تأثیر زمان پیرسازی بر ریزساختار و خواص مکانیکی سوپر آلیاژ IN617 در دمای °C900

محورهای موضوعی : عملیات حرارتی

محسن مهدیزاده ¹ , حسن فرهنگی ²

1 - دانشجوی دکترای دانشکده مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 - دانشیار دانشکده مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه تهران، تهران، ایران

تاریخ دریافت : 1400/08/16 تاریخ پذیرش : 1400/10/30 تاریخ انتشار : 1401/04/01

کلید واژه: خواص مکانیکی, تغییرات ریزساختاری, پیرسازی, سوپر آلیاژ IN617,

چکیده مقاله :

تغییرات ریزساختاری و خواص مکانیکی سوپر آلیاژ IN617 پیرسازی شده در دمای 900 درجه و زمان‌های مختلف از یک ساعت الی 2000 ساعت مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی از آزمایش‌های متالوگرافی، SEM، TEM، استخراج فازها از زمینه، XRD و خواص مکانیکی استفاده شد. با شروع زمان پیرسازی حتی در یک ساعت اول کسر سطحی قابل‌توجهی از کاربیدهای مرزدانه‌ای و درون‌دانه‌ای تشکیل شد که ابتدا به بلوکی شکل و با افزایش زمان پیرسازی به بیش از 1000 ساعت از نظر ابعادی رشد یافته و به شکل‌های صفحه‌ای، شبه‌کروی و میله‌ای تغییر یافتند. کاربیدها به‌مرور در مرزدانه‌ها، درون‌دانه‌ها و مرزهای دوقلویی و در زمان 2000 ساعت در بیشتر مرزدانه‌ها به شکل پیوسته تشکیل شد. اکثر کاربیدها از نوع M23C6 و درصد کمی از نوع M6C است. در یک ساعت اول پیرسازی درصد بسیار کمی از فاز γ' در ساختار پدید آمد؛ ولی در ادامه این فاز حل شده و فقط در پیک‌های اشعه ایکس رسوبات استخراج شده از زمینه شناسایی شدند. علاوه بر کاربیدها فاز Ti(C,N) از ابتدا در ساختار وجود داشته و از زمان‌های 1500 به بعد به دلیل وجود کربن در آن بخش کمی از آن به کاربید استحاله می‌یابد. سختی، استحکام نهایی در دمای محیط و استحکام نهایی در دمای 750 درجه با افزایش زمان پیرسازی اندکی بهبود می‌یابند، اما بعد از 2000 ساعت پیرسازی، خواص به مقادیر ورق نو کاهش می‌یابند. به دلیل تشکیل کاربیدهای مرزدانه‌ای و درون‌دانه‌ای انرژی ضربه بعد از 2000 ساعت پیرسازی، معادل یک چهارم ورق نو است؛ دلیل آن این است که نوع شکست بعد از 100 ساعت پیرسازی از نوع نرم به ترد مرزدانه‌ای تغییر می‌یابد.

چکیده انگلیسی:

Microstructural changes and mechanical properties of IN617 superalloy aged at 900 °C for different durations from one hour to 2000 hours were investigated in the present work. The optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), transition electron microscope (TEM), X-ray diffraction (XRD) and hardness and tensile tests were used to investigate the microstructure and mechanical properties of aged alloys. A significant amount of intergranular carbides were observed in the microstructure of aged alloys even in the microstructure of alloy which was aged for one hour. Block-shape carbides were observed in the sample which was aged for one hour. It was observed that with increasing the aging time the morphology of the carbides changed to quasi-spherical, plate and rod shaped. The carbides were first formed along the grain and twin boundaries and then within the grains, and continues carbide layer was observed along the grain boundaries for the sample which was aged for 2000 hours. Most of the carbides were M23C6 and a small percentage of them were determined to be M6C. Furthermore, it was observed that a small amount of Ti(C,N) phase which was present in the as received sample was converted to carbides after aging for 1500 hours. γ' phase was only observed in the  microstructure of sample which was aged for one hour. Mechanical test results shown that  the hardness, ultimate strength at room temperature and at 750°C increased with increasing the aging time, but after 2000 hours of aging these properties decreased to the values of as received sample. The impact energy of the sample which was aged for 2000 hours was equivalent to 25% of as received sample due to the formation of a continues carbide layer along the grain boundaries. The fracture surface of the impact samples were investigated and it was observed that fracture mode changed from ductile for as-received sample to brittle intergranular fracture for the samples which were aged for more than 100 hours.

