تحولات فازی حین لحیم‌کاری دمای بالا در اتصال غیرهمجنس سوپر آلیاژ اینکونل 738 به ترکیب بین فلزی تیتانیوم آلومیناید با لایه واسط سه جزئی Ni-Si-B

محورهای موضوعی : روش ها و فرآیندهای نوین در تولید

داریوش کوکبی ¹ , علی کفلو ² , مجید پورانوری ³ , رضا غلامیپور ⁴

1 - دانشجوی دکتری، سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران
2 - دانشیار، پژوهشکده مواد پیشرفته و انرژی‌های نو، سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران
3 - استادیار، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
4 - دانشیار، پژوهشکده مواد پیشرفته و انرژی‌های نو، سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران

تاریخ دریافت : 1398/09/17 تاریخ پذیرش : 1398/11/30 تاریخ انتشار : 1400/02/01

کلید واژه: اینکونل 738 ترکیب بین فلزی تیتانیوم آلومیناید لحیم‌کاری دمای بالا لایه واسط MBF, 30 ریزساختار میکروسختی,

چکیده مقاله :

در این تحقیق تغییرات ریزساختاری حین لحیم‌کاری دمای بالا برای اتصال غیر همجنس سوپر آلیاژ پایه نیکل اینکونل 738 به ترکیب بین فلزی تیتانیوم آلومیناید (TiAl) با استفاده از لایه واسط آلیاژ آمورف سه تایی نیکل-بور-سیلیسیم مورد بررسی قرار گرفته و تحولات فازی حین انجماد و حالت جامد بحث شده است. بررسی‌ها نشان داد که ریزساختار اتصال IN738/MBF-30/TiAl متشکل از چهار منطقه مجزای انجماد هم‌دما در دو سمت، انجماد غیر هم‌دمای میانی، ناحیه متأثر از نفوذ در سمت اینکونل 738 و ناحیه واکنشی در سمت TiAl می‌باشد. مناطق تک فازی محلول جامد گاما در سمت اینکونل 738 و محلول‌های جامد دوفازی AlNi3+Ni3Si در سمت TiAl مناطق انجماد هم‌دما را تشکیل می‌دهند. منطقه انجماد غیر هم‌دما شامل بورایدهای غنی از نیکل و کروم در کنار محلول جامد پایه نیکل ناشی از واکنش‌های یوتکتیکی می‌باشد. منطقه متأثر از نفوذ در سمت اینکونل 738 دارای فازهای متفاوتی از بورایدهای غنی از کروم-مولیبدن و بوراید نیکل می‌باشد. همچنین ناحیه‌ای موسوم به لایه واکنشی در سمت آلیاژ TiAl ایجاد شد که شامل فازهای متفاوت لایه پیوسته غنی از δ-Ti2Ni در کنار لایه سه فازی از τ2-Al2TiNi، τ4-AlNi2Ti و β1-NiAl می‌باشد. بررسی سختی نواحی متفاوت نشان داد که برخی فازهای با سختی بالا در ناحیه اتصال تشکیل شده‌اند و وجود محلول جامد گاما در ناحیه انجماد غیر هم‌دما در کنار فازهای بورایدی باعث کاهش اثر تخریبی آن‌ها شده است.

چکیده انگلیسی:

In this research microstructural evolution during high temperature brazing of dissimilar bonding of IN738 Ni-base superalloy to TiAl intermetallic compound using an amorphous Ni-Si-B ternary alloy was investigated. Phase transformations via solidification and solid state reactions are discussed. Observations indicated that the microstructure of IN738/MBF-30/TiAl joint consist of four different zones; isothermal solidification zone in both sides, athermally solidified zone in the bond center, diffusion affected zone in the IN738 side and reaction layer in the TiAl side. γ-Ni solid solution phase in ISZ of the IN738 side and binary isostructural solid solutions in ISZ of the TiAl side were formed during holding time at bonding temperature. Ni-Cr borides have been formed due to binary eutectics associated with γ-Ni solid solution in the ASZ during cooling. Cr-Mo borides and Ni-rich boride with different morphologies were precipitated in the DAZ. Ni element from MBF-30 molten interlayer reacted with γ-TiAl base, leading to the formation of the reaction layer containing single phase δ-Ti2Ni and triple phase τ2-Al2TiNi+τ4-AlNi2Ti+β1-NiAl layers adjacent to TiAl substrate. Microhardness evaluation of different zones indicated that some high hardness phases have formed in the bond region and presence of the γ-Ni solid solution in the ASZ cause to decrease the detrimental effects of them. 

