرآیند ODS و در پی آن کسب خواص استحکام خزش-گسیختگی عالی میسر نشد.

پس از معرفی ۱۹۰۰-B ازدیاد طول گسیختگی نمونه ها به هنگام آزمایش در دمای c°۷۶۰ در حدود ۱٫۵ درصد در لحظه گسست گزارش شد. بسته به نیاز سازنده و کاربرد، طراحان پره توربین درصد ازدیاد طول خزش مجاز را با نوساناتی در نظر می گیرند. معیار طراحی در سالهای اولیه پذیرش سوپرآلیاژهای ریخته چند بلوریPC استحکام بالا %۱ خزش بود و تنش بوجود آورنده %۱ خزش در مدت زمان معین استاندارد شده بود.

تغییراتی برای افزایش ازدیاد طول در دمای c°۷۶۰ پیشنهاد شد. یکی از این تغییرات اصلاح عملیات ریخته گری است. ولی پیشنهاد افزودن Hf به سوپرآلیاژهای پایه نیکل و بهبود داکتیلیتی با استفاده از روش ریخته گری عادی پیشتر پذیرفته شد. داکتیلیتی به حد کافی بهبود داده شد، طوری که امکان در نظر گرفتن معیار حداکثر%۱ ازدیاد طول را به طراحان بدهد. پس از ۱۹۶۰ در تعدادی از سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریخته PC استحکام بالای جدید توسعه داده شد، از Hf برای افزایش ازدیاد طول در دمای C°۷۶۰ استفاده شده است.

 

خواص عرضی آلیاژهای ریخته CGDS (برای مثال ۲۰۰-M-MAR) مانند خواص سوپرآلیاژهای پایه نیکل PC بودند. در نتیجه به سرعت مشخص شد که داکتیلیتی بهبود یافته (در جهت عرض آزمایش) برای آلیاژهای ریخته CGDS و نیز آلیاژهای ریخته PC مورد نیاز بود. Hf (در درصد های بالا) در بهبود داکتیلیتی این آلیاژها به نحو رضایت بخشی عمل کرد. هم اکنون همه سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریخته استحکام بالا دارای مرزدانه (CGDS و PC) از Hf برای تضمین ازدیاد طول تنش-گسیختگی دما پایین تر C°۷۶۰ استفاده می کنند.

۴)سوپرآلیاژهای ریخته چند بلوری (حفره و HIP)
در سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریخته PC دیده شده است که وجود حفره حتی در حجم حدود %۱ می تواند باعث کاهش عمر گسیختگی و داکتیلیتی آن شود. فناوری پرس گرم ایزواستاتیکی در سوپرآلیاژهای پایه نیکل در تولید سوپرآلیاژهای کار شده P/M و آلیاژهایی مانند ۱۹۰۰-B و ۲۴۷-M-MAR بکار گرفته می شود. با بکارگیری این روش حذف حفره در پره های ریخته میسر می شود، ولی اثرات فرآیند بر بهبود خواص متغیر است. یکی از مزایای HIP محدود کردن پراکندگی داده های بعضی از خواص است.

منحنی پارامتر لارسن-میلر، تنش-گسیختگی در شکل ۱۲-۵۳ محدود شدن نوار پراکندگی در آلیاژ ۷۳۸- IN چند بلوری را به هنگام استفاده از فرآیند HIP نشان می دهد. کاهش پراکندگی بدون تغییر در مقادیر خواص قابل توجه است. این رفتار به هنگام طراحی کمک می کند که حداقل خواص طراحی بالاتری در دست باشد. طراحی بر پایه حداقل خواص و همچنین بهبود خواص خستگی می تواند نتیجه HIP باشد.