منابع و مأخذ:

[1] X. Xiang, Z. Yao, J. Dong & L. Sun, "Dissolution behavior of intragranular M₂₃C₆ carbide in 617B Ni-base superalloy during long-term aging", Journal of Alloys and Compounds vol. 787, pp. 216-228, 2019.

 

[2] M. Speicher, F. Kauffmann, J. H. Shin & M. Chandran, "Microstructure evolution in alloy 617B after a long-term creep and thermal aging at 700˚C", Materials Science and Engineering A, vol. 711, pp. 165-174, 2018.

 

[3] J. Benz, T. Lillo & R. Wright, "Aging of alloy 617 at 650 and 750˚C, Idaho National Laboratory", Jan. 2013.

 

[4] R. Krishna, S. V. Hainsorth, P. A. Gill & H. V. Atkinson, "Effect of Titanium Carbonitride (Ti(C,N)) decomposition on failure mechanisms in Inconel 617 alloy", Microscopy research and technique, vol. 78, pp. 336-342, 2015.

 

[5] Y. Guo, B. Wang & S. Hou, "Aging precipitation behavior and mechanical properties of Inconel 617 superalloy", Acta Metallurgica Sinica, vol. 26, no. 3, pp. 307-312, 2013.

 

[6] Q. Wu, H. Song, R. W. Swindeman, J. P. Shingledecke & V. K. Vasudevan, "Microstructure of long-term aged IN617 Ni-base superalloy", Metallurgical and materials transactions A, vol. 39, no. 11, pp. 2569-2585, 2008.

 

[7] M. Cabibbo, E. Gariboldi, S. Spigarelli & D. Ripamonti, "Creep behavior of INCOLOY alloy 617", Journal of Materials Science, vol. 43, pp. 2912–2921, 2008.

 

[8] K. Ram, S. V. Hainsworth, H. V. Atkinson & A. Strang, "Microstructural analysis of creep exposed IN617 alloy", Materials Science and Technology, vol. 26, no. 7, pp. 797-802, 2010.

 

[9] M. Cabibbo & et al, "Creep behavior of INCOLOY alloy 617", Journal of Materials Science, vol. 43, 2008, p. 2912, 2008.

 

[10] D. Tytko, P. Choi, J. Klower, A. Kostka, G. Inden & D. Raabe, "Microstructural evolution of a Ni-based superalloy (617B) at 700 °C studied by electron microscopy and atom probe tomography", Acta Materialia, vol. 60, pp. 1731–1740, 2012.

 

[11] S. F. DiMartino, R. G. Faulkner, S. C. Hogg, S. Vujic & O. Tassa, "Characterisation of microstructure and creep properties of alloy 617 for high-temperature applications", Materials Science & Engineering A, vol. 619, 2014.

 

[12] A. K. Roy & V. Marthandam, "Mexhanism of yield strength anomaly of Alooy 617", Materials Science and Engineering A, vol. 517, pp. 276-280, 2009.

 

[13] A. N. Singh, A. Moitra, P. Bhaskar, G. Sasikala, A. Dasgupta & A. K. Bhaduri, "Effect of thermal aging on microstructure, hardness, tensile and impact properties of Alloy 617", Materials Science and Engineering A, vol. 710, pp 47-56, 2018.

 

[14] M. Akbari-Garakani & M. Mehdizadeh, "Effect of long-term service exposure on microstructure and mechanical properties of Alloy 617", Materials and Design, vol. 32, pp. 2695–2700, 2011.