منابع و مأخذ:

[1] A. Shirzadi, "Diffusion Bonding Aluminium Alloys and Composites", University of Cambridge, 1997, p. 167.

 

[2] M. Yamaguchi, H. Inui & I. Kazuhiro, "High-Temperature Structural Intermetallics", Acta Materialia, vol. 48, pp. 307-322, 2000.

 

[3] K. Maruyama, M. Yamaguchi, G. Suzuki, H. Zhou, Y. H. Kim & M. H. Yoo, "Effects of lamellar boundary structural change on lamellar size hardening in TiAl alloy", Acta Materialia, vol. 52, no. 17, pp. 10, 2004.

 

[4] H. S. Ren, H. P. Xiong, B. Chen, S. J. Pang, X. Wu, Y. Y. Chen & B. Q. Chen, "Transient liquid phase diffusion bonding of Ti–24Al–15Nb–1Mo alloy to TiAl intermetallics", Material Science and Engineering A, vol. 651, pp. 45-54, 2016.

 

[5] P. He, J. C. Feng, B. G. Zhang & Y. Y. Qian, "A new technology for diffusion bonding intermetallic TiAl to steel with composite barrier layers", Materials characterizaton, vol. 50, no. 6, 2003.

 

[6] W. B. Lee, Y. J. Kim & S. Jung, "Effects of copper insert layer on the properties of friction welded joints between TiAl and AISI 4140 structural steel", Intermetallics, vol. 12, pp. 671-678, 2004.

 

[7] J. Cao, J. Liu, X. Song, X. Lin & J. Feng, "Diffusion bonding of TiAl intermetallic and Ti3AlC2 ceramic: Interfacial microstructure and joining properties", Materials and Design, vol. 56, no. 7, 2014.

 

[8] S. Simoes, C. Tavares & A. Guedes, "Joining of γ-TiAl Alloy to Ni-Based Superalloy Using Ag-Cu Sputtered Coated Ti Brazing Filler Foil", MDPI, pp. 1-14, 2018.

 

[9] H. Li, H. Wei, P. He, T. Lin, J. Feng & Y. Huang, "Effects of alloying elements in GH99 superalloy on microstructure evolution of reactive brazing TiAl/GH99 joints", Intermetallics, vol. 34, pp. 69-74, 2013.

 

[10] X. Song, B. Ben, S. Hu & D. Tang, "Vacuum brazing high Nb-containing TiAl alloy to Ti60 alloy using Ti-28Ni eutectic brazing alloy", Journal of Alloys and Compounds, pp. 485-491, 2016.

[11] R. K. Shiue, S. K. Wu & S. Y. Chen, "Infrared brazing of TiAl intermetallic using BAg-8 braze alloy", Acta Materialia, vol. 51, pp. 1991-2004, 2003.

 

[12] R. K. Shiue, S. K. Wu & S. Y. Chen, "Strong bonding of infrared brazed a2-Ti3Al and Ti–6Al–4V using Ti–Cu–Ni fillers", Intermetallics, vol. 18, no, 8, 2010.

 

[13] R. K. Shiue, S. K. Wu,  S. Y. Chen & C.Y. Shiue, "Infrared brazing of Ti50Al50 and Ti–6Al–4V using two Ti-based filler metals", Intermetallics, vol. 16, pp. 1083-1089, 2008.

 

[14] S. Simoes, F. Viana & M. F. Viera, "Joining Technology of Gamma-TiAl Alloys", CRC Press. Portugal, 2017.

 

[15] X. S. Qi, X. Y. Xue, B. Tang, H. C. Kou, R. Hu & J. S. Li, "Phase Evolution of Diffusion Bonding Interface between High Nb Containing TiAl Alloy and Ni-Cr-W Superalloy", Rare Metal Materials and Engineering, vol. 44, pp. 1575-1580, 2015.

 

[16] K. Dong & J. Kong, "A high-strength vacuum-brazed TiAl/Ni joint at room temperature and high temperature with an amorphous foil Zr-Al-Ni-Co filler metal", Journal of Manufacturing Processes, vol. 44, pp. 389-396, 2019.

 

[17] H. S. Ren, H. P. Xiong, W. M. Long, B. Chen, Y. X. Shen & S. J. Pang, "Microstructures and mechanical properties of Ti3Al/Ni-based superalloy joints brazed with AuNi filler metal", Journal of Materials Science & Technology, vol. 35, pp. 2070-2078, 2019.