در حالی که حداقل عمر خستگی بوسیله HIP بهبود پیدا می کند، ولی همیشه عمر گسیختگی بهبود نمی یابد. HIP یک نوع عملیات حرارتی بوده و َγ اولیه آلیاژ را حل نموده یا تغییر می دهد. به همین خاطر یک تابکاری انحلالی و به دنبال آن پیر سختی برای بهبود خواص مورد نیاز است. اگر تابکاری انحلالی بعد از HIP در دمای بالاتر از دمای HIP انجام نشود ساختار َγ بدست آمده ممکن است برای ایجاد خواص مکانیکی بهینه کافی نباشد.

گفته شده است که داکتیلیتی گسیختگی نیز با HIP بهبود پیدا می کند، اما تجربه نشان می دهد که آلیاژهای دارای داکتیلیتی گسیختگی کافی، قبل از HIP بهبود بسیار کم یا ضعیف با HIP از خود نشان می دهند. آلیاژهای اصلی مانند ۸۰ Rene که به نظر می رسد برای مک ریخته گری مستعدتر هستند، عمدتاً HIP می شوند، اما عموماً آلیاژهای دیگر با مک کم مانند ۲۴۷-M-MAR HIP نمی شوند.

یک مطالعه روی اثرات HIP ( و نیز پوشش) بر ۲۴۷-M-MAR و هفت آلیاژ مشابه آن در مورد خواص کششی و خزش-گسیختگی نتایج متغیری را نشان می دهد. جدول ۱۲-۲۱ تصویری آماری از اثرات فرآیند HIP و پوشش را نشان می دهد. ذکر این نکته جالب است که توسط HIP خواص کششی افزایش یافته و از عمر گسیختگی کاسته شده است. این نتیجه با نتایج قبلی بدست آمده برای ۱۹۰۰-B و ۲۴۷-M-MAR مطابقت دارد. فرآیند HIP سوپرآلیاژها عمر خستگی را بیشتر از عمر تنش-گسیختگی بهبود می بخشد. شکل ۱۲-۵۴ اثرات سودمند HIP روی مقاومت خوردگی داغ آلیاژ ۸۰Rene را نشان می دهد. اگر چه هیچ مطالعه آماری در دست نیست اما عموماً چنین در نظر گرفته می شود که HIP بر مقاومت خوردگی داغ و عمر خستگی در سیکل های کم مفید است.

۵- سوپر آلیاژهای پایه نیکل ریخته SCDS و CGDS
سوپرآلیاژهای پایه کبالت و پایه آهن- نیکل با فرآیند ریخته گری DS تولید نمی شوند و همه سوپرآلیاژهای ریخته SCDS و CGDS پایه نیکل هستند. لذا چنانچه در ادامه بحث آلیاژهای SCDS و CGDS نام برده نشود آلیاژهای پایه نیکل در نظر می باشد.

اساس این آلیاژهای DS بر حذف مرزدانه ها است. فرآیند به نحو قابل توجهی موثر است، به ویژه در آلیاژهایی که استحکام دانه خوبی دارند، ولی داکتیلیتی مرزدانه های آن ضعیف است. انواع ریخته های PC این آلیاژها در آزمایش های خزش-گسیختگی با درصد ازدیاد طول کم به صورت بین دانه ای شکسته می شوند.فرآیند DS سوپرآلیاژها توسط شرکت جنرال الکتریک نشان داده شد، ولی استفاده تجاری از آن توسط شرکت Pratt & Withney صورت گرفت. اولین کاربرد فرآیند DS تولید (CGDS)200-M-MAR است.

یک بلور مستقل یک دانه شمرده می شود. ساختار ریخته PC شامل آرایش اتفاقی تعدادی از دانه های هم محور است که هر کدام از آنها یک تک بلور هستند. فرآیند CGDS یک آرایش چندین دانه ایجاد می کند که هر کدام از دانه ها در امتداد محورهای انجام کشیده شده اند. در تک بلورها کل قطعه از یک دانه تشکیل شده است. برای اطلاعات بیشتر درباره فرآیند DS به فصل ۵ مراجعه کنید.

