مطالعه رفتار خستگی کم چرخه در سوپر آلیاژ پایه نیکل ریخته شده به روش انجماد جهت‌دار در دمای اتاق و دمای بالا

محورهای موضوعی : ریخته گری

علی‌محمد فاضلی تهرانی ^{1 *} , حسن فرهنگی ²

1 - دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، پردیس دانشکده‌های فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران.
2 - دانشیار دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، پردیس دانشکده‌های فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران.

تاریخ دریافت : 1402/08/06 تاریخ پذیرش : 1403/04/16 تاریخ انتشار : 1404/02/10

کلید واژه: سوپر آلیاژ انجماد جهت‌دار خستگی مرزدانه دما جوانه‌زنی ترک.,

چکیده مقاله :

از سوپر آلیاژهای پایه نیکل به دلیل خواص مکانیکی قابل‌قبول در دمای بالا در پره توربین‌های گازی و نیز موتورهای هوایی استفاده می‌شود. این قطعات داغ حین سرویس، تحت مکانیزم­های تخریبی نظیر خستگی، اکسیداسیون و خزش قرار دارند. یکی از روش‌های بهبود عملکرد و افزایش عمر این قطعات، کاهش مرز دانه‌ها در ریزساختار سوپر آلیاژ حین فرآیند ریخته‌گری است. در این پژوهش به بررسی رفتار خستگی کم چرخه یک سوپر آلیاژ پایه نیکل با ریزساختار انجماد جهت‌دار در دمای اتاق و دمای بالا پرداخته شد نمونه ریخته شده دارای ریزساختاری با جهت مرجح کریستالوگرافی [100] بودند. به‌منظور دستیابی به ساختار بهینه در سوپر آلیاژ، سه مرحله عملیات حرارتی روی نمونه‌ها انجام شد. آزمون‌های خستگی به روش کرنش کنترلی و نسبت بار صفر و با فرکانس Hz3/0 هم در دمای °C800 و هم دمای اتاق انجام شد. از میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی روبشی برای مطالعه ریزساختار و سطح شکست نمونه‌ها استفاده شد. پس از انجام آزمون‌های خستگی، نمودارهای کافین- مانسون به‌منظور بررسی رابطه میان کرنش اعمالی و عمر نمونه‌ها رسم گردید. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش دما منحنی کافین- مانسون به پایین دستگاه مختصات انتقال و شیب و عرض از مبدأ منحنی با افزایش دما کاهش می‌یابد. بررسی منحنی‌های هیسترزیس هم نشان می‌دهد که با افزایش دما تنش بیشینه اعمالی به نمونه کاهش‌یافته و حلقه هیسترزیس بازتر می‌شود که نشان از نرم شدن ماده حین بارگذاری سیکلی است. مطالعه سطح شکست نمونه‌ها نشان داد که جوانه‌زنی ترک‌های خستگی از سطح نمونه آغاز می‌شود. مشاهده شد که جوانه‌زنی ترک از یک ذره کاربیدی در سطح آغاز شد. در نرخ کرنش پایین، خطوط ساحلی در ناحیه خستگی سطح شکست مشاهده شد. با توجه به اینکه ناحیه خستگی درصد کمی از سطح شکست را تشکیل می‌دهد، مرحله رشد ترک، کنترل‌کننده شکست خستگی است. مشاهده شد که در دمای اتاق رشد ترک خستگی به‌صورت درون‌دانه‌ای و در دمای بالا به‌صورت مرزدانه‌ای روی می‌دهد. شکست نهایی در نمونه‌ها با شکست دندریتی رخ می‌دهد.

چکیده انگلیسی:

Nickel based superalloys are used to manufacture turbine blades because of their excellent mechanical properties at high temperatures. These blades are subjected to temperature fluctuations, oxidation, centrifugal and vibrational forces during service. As a result, mechanisms such as oxidation creep, fatigue facilitate damages and decrease the life of the component. Several researches have shown that decreasing the number of grain boundaries would increase the creep resistance of the blade at high temperatures. This was the beginning point of development of directionally solidified and single crystal microstructures for superalloys. In this research, the behavior of a directionally solidified Nickel based superalloy under cyclic mechanical loads was investigated. Isothermal fatigue tests were carried out at room and elevated temperatures in strain controlled condition. Coffin-Manson equation was plotted to study the relationship between the number of cycle to failure and applied plastic strain. Hysteresis loops of stress vs. strain were plotted to see the hardening and softening behavior of the superalloy under cyclic loading. Scanning electron microscopy was used to study patterns of crack nucleation and growth on the fracture surface of different samples. It was observed that at high temperature the hardening coefficient decreased in comparison with the coefficient at room temperature. Hysteresis at half-life showed microstructural softening, it was also found out the nucleation of the cracks occurred at oxide particles and small surface defects at both temperatures and the cracks grew transgranularly at room temperature while grain boundary cracking is observed at high temperature.

منابع و مأخذ:

[1] س. ا. آذرمهر و ک. شیروانی، تأثیر پلاتین بر رفتار خوردگی داغ نوع II پوشش‌های سیلیسم- آلومیناید حاوی سیلیسیم زیر حد بحرانی، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 13 ، شماره 3، 1398.

[2] D. W. Yun, S. M. Seo, H. W. Jeong & Y. S. Yoo, "The cyclic oxidation behaviour of Ni-based superalloy GTD-111 with sulphur impurities at 1100°C", Corrosion Science, vol. 90, pp. 392–401, 2015.

[3] N. S. Cheruvu, K. S. Chan & G. R. Leverant, "Cyclic Oxidation Behavior of Aluminide, Platinum Modified Aluminide, and MCrAlY Coatings on GTD-111", Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 122, pp. 50-54, 2000.

[4] Physical Metallurgy (Fifth Edition), "Physical Metallurgy of the Nickel-Based Superalloy Author links open overlay panel R.C. Reed", C.M.F. Rae, pp. 2215-2290, 2014.

[5] S. A. Sajjadi, S. Nategh & R. I. L. Guthrie "Study of microstructure and mechanical properties of high performance Ni-base superalloy GTD-111", Materials Science and Engineering, vol. A325, pp. 484–489, 2002.

[6] S. Highsmith Jr & W. S. Johnson, "Elevated temperature fatigue crack growth in directionally solidified GTD-111 superalloy", https://doi.org/10.1111/j.14602695.2006.00950.x

[7] J. Choi, S. Wee, J. M. Koo, E. S. Chung, S. H. Kwon & C. S. Seok, "Thermomechanical fatigue characteristics of CMSX-4 applied to the high-pressure turbine first-stage single-crystal rotor blade", Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 34, pp. 1855–1862, 2020.

[8] T. Babinský, I. Kubˇena, I. ˇSul´ak, T. Kruml, J. Tobi´aˇs & J. Pol´ak, "Surface relief evolution and fatigue crack initiation in Ren´e41 superalloy cycled at room temperature", Materials Science & Engineering, vol. A 819, pp. 141520, 2021.

[9] J. He, L. Lin, P. Hu, Ch. Xiao, Y. Kang & X. Wang, "Temperature dependence of low cycle fatigue for the Co-based single crystal superalloy", International Journal of Fatigue, vol. 177, 2023.

[10] J. Wang, L. Yang, H. Lu, Zh. Wen, T. Liu, Q. Yin & Zh. Yue, "Research on low cycle fatigue damage and macroscopic anisotropic constitutive model of Ni-based single crystal superalloy at different temperatures", International Journal of Fatigue, vol. 177, 2023.

[11] ASTM E606-19, https://doi.org/10.1520/E0606_E0606M-19, 2020.

[12] ASTM E8 https://doi.org/10.1520/E0008 _E0008M-16, 2016.

[13] ASTM E21, https://doi.org/10.1520/E0021-20, 2020.

[14] ASTM E112-13, https://doi.org/10.1520/ E011213R21, 2021

[15] F. D. León-Cázares, F. Monni, T. Jackson & et al, "Stress response and microstructural evolution of nickel-based superalloys during low cycle fatigue: physics-based modelling of cyclic hardening and softening", Int. J. Plasticity, vol. 128, pp. 102682, 2020.

[16] D. Lee, I. Shin, Y. Kim, J. M. Koo & Ch. S. Seok, "A study on thermomechanical fatigue life prediction of Ni-base Superalloy", International Journal of Fatigue, vol. 62, pp. 62–66, 2014.

