فرایند انجماد جهتدار یکی از فرایندهاي کنترل شدهي انجماد مذابهاي فلزي است که در آن به منظور ایجاد ساختار دانهاي ستونی، جبهه انجماد از یک سمت قطعه به طرف مقابل آن حرکت داده میشود. در یکی از تکنیک هاي این فناوري که تحت عنوان روش بریجمن شناخته شده است، خروج حرارت از قالب به صورت هدایت از سطح یک مبرد آبگرد و پوسته قالب همراه با انتقال حرارت تشعشعی از جداره خارجی قالب به محفظه خلأ انجام میگیرد .[۱] تحت این شرایط شیب حرارتی زیادي در مذاب در حال انجماد فراهم میشود. براي بدست آوردن

ریزساختاري یکنواخت و مطلوب و نیز ایجاد انجماد پیوسته، لازم است میدان دمایی و شیب حرارتی در حجم قطعه به خوبی کنترل شود .[۲] شیب حرارتی و سرعت رشد دو عامل اصلی و مؤثر در تشکیل مورفولوژي و ابعاد ریزساختار جهتدار بوده و عیوب کریستالی و خواص مکانیکی قطعه را تعیین مینماید .[۳-۴]

در دهههاي اخیر انجماد جهتدار به طور گسترده براي تولید مواد کاربردي و مهندسی از جمله پرههاي توربین گازي مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از دستاوردهاي مهم و برجسته این روش تولید پرههاي توربین بوده که پیشرفتی شگرف در طراحی آلیاژهاي دماي بالا بوجود آورده است. یکی از دغدغههاي اصلی طراحی و ساخت توربینهاي گازي صنعتی جدید و با راندمان بالا،

۱۶۴

تولید نازلها و پرههاي توربین از جنس سوپرآلیاژهاي نیکلبنیان با ساختار دانهاي جهتدار است. پرههاي توربین گازي در راستاي محور اصلی خود تنشهاي بالایی را در دماهاي بالا تحمل میکنند.

از آنجا که مرزدانه در دماي بالا نسبت به درون دانه ضعیفتر است، لذا با قرار گیري دانهها به طور موازي در راستاي محور اصلی قطعه، از اثرات مخرب تنش گریز از مرکز بر خواص قطعه کاسته میگردد .[۵]

از زمان ارائه فناوري ذوب القائی تحت خلأ در اوایل سالهاي

۱۹۵۰ میلادي تاکنون فعالیتهاي گستردهاي در زمینه تولید سوپرآلیاژها انجام شده و آلیاژهاي مختلفی توسعه یافتهاند.

سوپرآلیاژهاي نیکلبنیان به دلیل داشتن عناصر آلیاژي فعال ضرورًتا تحت شراط خلأ تولید میشوند. در فرایندهاي ذوب تحت خلأ برخلاف فرایندهاي ذوب در هوا، مقدار اکسیژن و نیتروژن مذاب به مقدار قابل توجهی کاهش یافته و میزان اکسیدها، نیتریدها و عناصر با فشار بخار بالا (سرب و بیسموت) در آلیاژ کاهش مییابد. مجموع این عوامل باعث بهبود خواص خستگی و خزشی سوپرآلیاژهاي تولید شده در خلأ میشوند .[۵]

فناوري انجماد جهتدار پرههاي توربین از جنس سوپرآلیاژها به روش ذوب القائی تحت خلأ در سالهاي گذشته توسعه زیادي پیدا کرده، لیکن عمده کارهاي قبلی براي تولید پرههاي کوچک جهتدار مورد استفاده در موتورهاي جت متمرکز بوده است.

انجماد جهتدار پرههاي بزرگ نیروگاهی مشکلات زیادي داشته و همچنان موضوع تحقیقات گسترده متخصصین دانشگاهی و صنعتی است .[۶-۷] در مقاله حاضر یک سیستم آزمایشگاهی انجماد جهتدار براي ساخت سوپرآلیاژهاي جهتدار مورد استفاده در ساخت پرههاي نیروگاهی ارائه شده است.

مشخصات اجزاي سیستم

شماي کلی سیستم انجماد جهتدار در شکل -۱الف نشان داده شده است. این سیستم از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

-۱ منبع تغذیه القایی فرکانس بالا که شامل سلول رکتیفایر ولتاژ بالا، سلول فرکانس رادیویی، سلول تجهیزات گردش آب، سلول ترانس ولتاژ بالا و مجموعه تانک آب میباشد. عمل خنک کردن مدارات و کویل القایی توسط دستگاه انجام میشود. کویل القایی

