اثر محیط عملیات حرارتی انحلالی بر ریزساختار و سختی سوپرآلیاژ پایه نیکل ‏‎ IN738LC

نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو دکتری، پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران.

2 دانشیار دانشکده مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران.

3 استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج، کرج، ایران.

10.22034/frj.2018.155851.1061

چکیده

در این پژوهش، اثر محیط عملیات انحلالی بر ریزساختار و سختی سوپرآلیاژ IN738LC مورد بررسی قرار گرفته است. عملیات انحلالی به دو صورت عادی در کوره معمولی و در حمام نمک انتخاب شد.  به­ همین ­منظور، عملیات انحلالی در بازه دمایی °C1200-1090 به­مدت 30 تا120 دقیقه برای نمونه‌ها در شرایط عادی و به مدت 10 تا 120 دقیقه برای نمونه‌های در حمام نمک انجام شد. سپس در °C850 به­مدت 24 ساعت پیرسازی شدند. نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) نشان داد که افزایش نرخ گرمایش روند انحلال را بهبود می‌بخشد و با افزایش دما و زمان، کسر حجمی رسوبات 'γ به­میزان 26 درصد در شرایط عادی و 29 درصد در حمام نمک کاهش یافت. اندازه رسوبات 'γ باقیمانده پس از انحلال در حمام نمک کوچک‌تر از حالت عادی است و در دماهای بالا به جهت فعال شدن مکانیزم‌های الحاق، اندازه و کسر حجمی رسوبات باقیمانده در حمام نمک نسبت به شرایط عادی افزایش یافت. انحلال در حمام نمک باعث کاهش اندازه 'γ اولیه نسبت به شرایط عادی و افزایش کسر حجمی 'γ ثانویه پس از پیرسازی شد. پس از پیرسازی، کسر حجمی کلی رسوبات حدود 30 درصد و 40 درصد به­ترتیب در شرایط عادی و حمام نمک افزایش یافت. نتایج نشان داد نانو رسوبات 'γ ثانویه درحدود nm 16 کوچک‌تر از حالت معمول هستند و سختی آلیاژ شدیدا تحت تاثیر مشخصه‌های رسوبات 'γ و متغیرهای عملیات انحلال است. افزایش نرخ گرمایش در انحلال منجر به افزایش بیشتر سختی پس از پیرسازی و کاهش بیشتر سختی پس از انحلال شد و در هر دو شرایط، افزایش دما و زمان انحلال، سختی نمونه­ها را پس از انحلال کاهش و بعد از پیرسازی افزایش داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Solution Heat Treatment Media on Microstructure and Hardness of Ni-Base Superalloy IN738LC

نویسندگان [English]

  • Yazdan Shajari 1
  • Seyed Hosein Razavi 2
  • Zahra-Sadat Seyedraoufi 3
1 PhD Candidate, Materials and Energy Research Center, Karaj, 14155-4777, Iran.
2 School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehrān, Iran
3 Assistant Professor, Department of Materials Engineering Karaj Branch, Islamic Azad University Karaj, Iran.
چکیده [English]

In this paper, effect of solution heat treatment media of IN738LC superalloy on the microstructure and hardness was investigated. Two solution heat treatment medias were selected, solubilizing in the normal or conventional furnace, and solubilizing in the salt base. For this purpose, the samples were solubilized in a temperature range of 1090-1200°C for 20-30 minutes in normal condition and 10-12 minutes in the salt bath, and then aged at 248°C in 850°C. The results of the scanning electron microscope (SEM) and field emission scanning electron microscope (FESEM) showed that increasing the heating rate improves the solution process, and with increasing the temperature and time, the volume fraction of 'γ precipitates decreased by 26% in normal condition and 29% in salt bath. The size of the residual 'γ precipitates after solution in the salt bath is smaller than normal state, and at high temperatures, due to the activation of the aggregation mechanisms, the size and volume fraction of residual precipitates in the salt bath increased compared to the normal condition. Solution in the salt bath reduced the size of the primary'γ compared to the normal condition and increased the volume fraction of the secondary 'γ after the aging. After aging, the total volume fraction of precipitates increased by about 30% and 40%, respectively, in the normal condition and in salt bath. The results showed that the secondary 'γ precipitates are about 16nm smaller than usual and the hardness of the alloy is strongly influenced by the characteristics of 'γ precipitates and the variables of the solution treatment. Increasing the heating rate at the solution resulted in a further increase in hardness after aging and a further reduction in hardness after solution, and in both conditions increasing temperature and time of solution reduced the hardness of the samples after solution and increased after aging.