 

[15] R. Krishna, S. V. Hainsworth, S. P. A. Gill, A. Strang & H. V. Atkinson, "Topologically Close-Packed µ Phase Precipitation in Creep-Exposed Inconel 617 Alloy", Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 44a, March 2013.

 

[16] G. Chai, M. Calmunger, S. Johansson, J. Moverare & J. Odqvist, "Influence of Dynamic Strain Ageing and Long Term Ageing on Deformation and Fracture Behaviors of Alloy 617", Materials Science Forum, vol. 879, pp. 306-311, 2016.

 

[17] F. Abe, "Research and Development of  Heat-Resistant Materials for Advanced USC Power Plants with Steam Temperatures of 700 °C and Above", Advanced Materials and Materials Genome,  Engineering, vol. 1, no. 2, pp.  211–224, DOI 10.15302/J-ENG-2015031. 2015

 

[18] K, Ram, S. V. Hainsworth, S. P. A. Gill, A. Strang & H. V. Atkinson, "Microstructural evolution in creep exposed IN617", Proceedings of ECCC, 2009.

 

[19] Md. S. Rahman, G. Priyadarshan, K. S. Raja, C. Nesbitt & M. Misra, "Characterization of high temperature deformation behavior of INCONEL 617", Mechanics of Materials, vol. 41, pp. 261–270, 2009.

 

[20] S. Chomette, J. M. Gentzbittel & B. Viguier, "Creep behaviour of as received, aged and cold worked INCONEL 617 at 850˚C and 950˚C", Journal of Nuclear Materials, vol. 399, pp. 266-274, 2010.

 

[21] م. احمدی و ح. آقاجانی، "ایجاد پوشش کامپوزیتی YSZ/Al بر روی سوپرآلیاژ اینکولوی 825 به روش رسوب‌دهی الکتروفورتیک"، فصل‌نامه علمی و پژوهشی فرایندهای نوین در مهندسی مواد، شماره 4، سال 1397.

 

[22] A. K. Roy, M. H. Hasan & J. Pal, "Creep Deformation of Alloys 617 and 276 at 750–950 C", Materials Science and Engineering: A, vol. 520, no. 1, pp. 184-188, 2009.

 

[23] S. Zhang, "Research of morphology evolution of precipitation during aging and the effects of precipitation on creep property of 617B superalloy", 5th International Conference on Energy Equipment Science and Engineering, 2019.

 

[24] D. Tytko, P. Choi, J. Klower, A. Kostka, G. Inden & D. Raabe, "Microstructural evolution of a Ni-based superalloy (617B) at 700 °C studied by electron microscopy and atom probe tomography", Acta Materialia, vol. 60, pp. 1731–1740, 2012.

 

[25] A. Kewther, M. S. J. Hashmi & B. S. Yilbas, "Fatigue properties of the refurbished INCO-617 alloy", Journal of Materials Processing Technology, vol. 118, pp. 45-49, 2001.

 

[26] T. Lillo, J. Cole, M. Frary & S. Schlegel, "Influence of Grain Boundary Character on Creep Void Formation in Alloy 617, Metallurgical and Materials Transactions A", vol. 40a, 2009-2803.

 

[27] W. G. Kima, J. Y. Park, I. M. W. Ekaputra, M. H. Kima & Y. W. Kima, "Analysis of creep behavior of Alloy 617 for use of VHTR system", 20th European Conference on Fracture (ECF20), Procedia Materials Science, vol. 3, pp. 1285-1290, 2014.

 

[28] ح. فیض‌آبادی، م. عباسی، م. مرکباتی، ر. مهدوی و م. توکلی، "تأثیر نورد سرد و آنیل بر ریزساختار و خواص کششی سوپر آلیاژ "HasteelloyX، فصل‌نامه علمی و پژوهشی فرایندهای نوین در مهندسی مواد، شماره 2، تابستان 1396.