روش های پردازش و اثرات بر خواص مواد

تا به حال فکر کرده‌اید که چگونه موتورهای جت در برابر گرمای سوزان و فشار خردکننده بدون از هم پاشیدن مقاومت می‌کنند؟ با  آشنا شویداینکونل 718—ابرآلیاژ نیکل-کروم-آهن استاندارد طلایی که در صنایع هوافضا، انرژی و حفاری زیردریایی مورد اعتماد است.

در حالی که ترکیب آن (50-55% Ni، 17-21% Cr، به علاوه Nb، Mo، Ti و Al) مقاومت در برابر خوردگی پایه را فراهم می‌کند، اینکونل 718 خام که مستقیماً از ریخته‌گری، آهنگری یا چاپ سه‌بعدی خارج می‌شود، نرم و با عملکرد پایین است. سلاح مخفی چیست؟ عملیات حرارتی دقیق. با دستکاری فازهای ریزساختاری آن از طریق چرخه‌های گرمایش و سرمایش کنترل‌شده، مهندسان این فلز کند را به یک نیروگاه با استحکام بالا تبدیل می‌کنند که قادر به کار در دمای 650 درجه سانتی‌گراد (1200 درجه فارنهایت) است.

برای تسلط بر پردازش حرارتی ابرآلیاژهای مبتنی بر نیکل، باید به فازهای متالورژیکی کلیدی در ساختار کریستالی نگاه کنیم:

• ماتریس گاما (γ):محلول جامد غنی از نیکل با ساختار مکعبی با وجوه مرکزدار (FCC) که عناصر آلیاژی را در خود نگه می‌دارد.همگن‌سازیعامل اصلی تقویت‌کننده (~80% از کل سختی). رسوبات نانومتری آن به شکل دیسک با ساختار مکعبی با مرکز بدنه (BCT) میدان‌های تنش شدید شبکه ایجاد می‌کنند که حرکت نابجایی‌ها را مسدود می‌کند.
• گاما پرایم (γ′ - Ni3(Al,Ti)):(زیر حلال) عرضه می‌شود، آماده برای شکل‌دهی/ماشین‌کاری و پیرسازی بعدی.روش‌های پردازش عملیات حرارتی اصلی+---------------------------------------------------------------------------------+ | مرور کلی گردش کار عملیات حرارتی | | | | 1. همگن‌سازی ---> 1080°C–1180°C (فاز شکننده لاوس را حل می‌کند) | | 2. بازپخت محلول ---> زیر حلال (950°C–980°C) یا فرا حلال (1020°C–1080°C)| | 3. پیرسازی دوگانه ---> 720°C (8h) -> خنک‌سازی کوره (50°C/h) -> 620°C (8h) | +---------------------------------------------------------------------------------+ همگن‌سازی در امتداد مرزهای دانه از رشد دانه جلوگیری می‌کند (
• پین کردن مرز دانهدر روش‌های پردازش عملیات حرارتی اصلی نیوبیوم را تخلیه کرده و استحکام را کاهش می‌دهد.همگن‌سازییک ترکیب بین‌فلزی شکننده و جدا شده 
• (Ni,Fe,Cr)2(Nb,Mo,Ti)پیرسازی دوگانه:روش‌های پردازش عملیات حرارتی اصلی+---------------------------------------------------------------------------------+ | مرور کلی گردش کار عملیات حرارتی | | | | 1. همگن‌سازی ---> 1080°C–1180°C (فاز شکننده لاوس را حل می‌کند) | | 2. بازپخت محلول ---> زیر حلال (950°C–980°C) یا فرا حلال (1020°C–1080°C)| | 3. پیرسازی دوگانه ---> 720°C (8h) -> خنک‌سازی کوره (50°C/h) -> 620°C (8h) | +---------------------------------------------------------------------------------+ همگن‌سازیهدف:پیرسازی دوگانه:پارامترها:در دمای 1080 تا 1180 درجه سانتی‌گراد (1976 تا 2156 درجه فارنهایت)پیرسازی دوگانه:بازپخت محلول: تنظیم اندازه دانه
• عملیات محلول، رسوبات درشت را حل می‌کند، تنش‌های پسماند را برطرف می‌کند و ساختار دانه پایه را تعیین می‌کند:بازپخت محلول زیر حلال (950 تا 1000 درجه سانتی‌گراد / 1740 تا 1832 درجه فارنهایت):فاز δ

یک عملیات محلول زیر حلال کنترل شده، ساختار دانه ریز (ASTM 8-10) تولید می‌کند که حداکثر استحکام کششی و مقاومت در برابر خستگی کم‌چرخه را به دست می‌دهد.