کلیدواژه‌ها [English]

  • IN738LC superalloy
  • Solution
  • Salt Bath
  • Heating rate
  • Gama prime Precipitates

[1] گزاری اسکویی م.، توربین‌های گازی، وزارت نیرو، موسسه آموزش عالی علمی -  کاربردی صنعت آب و برق، 1380.

[2] Boyce M. B., An Overview of Gas Turbines, Gas Turbine Engineering Handbook (Fourth Edition), Elsevier BV, 2012.

[3] Wangyaol. P., Krongtong. V., Tuengsook. P., Hormkrajai. W., Panich. N., The relationship between reheat-treatment and hardness behaviour of cast nickel superalloy, GTD-111, Materials and Minerals, 2006, (16) 55-62.

[4] Strunz P., Petrenec M., Gasser U., Tobias J., Polak J., Saroun J., Precipitate microstructure evolution in exposed IN738LC superalloy, Journal of Alloys and Compounds, 2014, (589) 462-471.

[5]  شجری، ی. و رضوی، س. ح.، تاثیر دما و زمان انحلال بر کسر حجمی و اندازه نانورسوبات g¢ در یک سوپرآلیاژ پایه نیکل، پنجمین کنفرانس بین‌المللی مهندسی مواد و متالورژی، آبان ماه 1395.

[6] Lvova E., A comparison of aging kinetics of new and rejuvenated conventionally cast GTD-111 gas turbine blades, Journal of Materials Engineering and Performance, 2007, 16(2) 254-264.

[7] صدیقی م.، میردامادی ش. ا.، رضوی س. ح.، فرخی آلاشتی ح.، بررسی اثر تنش پسماند حرارتی بر میزان انحلال رسوبات 'γدر سوپرآلیاژ پایه نیکلIN738LC، ششمین کنگره سالانه انجمن مهندسین متالورژی ایران، 1381.

]8[اصفهانی م. م.، میردامادی ش. ا.، رضوی س. ح.، مقایسه تاثیرکوئنچ سه بعدی و جهت‌دار از دمای انحلال جزئی بر ریزساختار و سختی ­سوپرآلیاژ 111GTD، دومین همایش مشترک انجمن مهندسین متالورژی و جامعه ریخته‌گران ایران، 1387.

]9[اصفهانی م. م.، میردامادی ش.ا.، رضوی س. ح.، تاثیر تنش حرارتی در سیکل عملیات حرارتی رسوب سختی  بر ریزساختار و سختی سوپر آلیاژ111GTD، دومین همایش مشترک انجمن مهندسین متالورژی وجامعه ریخته گران ایران، 1387.

[10] Sajadi. S. A., Elahifar. H. R., Farhangi. H., Effects of cooling rate on the microstructure and mechanical properties of the Ni-base superalloy UDIMET 500, Alloys and Compounds, 2008, (455) 215–220.

[11] ساری صراف ا.، رضوی س. ح.، زارعی ح.، میردامادی ش. ا.، بررسی رفتار انحلال فاز γ' (Ni3(Al,Ti)) در سوپرآلیاژ IN738LC، نشریه بین‌المللی علوم مهندسی دانشگاه علم و صنعت ایران، 1387، 19 (5) 75-82.

[12] Razavi S. H., Mirdamadi Sh., Szpunar J., Arabi H., Improvement of age hardening process of a nickel-base superalloy, IN-738LC, by induction aging, Materials Science, 2002, (37) 1461-1471.

[13] Razavi S. H., Mirdamadi S., Arabi H., Szpunar J., Mathematical model of influence of rapid induction heating on nucleation and growth of precipitates, Materials Science and Technology, 2001, 17 (10) 1205-1210.

[14] E415-14, Standard Test Method for Analysis of Carbon and Low-Alloy Steel by Spark Atomic Emission Spectrometry, ASTM, 2014.

[15] Khodabakhshi A., Mashreghi A., Shajari Y., Razavi S. H., Investigation of microstructure properties and quantitative metallography by different etchants in the service-exposed nickel-based superalloy turbine blade, Transactions of the Indian Institute of Metals, 2018, 71(4) 849-859.

[16] ASTM E92-16, Standard Test Methods for Vickers Hardness and Knoop Hardness of Metallic Materials, ASTM, Feb 2016.

[17] Yan J., Zheng Q., Ji M., Sun X., Hu Z., Effect of  different c contents on the microstructure, tensile properties and stress rupture properties of IN972 alloy, Material Science and Engineering A, 2011, (528) 1534-1539.

[18] Balikci E., Raman A., Mirshams R. A., Influence of various heat treatments on the microstructure of polycrystalline IN738LC, Metallurgical and Materials Transactions A, 1997, 28(10) 1993-2003.