مورد استفاده جهت اتصال به منبع تغذیه به صورت استوانهاي با قطر داخلی حدود ۹۰ میلیمتر است.
-۲ محفظه خلأ سیستم که از دو قسمت فوقانی از جنس لوله کوارتز شفاف و قسمت تحتانی از جنس فولاد زنگ نزن تشکیل شده و شامل سیستم حرکت دهنده قالب نیز میباشد. بخش گرم کوره در قسمت لوله کوارتز است که شامل کویل القایی، ساسپتور گرافیتی و محافظ سرامیکی است (شکل -۱ب). قالب سرامیکی حاوي شمش آلیاژ بر روي مبرد آبگرد قرار گرفته و مجموعه به سیستم حرکت دهنده قالب متصل میگردد. سیستم خلأ شامل یک پمپ روتوري با خلأ نهایی ۶×۱۰-۲Pa و یک پمپ مولکولی با خلأ نهایی حدود ۶×۱۰-۶Pa میباشد. براي اندازهگیري میزان خلأ از یک سنسور ترکیبی پیرانی- یونی استفاده شده است.

-۳ سیستم حرکت دهنده قالب که از نوع پیچ ساچمهاي با سرووموتور و کنترولر مکانی به همراه سیستم کنترلی PLC زیمنس و مانیتورینگ HMI میباشد. یک شفت فولادي زنگ نزن ارتباط پیچ ساچمهاي با مبرد آبگرد را برقرار میسازد. اعمال سرعتهاي مختلف حرکت قالب به سمت پایین و بالا از طریق نرمافزار مربوطه انجام میگیرد. سرعت کشش قالب در محدوده ۱ تا ۶۰۰

میلیمتر بر دقیقه در فاصله حرکتی حدود ۴۰۰ میلیمتر به دو صورت دستی و اتوماتیک قابل تنظیم است.

(الف) (ب)

شکل -۱ شماي کلی سیستم انجماد جهتدار به روش بریجمن

مراحل انجماد جهتدار

در ابتدا قالب سرامیکی روي مبرد قرار داده شده و شارژ مورد نظر داخل آن قرار میگیرد. سپس لوله کوارتز در محل خود تعبیه گشته و موقعیت اولیه قالب تنظیم میشود. سپس سیستم خلأ

۱۶۵

روشن شده تا فشار محفظه خلأ به میزان مورد نظر برسد. جریان در شکل ۳ تصویر ماکرواچ نمونه ریختهگري شده در شرایط
آب مبرد آبگرد فعال شده و منبع تغذیه روشن میشود. با توجه به خلأ نشان داده شده است. در این تصویر دانههاي کشیده شده در
برنامه ذوب، با افزایش توان منبع تغذیه، دماي شارژ که توسط راستاي محور طولی میله (راستاي انتقال حرارت) به خوبی مشهود
پیرومتر تشعشعی خوانده میشود، به دماي مناسب رسانده شده و است. همچنانکه دیده میشود با دور شدن از سطح مبرد، عرض
به منظور یکنواخت شدن دماي شارژ، در آن دما براي زمان معلوم دانهها قدري افزایش یافته و دانهها درشتتر شدهاند. این امر نشان
نگه داشته میشود. پس از گذشت زمان اولیه قالب حاوي مذاب با دهنده پدیده رشد رقابتی در ساختارهاي جهتدار است .[۸]
سرعت مورد نظر به طور پیوسته توسط سیستم حرکت دهنده قالب
به پایین کشیده میشود. با خارج شدن قالب از بخش گرم کوره،
توان قطع شده و سیستم خلأ خاموش میگردد. پس از سرد شدن
کامل سیستم محفظه باز شده و با شکستن قالب، شمش انجماد
جهتدار یافته از درون قالب خارج میگردد. در شکل ۲ نمونهاي
از سیکل دما- فشار بر حسب زمان ارائه شده است.

شکل -۲ تغییرات درجه حرارت نمونه و فشار سیستم در طول زمان.

مواد و روشها

آلیاژ مورد استفاده، سوپرآلیاژ نیکلبنیان IN792 است که ترکیب شیمیایی آن در جدول ۱ ارائه شده است. آلیاژ IN792 در دو محیط اتمسفري و خلأ تحت شرایط یکسان ریختهگري شد.

بدین منظور از قالب سرامیکی با قطر داخلی ۱۵ میلیمتر و ارتفاع

۱۵۰ میلیمتر استفاده شد. سرعت حرکت قالب در حدود ۱۰

میلیمتر بر دقیقه در نظر گرفته شد.

جدول -۱ ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژ IN792 (درصد وزنی).

Al W Mo Co Cr
3/4 4/0 1/8 8/8 12/5
C Zr B Ta Ti
0/08 0/017 0/014 3/9 3/9

بعد از انجام آزمون، نمونههاي حاصل در دو مقطع طولی و عرضی برش خورده و به صورت ماکرو و میکرو متالوگرافی شدند.

یافتهها

۱۶۶