• فاز δ
• را به طور کامل حل می‌کند و اجازه می‌دهد دانه‌ها درشت شوند (ASTM 3-5).مرزهای دانه کمتر به طور قابل توجهی خزش در دمای بالا و عمر گسیختگی تحت تنش را افزایش می‌دهند.

برای مقاطع ضخیم در آب یا پلیمر کوئنچ می‌شود تا از رسوب‌دهی زودرس و کنترل نشده جلوگیری شود، یا برای اجزای نازک و پیچیده با هوا/گاز اجباری خنک می‌شود.

• سخت‌کاری رسوبی: چرخه پیرسازی دوگانه
  • برای فعال کردن اوج رسوب نانوذرات پیرسازی دوگانه: و 
  • γ′
• ، چرخه استاندارد پیرسازی دوگانه دو مرحله‌ای استفاده می‌شود:
  • مرحله 1:پیرسازی دوگانه:720 درجه سانتی‌گراد (1328 درجه فارنهایت)
  • ، به مدت 8 ساعتکنترل اتمسفر:
• مرحله 2:خنک‌سازی کوره با سرعت 

تا (زیر حلال) عرضه می‌شود، آماده برای شکل‌دهی/ماشین‌کاری و پیرسازی بعدی.AMS 5663:در  نگه داشته می‌شود تا رسوب ریز ثانویه در شکاف‌های ماتریس فعال شود.

• مرحله 3:خنک‌سازی نهایی با هوا تا دمای اتاق.تنش‌زدایی به مدت 3-4 ساعت انجام می‌شود. HIP حفره‌های داخلی را می‌بندد، فازهای لاوس جدا شده را حل می‌کند و ریزساختار را به حالت ایزوتروپیک بازبلور می‌کند.عملیات پس از HIP: به مدت 1 تا 2 ساعت قبل از پیرسازی نگه داشته می‌شود تا تنش‌های پسماند ناشی از شکل‌دهی سرد سنگین، ماشین‌کاری یا جوشکاری را کاهش دهد و از اعوجاج و ترک‌خوردگی پس از عملیات جلوگیری کند.
• عملیات حرارتی برای تولید افزودنی (چاپ سه‌بعدی)اینکونل 718 چاپ سه‌بعدی شده با روش فیوژن بستر پودر لیزری (LPBF) دارای دانه‌های ستونی ریز، تنش پسماند بالا و تخلخل ریز است.پرس ایزواستاتیک داغ (HIP):در دمای 1120 تا 1160 درجه سانتی‌گراد تحت فشار 100-150 مگاپاسکال آرگون به مدت 3-4 ساعت انجام می‌شود. HIP حفره‌های داخلی را می‌بندد، فازهای لاوس جدا شده را حل می‌کند و ریزساختار را به حالت ایزوتروپیک بازبلور می‌کند.عملیات پس از HIP:با بازپخت محلول استاندارد و پیرسازی دوگانه برای بازیابی خواص کششی و خستگی کامل دنبال می‌شود.
• اثرات خواص مواد: قبل و بعد از عملیات حرارتی+-------------------------------------------------------------------------------+ | جدول مقایسه خواص مکانیکی | | | | وضعیت استحکام تسلیم استحکام کششی ازدیاد طول سختی| | (0.2% آفست) (نهایی) (%) (HRC) | | ----------------------------------------------------------------------------- | | ریخته‌گری شده / چاپ شده 450 – 600 MPa 800 – 950 MPa 20 – 30% 18 – 25 | | بازپخت شده (980°C) 400 – 550 MPa 850 – 1000 MPa 35 – 50% 20 – 25 | | زیر حلال بازپخت شده + پیر شده 1100–1250 MPa 1350–1500 MPa 15 – 22% 42 – 47 | | فرا حلال بازپخت شده + پیر شده 950 – 1100 MPa 1200–1350 MPa 12 – 18% 38 – 43 | | پیر شده مستقیم (آهنگری شده) 1250–1450 MPa 1450–1600 MPa 12 – 18% 44 – 48 | +-------------------------------------------------------------------------------+

رسوب نانو دیسک‌های منسجم γ′′ استحکام تسلیم را تا 

افزایش می‌دهد، به راحتی از حدود 450 مگاپاسکال در حالت بازپخت شده به 

• بیش از 1200 مگاپاسکال می‌رسد، با استحکام کششی نهایی که از 1400 مگاپاسکال فراتر می‌رود.
• سختی:از 