[19] Murakumo T., Koizumi Y., Kobayashi K., Harada H., Creep strength of Ni-base single-crystal superalloys on the γ/γ' tie-line, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2004, 155-162.

[20] Balikci E., Raman A., Mirshams R. A., Influence of various heat treatments on the microstructure of polycrystalline IN738LC, Metallurgical and Materials Transaction A, 2002, (28A) 1993-1997.

[21] Shajari Y., Razavi S.H., Seyedraoufi Z.S., Effect of solution treatment on the microstructure of γ' precipitates in theIN738LC Superalloy before and after aging, in Persian, Founding Research Journal, 2017, 1(2) 99-108.

[22] شجری ی.، بررسی اثر شرایط انحلال بر ریزساختار نهایی حاصل از پیرسازی سوپرآلیاژ پایه نیکلIN738LC، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج، 1395.

[23] Razavi S.H., Mirdamadi Sh., Arabi H., Szpunar J., 2001, An improved method for age hardening of a superalloy, US. Provisional patent, No. 60/309, 610.

[24] Anderson J., Sjoberg G.P., Viskari L., Cheturvedi M., 2012, Effect of solution heat treatment on superalloy: Part 1 – Alloy 718, Material Science and Technology, 2012, 28(5) 609-619.

[25] Shewmon P., Diffusion in Solids, 2nd Edition, Wiley, 2012.

[26] قائمی ب.، عبداله‌زاده ا.، جعفریان. ح، اثر سرعت  سرد کردن بر اندازه، توزیع و مورفولوژی رسوبات g¢ در یک سوپرآلیاژ پایه نیکل، اولین همایش مشترک انجمن مهندسین متالورژی و انجمن ریخته‌گری ایران، اصفهان، 1386.

[27] Monajati H., Jahazi M., Bahrami R., Yuec S., The influence of heat treatment conditions on g¢ characteristics in UDIMET 720, Materials Science and Engineering: A, 2004, 373, 286–293.

[28] Ojo O.A., Richards N.L., Chaturvedi M.C., Contribution of constitutional liquation of gamma prime precipitate to weld HAZ cracking of cast Inconel 738 superalloy, Scripta Materialia, 2004, 50(5) 641–646.

[29] Yang A., Xiong Y., Liu L., Effect of cooling rate on the morphology of γ' precipitates in a nickel-base superalloy under directional solidification, Science and Technology of Advanced Materials, 2011, 2(1) 105-107.

[30] Evans N.D., Maziasz P.J., Truhan J.J., Phase transformationns during service aging of nickel based superalloy PYROMET 31V, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2005.

[31] رحیمی ا.، میردامادی ش.، رضوی س. ح.، عباسی س. م.، جعفری ا.، بررسی تاثیر محیط سردایش پس از عملیات انحلال کامل و تاثیر عملیات پیرسازی بر ریزساختار و سختی سوپرآلیاژ پایه نیکل IN100، نشریه مهندسی مواد و متالورژی، 1395، 28(1) 1-12.

[32] El-Bagoury N., Waly M., Nofal A., Effect of Various Heat Treatment Conditions on Microstructure of Cast Polycrystalline IN738LC Alloy, Materials Science and Engineering: A, 2008, 487(1–2) 152–161.

[33] Smallman R. E., Ngan A. H. W., Physical Metallurgy and Advanced Material, Butterworth-Heinemann, 2011.

[34] Moshtaghin R. S., Asgari S., Growth kinetis of gama prime precipiates in superaloy IN38LC during long time aging, Materials and Design, 2003, 24(5) 325-330.

[35] Razavi S. H., Mirdamadi S., Arabi H., Szpunar J., Mathematical model of influence of rapid induction heating on nucleation and growth of precipitates, Materials Science and Technology, 2001, 17(10) 1205-1210.

[36] Wangyaol P., Krongtong V., Tuengsook P., Hormkrajai W., Panich N., The relationship between reheat-treatment and hardness behaviour of cast nickel superalloy, GTD-111, Materials and Minerals, 2006, (16) 55-62.

[37] Yun H. S., Park J. S., An S. U., Kim J. M., Effect of heat treatment on the microstructural characteristics of IN738 turbine blade, Materials Science Forum, 2011, 695, 405-408.

[38] Porter D.A., Phase Transformation in Metals and Alloy, Chapman & Hall, 1992, 136-160.

[39] Xinbou Z., Yingying D., Hongfei Y., Jinato L., Yang Y., Zhen Y., Jingho Y., Yuefeng G., Effect of heat treatment on the microstructure of Ni-Fe based superalloy for advanced ultra-supercritical power plant applications, Progress in  Natural Science: Material International, 2016, 16, 204-209.