بررسی اثر سرعت کشش بر ریزساختار سوپرآلیاژ پایه نیکل GTD-111 در فرآیند انجماد جهت‌دار

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 دانشجوی دکتری، مهندسی مواد و متالورژی، پژوهشگاه مواد و انرژی ، تهران، ایران

3 دانشیار، دانشکده علم و مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

10.22034/frj.2021.278477.1134

چکیده

در این تحقیق اثر سرعت کشش در فرآیند انجماد جهت‌دار بر ساختار سوپرآلیاژ پایه نیکل GTD-111 مورد ارزیابی قرار گرفت. به این منظور، ابتدا نمونه‌های جهت‌دار تحت سرعت‌های کشش mm/min 10 و1 در کوره بریجمن (مجهز به ناحیه خنک‌کننده گرافیتی) ریخته‌گری شد. سپس بررسی‌های ساختاری توسط میکروسکوپ نوری (OM) و الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) در مقاطع طولی و عرضی (نسبت به راستای انجماد) در پایین (محل شروع انجماد) و بالای (محل خاتمه انجماد) نمونه‌های انجماد جهت‌دار یافته صورت گرفت. نتایج نشان داد با افزایش سرعت کشش، اندازه منطقه پلی کریستال در پایین نمونه‌های جهت‌دار افزایش یافت. افزون بر این، با افزایش سرعت کشش از mm/min1R= به mm/min10R=، فواصل بازوهای دندریتی اولیه و ثانویه به ترتیب از μm 445 به μm252 و از μm 110 به μm60 کاهش یافت. اندازه رسوبات گاماپرایم نیز با افزایش سرعت کشش از mm/min1R= به mm/min10R= در بالای نمونه‌ها از μm468 به μm421 و در ناحیه پایین آن‌ها از μm711 به μm 604 کاهش یافت. همچنین با توجه به جهت خروج حرارت حین انجماد جهت‌دار در یک سرعت کشش ثابت، ناحیه پایین نمونه‌ تا لحظات پایانی انجماد در معرض حرارت خروجی از ناحیه بالای آن بوده که باعث افزایش اندازه گاماپرایم‌ ناحیه پایینی‌ (μm 711 در mm/min1R= و μm 604 در mm/min10R=) نسبت به بالای نمونه (μm 468 در mm/min1R= و μm 421 در mm/min10R=) شد. بهترین ریزساختار متعلق به بالای نمونه جهت‌دار با سرعت کشش بالاتر (mm/min10) است که دارای اندازه گاماپرایم کوچک با توزیع همگن و مورفولوژی منظم می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