 نرم تا 

• 42-47 HRC افزایش می‌یابد که مقاومت در برابر سایش را فراهم می‌کند.(زیر حلال) عرضه می‌شود، آماده برای شکل‌دهی/ماشین‌کاری و پیرسازی بعدی.ازدیاد طول در محدوده متعادل 15-22% بدون تردی برودتی قرار می‌گیرد.خزش و گسیختگی تحت تنش:مواد با دانه ریز (زیر حلال) در خستگی عالی هستند، در حالی که مواد با دانه درشت (فرا حلال) عمر گسیختگی تحت تنش 650 درجه سانتی‌گراد را بیش از 200 ساعت افزایش می‌دهند.مقاومت در برابر خوردگی:مقاومت برتر در برابر اکسیداسیون، حفره‌زایی و ترک‌خوردگی تنش-خوردگی کلریدی را تا 700 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کند.بهترین شیوه‌های صنعتی و کنترل کیفیتکنترل اتمسفر:
• همیشه از کوره‌های خلاء (کمتر از 10-4 میلی‌بار) یا آرگون خنثی با خلوص بالا استفاده کنید. گرمایش در هوای آزاد باعث اکسیداسیون سطح و تخلیه تیتانیوم/آلومینیوم می‌شود.جلوگیری از پیرسازی بیش از حد:
• گرمایش بیش از حد در طول پیرسازی (بیشتر از 750 درجه سانتی‌گراد) باعث درشت شدن γ′′
• و تبدیل آن به فاز تعادلی δ
• می‌شود که منجر به کاهش استحکام دائمی می‌شود.تأیید:

• نتیجه‌گیریعملیات حرارتی پل بین شیمی خام و عملکرد درجه هوافضا برای اینکونل 718 است. با تنظیم ترکیب همگن‌سازی، بازپخت محلول (زیر حلال در مقابل فرا حلال) و پیرسازی رسوبی دوگانه، مهندسان می‌توانند تعادل مناسب استحکام کششی، استقامت خستگی و مقاومت در برابر خزش در دمای بالا را برای چالش‌برانگیزترین کاربردهای جهان تنظیم کنند.سوالات متداولسوال 1: آیا می‌توان اینکونل 718 را پس از پیرسازی کامل جوشکاری کرد؟به طور کلی توصیه نمی‌شود. جوشکاری اینکونل 718 پیر شده کامل خطر ترک‌خوردگی پیرسازی تنشی و ریزترک‌خوردگی منطقه متأثر از حرارت (HAZ) را به همراه دارد. بهترین روش این است که قطعات در وضعیت بازپخت شده محلول جوشکاری شوند، و سپس با تنش‌زدایی/بازپخت محلول پس از جوشکاری و یک چرخه پیرسازی دوگانه نهایی دنبال شود.سوال 2: حداکثر دمای سرویس مداوم برای اینکونل 718 چقدر است؟
• حد بالای سرویس باربردار مداوم 650 درجه سانتی‌گراد (1200 درجه فارنهایت) است. بالاتر از این دما، رسوبات اصلی تقویت‌کننده γ′′(زیر حلال) عرضه می‌شود، آماده برای شکل‌دهی/ماشین‌کاری و پیرسازی بعدی.δپیرسازی دوگانه:اینکونل 625
• یا اینکونل 738 ترجیح داده می‌شوند.سوال 3: چرا پیرسازی در دو مرحله (720 درجه سانتی‌گراد + 620 درجه سانتی‌گراد) انجام می‌شود؟

توزیع رسوب دووجهی

و γ′ را هسته‌زایی می‌کند، در حالی که نگهداری در دمای 620 درجه سانتی‌گراد، رسوب ثانویه ریز را در شکاف‌های ماتریس فعال می‌کند و حداکثر پین کردن نابجایی و استحکام تسلیم را به دست می‌آورد.

روش استاندارد صنعتی ماشین‌کاری دو مرحله‌ای است:(زیر حلال) عرضه می‌شود، آماده برای شکل‌دهی/ماشین‌کاری و پیرسازی بعدی.در وضعیت بازپخت نرم (~20-25 HRC) برای حذف سریع مواد حجیم انجام می‌شود.پیرسازی دوگانه:قطعه را تا 42-47 HRC سخت می‌کند.ماشین‌کاری نهایی/سنگ‌زنی:با استفاده از تنظیمات صلب و ابزار سرامیکی یا CBN برای رسیدن به ابعاد نهایی بدون خطر اعوجاج حرارتی تکمیل می‌شود.

AMS 5662:در وضعیت بازپخت شده محلول(زیر حلال) عرضه می‌شود، آماده برای شکل‌دهی/ماشین‌کاری و پیرسازی بعدی.AMS 5663:در وضعیت کاملاً پیر شده

AMS 5664:موضوع بازپخت فرا حلال + پیرسازی دوگانه

1. قرار می‌گیرد و دانه‌های درشت‌تری را برای عمر خزش و گسیختگی تحت تنش در دمای بالا تولید می‌کند.