توسعه پوشش های کامپوزیتی پایه نیکل بر زیرلایه فولاد زنگ نزن L304 و ارزیابی خواص آن ها

STUDENT

DEGREE

YEAR

Austenitic stainless steels have found their wide applications in different industries due to the high corrosion resistance, good formability and appropriate weldability. However, the wear resistance of stainless steels reduces at high temperatures which can limit some of their possible applications. Surface engineering methods can be used as a solution to improve the surface mechanical properties of stainless steels. In the present study, Inconel 718 claddings were prepared on the surface of 304L stainless steel by using gas tungsten arc welding (GTAW) method. The microstructure and high temperature wear properties of the claddings were carefully investigated. The effect of dilution and the addition of Al 2 O 3 particles were also studied. The microstructure of the claddings was investigated by scanning electron microscopy (SEM) while the hardness and yield strength were measured by nanoindentation method. The wear behavior of substrate and claddings was investigated at room and high temperatures by using high chromium tool steel and Al 2 O 3 balls, respectively. It was found that the microstructure of single layer IN718 cladding consists of a ? phase matrix and Nb-rich laves phase. The chemical composition of ? matrix and also the content of laves phases are different at different parts of the claddings. The microstructure of double layer IN718 cladding is found to be similar to the single layer cladding but with high amount of TiC carbides close to the interface of steel substrate. This was related to the thermal cycle of the second pass of the cladding process. Homogenous distribution of Al 2 O 3 particles were found in the microstructure of the composite cladding. The addition of Al 2 O 3 resulted in the enhancement of hardness and yield strength of the composite cladding compared to the single layer and double layer IN718 claddings. The composite cladding shows inferior wear resistance compared to the double pass IN718, despite of its higher hardness. The abrasive wear mechanism was recognized as the dominant wear mechanism for all of the claddings at 500 °C. It was also observed that the wear debris form a glazed layer on the top of wear track during high temperature wear test, resulted in the reduction of wear rate. However, the Al 2 O 3 particles deteriorate this glazed layer, led to the high wear rate of the composite cladding. Annealing of the double layer IN718 cladding at 1080 °C followed by two stage aging at 720 and 620 °C led the dissolution of laves phases and precipitation of fine intermetallics and/or carbide phases, resulted in considerable increase in the hardness of cladding as well as reduction of wear rate. Keywords : Cladding, Austenitic stainless steels, IN718, High temperature wear test, Nanoindentation, laves phase, Nb and Ti-rich intermetallic compounds

فولادهای زنگ نزن آستنیتی به دلیل خواصی از جمله رفتار خوردگی مطلوب در بسیاری از محیط های خورنده، شکل پذیری عالی و جوش پذیری مطلوب کاربردهای فراوانی در صنایع گوناگون دارند. با این حال این فولادها ویژگی های مطلوبی در دمای بالا نداشته و مقاومت به سایش دمای بالا و اکسیداسیون ضعیفی از خود نشان می دهند. روش های مبتنی بر مهندسی سطح از طریق ایجاد یک پوشش مقاوم به دمای بالا می تواند بسیاری از معایب ذکر شده را رفع نمایند. در این پژوهش روکش های اینکونل 718 با روش قوسی تنگستن بر زیرلایه فولاد زنگ نزن آستنیتی L304 پوشش داده شد و ریزساختار و رفتار سایشی دمای بالای آن با دقت مورد ارزیابی قرار گرفت. علاوه بر این، تاثیر پدیده رقت و همچنین ذرات تقویت کننده Al 2 O 3 بر خواص مکانیکی روکش اینکونل 718 و رفتار سایشی آن مورد بررسی قرار گرفت. ریزساختار روکش ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به طیف نگار تفکیک انرژی و سختی و استحکام تسلیم آن ها با استفاده از آزمون نانوفرورونده تعیین شد. آزمون سایش نیز در دو دمای محیط ( با استفاده از گلوله فولادی) و دمای 500 درجه سانتی گراد (با استفاده از گلوله اکسید آلومینیوم ) جهت بررسی تاثیر روکش کاری بر رفتار سایشی فولاد زنگ نزن L304 انجام گرفت. نتایج این پژوهش نشان داد که ریزساختار روکش اینکونل 718 تک پاس از دو فاز ? ( محلول جامد پایه نیکل) و فاز لاوه غنی از نیوبیوم تشکیل شده است. بررسی ترکیب شیمیایی فاز ? با استفاده از طیف نگار تفکیک انرژی نشان داد که این فاز در نواحی فوقانی روکش حاوی درصد بیشتری از عناصر نیوبیوم و مولیبدن است. از سوی دیگر، میزان فازهای لاوه با فاصله گرفتن از فصل مشترک روکش/ زیرلایه بیشتر شده و در نواحی نزدیک به سطح روکش به بیشینه خود می رسد. ریزساختار روکش اینکونل 718 دوپاس از لحاظ فازی شباهت بسیاری به ریزساختار روکش تک پاس داشت؛ با این تفاوت که در نواحی فصل مشترکی با زیرلایه مقادیر اندکی از کاربیدهای تیتانیوم نیز یافت شدکه می تواند در اثر پدیده نفوذ ناشی از سیکل حرارتی پاس دوم ایجاد شده باشد. استفاده از روش دوغابی در افزودن ذرات تقویت کننده سبب توزیع یکنواخت ذرات میکرومتری Al 2 O 3 در ریزساختار روکش شد. استحکام تسلیم روکش ها و زیرلایه با استفاده از آزمون نانوفرورونده محاسبه شد و روکش حاوی Al 2 O 3 نسبت به سایرین سختی و استحکام تسلیم بیشتری از خود نشان داد. همچنین رفتار مکانیکی روکش دوپاس نسبت به روکش تک پاس به دلیل رقت کمتر مطلوب تر بود. این در حالی است که در آزمون سایش دمای بالا روکش اینکونل 718 دوپاس علی رغم سختی کمتر نسبت به روکش حاوی Al 2 O 3 دارای مقاومت به سایش بالاتری بود. مکانیزم سایش دمای بالای روکش های اینکونل 718 از نوع سایش خراشان تشخیص داده شد. همچنین مشاهده شد که براده های سایش ایجاد شده در دمای بالا به یکدیگر آگلومره شده و نواحی لعابی مقاوم به سایشی را ایجاد می کنند. حضور ذرات افزودنی آلومینا مانع از تشکیل موثر این لایه می باشد. عملیات حرارتی آنیل انحلالی در دمای 1080 درجه سانتی گراد و پیرسازی دو مرحله ای در دو دمای 720 و 620 درجه سانتی گراد منجر به انحلال فازهای لاوه و رسوب ترکیبات بین فلزی غنی از نیوبیوم و غنی از تیتانیوم در ساختار روکش گردید. این تغییر ریزساختاری افزایش قابل ملاحظه سختی و بهبود رفتار سایشی دمای بالا نسبت به روکش اینکونل 718 دوپاس را در پی داشت. کلمات کلیدی: روکش کاری جوشی، اینکونل 718، فولاد زنگ نزن آستنیتی، آزمون سایش دمای بالا، آزمون نانوفرورونده، فاز لاوه، ترکیبات بین فلزی غنی از نیوبیوم و تیتانیوم