[17] J. Salvat Cantóa, S. Winwoodb, K. Rhodesb & S. Birosca, "A study of low cycle fatigue life and its correlation with microstructural parameters in IN713C nickel based superalloy", Materials Science & Engineering, vol. A 718, pp. 19–32, 2018.

[18] R. K. Raia, J. K. Sahub, S. K. Dasb, N. Paulosec, D. C. Fernandoc & C. Srivastavad, "Cyclic plastic deformation behaviour of a directionally solidified nickel base superalloy at 850 °C: Damage micromechanisms", Materials Characterization, vol. 141, pp. 120–128, 2018.

[19] S. Nategh & S. A. Sajjad, "Dislocation network formation during creep in Ni-base superalloy", Materials Science and Engineering A, vol. 339, pp. 103-108, 2003.

[20] W. Blun, Z. Metallk. 68 (1977) 484.

[21] J. H. Gittus, Acta Met. 22 (6) (1974) 789.

[22] J. Friedel, Dislocations, Pergamon Press, Oxford, 1964, p. 211.

[23] H. E. Evans, K.R. Williams, Phil. Mag. 28 227, 1973.

[24] Sh. Zhang, W. Ren, B. Ding, Y. Zhong, X.Yuan, T. Zheng, Zh. Shen, Y. Guo, Q. Li, Ch. Liu, J. Peng, J. Brnic, Y. Gao & P. K. Liaw, "Saturation effect of creep-fatigue cyclic-life for Nickel-based superalloy DZ445 under long-term tensile dwell periods at 900 °C", Journal of Materials Research and Technology, vol. 19, 2022.

[25] T. Zhao, X. Hu, Y. Jiang, X. Teng, F. Liu, B. Li & et al, "Creep-fatigue rupture mechanism and microstructure evolution around film-cooling holes in nickel-based DS superalloy specimen," Intermetallic, vol.139, pp.107359, 2021.

[26] L. Cui, J. Yu, J. Liu & X. Sun, "Microstructural evolutions and fracture behaviors of a newly developed nickel-base superalloy during creep deformation", J Alloys Compd, vol. 746, pp. 335e49, 2018.

[27] B. Ding, W. Ren, Y. Zhong, X. Yuan, J. Peng, T. Zheng & et al, "Accuracy of the predicting for creep-fatigue cyclic life based on parameters in a characteristic cycle", Eng Fract Mech, vol. 255, pp. 107955, 2021.

[28] W. Song, X. G. Wang, J. G. Li, L. H. Ye, G. C. Hou, Y. H. Yang, J. L. Liu, J. D. Liu, W. L. Pei, Y. Z. Zhou & X. F. Sun, "Effect of ruthenium on microstructure and hightemperature creep properties of fourth generation Ni-based single-crystal superalloys", Mater. Sci. Eng, vol. A 772, pp. 138646, 2020.

[29] X. G. Wang, J. L. Liu, J. D. Liu, Y. Z. Zhou, J. G. Li, X. F. Sun, J. H. Do, B. G. Choi, I. S. Kim & C. Y. Jo, "Dependence of stacking faults in gamma matrix on low-cycle fatigue behavior of a Ni-based single-crystal superalloy at elevated temperature", Scripta Mater, vol. 152, pp. 94–97, 2018.

[30] D. Q. Qi, B. D. Fu, K. Du, T. T. Yao, C. Y. Cui, J. X. Zhang & H. Q. Ye, "Temperature effects on the transition from Lomer-Cottrell locks to deformation twinning in a NiCo-based superalloy", Scripta Mater, vol. 125, pp. 24–28, 2016.

[31] F. Chen, Y. B. Tan, S. Xiang, W. Shi & F. Liu, "Enhanced strengthening effect via nanotwinning in cryo-rolled FeCoCrNiMo0.2 high-entropy alloys", Mater. Sci. Eng, vol. A 866, pp. 144676, 2023.

[32] S. Chen, H. S. Oh, B. Gludovatz, S. J. Kim, E. S. Park, Z. Zhang, R. O. Ritchie & Q. Yu, "Real-time observations of TRIP-induced ultrahigh strain hardening in a dual-phase CrMnFeCoNi high-entropy alloy", Nat. Commun, vol. 11, 826, 2020.