 

[18] H. S. Ren, H. P. Xiong, W. M. Long, Y. X. Shen, S. J. Pang, B. Chen & Y. Y. Cheng, "Interfacial diffusion reactions and mechanical properties of Ti3Al/Ni-based superalloy joints brazed with AgCuPd filler metal", Materials characterizaton, vol. 144, no. 7, 2018.

 

[19] P. He, J. Feng & H. Zhou, "Microstructure and strength of brazed joints of Ti3Al-base alloy with NiCrSiB", Materials Characterizaton, vol. 52, pp. 309-318, 2004.

 

[20] M. Pouranvari, A. Ekrami & A. H. Kokabi, "Solidification and solid state phenomena during TLP bonding of IN718 superalloy using Ni–Si–B ternary filler alloy", Journal of Alloys and Compounds, vol. 563, pp. 143-149, 2013.

[21] A. Ghasemi & M. Pouranvari, "Microstructural evolution mechanism during brazing of Hastelloy X superalloy using Ni–Si–B filler metal", Science and Technology of Welding and Joining, vol. 23, pp. 441-449, 2017.

 

]22[ ع. خرم، ا. داودی جمالویی و  ع. جعفری، "بررسی اثر همگن‌سازی بر ریزساختار و خواص مکانیکی اتصال فاز مایع گذرا بین اینکونل 718 و اینکونل 600"، فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 11، شماره 3، 59-49، 1396.

 

[23] K. Chandrasekaran, K. W. Richter  & H. Ipser, "The Al–Ni–Si phase diagram—Part III: Phase equilibria in the nickel rich part", Intermetallics, vol. 14, pp. 491-497, 2006.

 

[24] A. Ghasemi & M. Pouranvari, "Intermetallic phase formation during brazing of a nickel alloy using a Ni–Cr–Si–Fe–B quinary filler alloy", Science and Technology of Welding and Joining, vol. 24, pp. 342-351, 2018.

 

[25] M. Pouranvari, A. Ekrami & A. H. Kokabi, "Phase transformations during diffusion brazing of IN718/Ni–Cr–B/IN718", Materials Science and Technology, vol. 29, pp. 980-98, 42013.

 

[26] M. Khakian, S. Nategh & S. Mirdamadi, "Effect of bonding time on the microstructure and isothermal solidification completion during transient liquid phase bonding of dissimilar nickel-based superalloys IN738LC and Nimonic 75", Journal of Alloys and Compounds, vol. 653, no. 9, 2015.

 

[27] A. Y. Shamsabadi, R. Bakhtiari & B. G. Eisaabadi, "TLP bonding of IN738/MBF20/IN718 system", Journal of Alloys and Compounds, vol. 685, pp. 896-904, 2016.

 

[28] M. A. Arafin, M. Medraj, D. P. Turner & P. Bocher, "Transient liquid phase bonding of Inconel 718 and Inconel 625 with BNi-2: Modeling and experimental investigations", Material Science and Engineering A, vol. 447, no. 9, 2007.

 

[29] W. F. Gale & E. R. Wallach, "Influence of isothermal solidification on microstructural development in Ni-Si-B filler metals", Materials Science and Technology, vol. 7, no. 12, pp. 1143-1149, 1991.

 

[30] W. F. Gale & Y. Guan, "Microstructure and mechanical properties of transient liquid phase bonds between NiAl and a Nickel-Base superalloy", Journal of Materials Science, vol. 34, pp. 1061-1071, 1999.

 

[31] H. S. Ren, H. P. Xiong, B. Chen, S. J. Pang, B. Q. Chen & L. Ye, "Microstructures and Mechanical Properties of Vacuum Brazed Ti3Al/TiAl Joints Using Two Ti-based Filler Metals", Materials Science and Technology, vol. 32, pp. 372-380, 2016.

 

[32] K. Zeng, R. Schmid-Fetzer, B. Huneau, P. Rogl & J. Bauer, "The ternary system Al–Ni–Ti Part II: Thermodynamic assessment and experimental investigation of polythermal phase equilibria", intermetallics, vol. 7, no. 13, 1999.

 

[33] S. Simoes, F. Viana, Kocak, A. S. Ramos, M. F. Vieira & M. T. Vieira, "Diffusion bonding of TiAl using reactive Ni/Al nanolayers and Ti and Ni foils", Materials Chemistry and Physics, vol. 128, no. 6, 2011.

 

[34] X. Li, L. Li & S. Qu, "Vacuum brazing of TiAl-based intermetallics with Ti-Zr-Cu-Ni-Co amorphous alloy as filler metal", Intermetallics, vol. 57, pp. 7-16, 2015.