‎[1]‎ Sajjadi S.A. , Zebarjad S.M. , Guthrie R.I.L. , ‎Isac, M., Microstructure evolution of high-‎‎performance Ni-base superalloy GTD-111 with ‎heat treatment parameters, Journal of ‎Materials ‎Processing Technology, 2006, 175, 376-‎‎381.‎
‎[2]‎ Szczotok A., Richter J., Cwajna J., ‎Stereological characterization of γ′ phase ‎precipitation in ‎CMSX-6 monocrystalline nickel-‎base superalloy, Materials Characterization, 2009, ‎‎60, 1114-‎‎1119.‎
‎[3]‎ Rahimian M., Milenkovic S., Sabirov I., ‎Microstructure and hardness evolution in MAR-‎M247 ‎Ni-based superalloy processed by controlled ‎cooling and double heat treatment, Journal of ‎Alloys ‎and Compounds, 2013, 550, 339-‎‎344.‎
‎[4]‎ Geddes B., Leon H., Huang X., Superalloys: ‎alloying and performance, ASM ‎International, ‎‎2010.‎
‎[5]‎ Zhang X., Zhou Y., Jin T., Sun X., Liu L., Effect ‎of solidification rate on grain structure ‎evolution ‎during directional solidification of a Ni-based ‎superalloy, Journal of Materials Science ‎& ‎Technology, 2013, 29, 879-883.‎
‎[6]‎ Flemings M.C., Solidification processing, Metallurgical Transactions, 1974, 5, 2121-2134.‎
‎[7]‎ Wang F. , Ma D. , Zhang J. , Liu L. , Hong J. , ‎Bogner S., Bührig-Polaczek A.,  Effect ‎of ‎solidification parameters on the microstructures of ‎superalloy CMSX-6 formed during the ‎downward ‎directional solidification process, Journal of ‎Crystal Growth, 2014, 389, 47-54.‎
‎[8]‎ Zhao X., Liu L., Yu Z., Zhang W., Zhang J., ‎Fu H., Influence of directional ‎solidification ‎variables on the microstructure and crystal ‎orientation of AM3 under high thermal ‎gradient, ‎Journal of Materials Science, 2010, 45, ‎‎6101-6107.‎
‎[9]‎  Xu C., Zhou L.Z., Guo J.T., Yang G.X., Effect ‎of withdrawal rate on microstructures ‎and ‎mechanical properties of directionally solidified ‎superalloy DZ445, The Chinese Journal ‎of ‎Nonferrous Metals, 2011, 21, 757.‎
‎[10] Dadkhah A., Kermanpur A., On the ‎precipitation hardening of the directionally ‎solidified ‎GTD-111 Ni-base superalloy: ‎Microstructures and mechanical properties, ‎Materials Science and ‎Engineering: A, 2017, 685, ‎‎79-86.‎
‎[11] Fallah P., Kebriyaei A., Varahram N., The ‎effect of precipitation hardening ‎on ‎microstructural characteristics of ‎directionally ‎solidified nickel-based superalloy GTD-111,‎ ‏Founding Research Journal, 2017, 1(2) 109-120.‎‏
‎[12] ‏Seifollahi M., Abbasi M., Tavakoli M., ‎Ghazi Mir Saeed, M., Effects of temperature ‎and ‎time of secondary solution heat treatment on γ' ‎phase distribution of GTD-111 ‎polycrystalline ‎superalloy, Metallurgical Engineering, 2019, 22, ‎‎42-51.‎
‎[13] ‎‏‏Schilke P.W., Foster A.D., Pepe J.L., Beltran ‎A.M., Advanced‎‏ ‏materials propel progress ‎in ‎land-based gas turbines, Advanced Materials & ‎Processes,  1992, 4, 22-30.‎
‎[14]‎ Gündüz M., Çadırl E., Directional ‎solidification of aluminium–copper alloys, ‎Materials ‎Science and Engineering: A, 2002, 327, 167-185. ‎
‎[15]‎ Spear R., Gardner G., Dendrite cell size, AFS ‎Transactions, 1963, 71, 209-215.‎
‎[16]‎ Schneider M.C., Gu J.P., Beckermann C., ‎Boettinger W.J., Kattner U.R., Modeling ‎of ‎micro-and macrosegregation and freckle ‎formation in single-crystal nickel-base ‎superalloy ‎directional solidification, Metallurgical and ‎Materials Transactions A, 1997, 28, ‎‎1517-‎‎1531.‎
‎[17]‎ Zhou Y., Sun X., Effect of solidification rate ‎on competitive grain growth in ‎directional ‎solidification of a nickel-base superalloy, Science ‎China Technological Sciences, 2012, 55, ‎‎1327-1334.‎
‎[18]‎ Walton D., Chalmers U.B., The origin of the ‎preferred orientation in the columnar zone ‎of ‎ingots, Transactions of the American Institute of ‎Mining, Metallurgical, and Petroleum ‎Engineers, ‎ 1959, 215, 447-457.‎
‎[19]‎ Zhou Y., Volek A., Green N., Mechanism of ‎competitive grain growth in ‎directional ‎solidification of a nickel-base superalloy, Acta ‎Materialia, 2008, 56, 2631-2637.‎
‎[20]‎ Milenkovic S., Rahimian M., Sabirov ‎I., Maestro L., Effect of solidification ‎parameters on ‎the secondary dendrite arm spacing ‎in MAR M-247 superalloy determined by a novel ‎approach, EUROSUPERALLOYS, 2nd European Symposium on Superalloys and their Applications, EDP ‎Sciences, 2014, 14, 13004.‎
‎[21]‎ Weiguo Z., Lin L., Taiwen H., Xinbao Z., et al, Influence of directional ‎solidification ‎variables on primary dendrite arm spacing of Ni-‎based superalloy DZ125, China Foundry, 2009, 6(4) 300-304.‎
‎[22]‎ Zhang Y., Huang B., Li J., Microstructural ‎evolution with a wide range of ‎solidification ‎cooling rates in a Ni-based superalloy, ‎Metallurgical and Materials Transactions A, 2013‎, ‎‎44, 164-1644.‎
‎[23]‎ Elliot A.J., Tin S., King W.T., Huang S.C., ‎Gigliotti M.F.X., and et al, Directional ‎solidification of ‎large superalloy castings with ‎radiation and liquid-metal cooling: A comparative ‎assessment, ‎Metallurgical and Materials ‎Transactions A, 2004, 35, 3221-3231.‎
‎[24]‎ Dadkhah A., Kermanpur A., On the ‎precipitation hardening of the directionally ‎solidified ‎GTD-111 Ni-base superalloy: ‎Microstructures and mechanical properties, ‎Materials Science and ‎Engineering: A, 2017, 685, 79-86.‎
‎[25]‎ Porter D.A., Easterling K.E., Phase ‎transformations in metals and alloys, 3d Ed., CRC ‎Press, ‎New York, 2009, 189-195.‎
‎[26]‎ Liu L.,  Huang T., Qu M., and ‎et al, High thermal gradient ‎directional ‎solidification and its application in the processing ‎of nickel-based superalloys, Journal of ‎Materials ‎Processing Technology, 2010, 210, 159-‎‎165.‎
‎[27]‎ Singh A.R.P., Nag S., Hwang J.Y., Viswanathan ‎G.B., Influence of cooling rate on the ‎development ‎of multiple generations of γ′ precipitates in a ‎commercial nickel base superalloy, ‎Materials ‎Characterization, 2011, 62, 878-886.‎
‎[28]‎ Masoumi F., Shahriari D., Jahazi M., Cormier J., ‎ Devaux A., Transient liquid phase ‎bonding of ‎aerospace single crystal Rene-N5 superalloy, ‎Scientific Reports, 2016, 6, 1-16.