همانطور که در فصل ۳ گفته شد، ساختمان بلوری فازγ مکعبی با سطوح مرکزدار(FCC) است. در این مکعب می توان جهت هایی به عنوان جهت مرجح بین قطعه و بلور، تنش و بلور تعریف کرد. در گوشه یک مکعب می توان سه جهت را مشخص کرد. این جهت ها عبارتند از یال مکعب، قطر سوراخ جانبی، قطر مکعب و اغلب با اندیس جهات <100>، <110>،<111> نشان داده می شوند.جهت<100> یک جهت مرجح رشد طبیعی و جهت دانه ها در آلیاژ CGDS است. آلیاژ SCDS یک جهت<001> در امتداد محورهای قطعه

هستند، اگر چه با روشهای ویژه می توان جهت بلوری دیگری در امتداد محور قطعه بوجود آورد. عموماً قطعات پره های هوا از نوع SCDS هستند و جهت آزمایش طولی در نمونه آزمایشی رشد یافته یا در نمونه ماشین کاری شده از پره در امتداد این جهت رشد طبیعی است. به خاطر نحوه قرار گیری دانه ها آلیاژ CGDS آزمایش شده در جهت طولی ( محور پره) عمر گسیختگی طولانی تری نسبت به نوع PC نشان می دهد. این مقدار برای آلیاژهای SCDS بیشتر است. بهبود عمر گسیختگی در نتیجه حذف مرزهای عرضی در جهت بارگذاری است.

بار اعمال شده هم از طریق دانه ها و هم از طریق مرزهای فرعی دانه ها عبور می کند. تغییر شکل دما بالا باعث شکست مرزدانه ها می شود. معمولاً آلیاژهای CGDS علیرغم نداشتن مرزهای طولی در نهایت در خزش-گسیختگیدر مرزهای اصلی ( یا عیوب داخلی) گسیخته می شوند. مرزهای فرعی نواقصی هستند که در رشد تک بلور بوجود می آیند. آلیاژهای SCDS نیز مرزهای فرعی دارند و در نهایت توسط ترک بوجود آمده و در میان این مرزها گسیخته می شوند.

شکل ۱۲-۵۵ منحنی های خزش ریخته های PC، SCDS و CGDS آلیاژ ۲۰۰-M-MAR را در c°۹۸۲ نشان می دهد. بهبود عمر خزش بسیار موثری با فرآیندهای CGDS و SCDS بر روی آلیاژ ریخته در PC امکان پذیر است. جدول ۱۲-۲۲ اطلاعات خواص بیشتری از سه نوع ریخته ارائه می دهد.

فرآیند CGDS ابتدا بر روی آلیاژ ۲۰۰-M-MAR و آلیاژهای دیگر استحکام بالا و Vfγ بالا که قبلاً به روشهای عادی تولید شده بودند، انجام گرفت. از این آلیاژها فقط تولید۲۰۰-M-MAR ادامه یافت و تولید آلیاژهای دیگر مانند ۱۰۰-IN و ۱۹۰۰-B به لحاظ تجاری مناسب تشخیص داده نشد. مشکلات آلیاژ ۲۰۰-M-MAR ترک خوردن مرزدانه ای قطعات ریخته و استحکام عرضی پایین در آزمایش خزش-گسیختگی بود. خواص این آلیاژ پس از افزودن Hf بهبود یافت و ترک خوردن قطعات CGDS در طی ریخته گری کاهش یافت. مقدار Hf (تقریباً ۲%) برای حذف

مشکل ترک خوردگی مرزدانه ای بر کیفیت قطعه ریخته اثر می گذارد و مقدار آن را طوری تعیین می کنند که بین کیفیت قطعه ریخته (ناخالصی ها و غیره)، ترک خوردگی قطعه و داکتیلیتی عرضی در خزش، حالت بهینه ای بوجود آید. با کاهش ضخامت دیواره پره قابلیت ریخته گری آلیاژیی مانند ۲۰۰-M-MAR، حتی با افزودن Hf برای ارتقاء داکتیلیتی و حذف ترکها در پره ها کاهش می یابد. آلیاژ LC247-CM به منظور حذف این مشکلات بوجود آمد.