Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad KermanPour
احمد کرمانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Alireza Heydari
علیرضا حیدری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Evaluating the effect of cooling rate in directional solidification process on structure and mechanical properties of the nickel base superalloy GTD111
Directional solidification process of superalloys is one of the advanced technologies to enhance mechanical properties of hot parts in gas turbines such as turbine blades. In this work, effect of cooling rate on structure and mechanical properties of the directionally solidified (DS) nickel base superalloy GTD-111 has been evaluated. Several polycrystalline bar-shaped samples with diameter of 12 mm and height of 200 mm were first prepared. The Bridgman directional solidification process was applied under vacuum using ceramic molds and water-cooled copper chill plate. To investigate the effect of cooling rate, the process was conducted under various pulling speeds of 1, 3, 6 and 9 mm per minute. The as-cast rods were then solutionized and age-hardened under vacuum. All cast and heat treated samples were cut along both longitudinal and transverse directions for evaluation of macroscopic and microscopic structures. Micro-porosity, grain structure, dendritic structure, and microstructure of all specimens were studied by light and electron microscope equipped with EDS. DSC test was used to determine temperatures of phase changes in the alloy. Hardness, tensile properties at room temperature and stress-rupture properties of specimens were measured. The results showed columnar grain structure for all cooling rates. The columnar grains were elongated in the direction of heat transfer along the orientation of 001 . The number of grains was decreased with increasing distance to the chill due to the preferential nature of grain growth. Increasing the cooling rate resulted in a decrease in both primary and secondary dendrite arm spacings. For example, the primary arm spacing was 220 and 180 µm for the withdrawal rates of 3 and 9 mm/min, respectively. Increasing cooling rate also resulted in an increase in microporosity, but a decrease on the size of carbides and g-g' eutectic regions. Characterizing the heat treated specimens showed a partial dissolution of g' precipitates during solution treatment. Tensile test at room temperature showed higher yield strength and tensile strength but a relatively lower ductility for the DS specimens than the polycrystalline ones. Stress-rupture test at high temperature-low stress condition showed a much higher rupture life for the DS specimens compared to the polycrystalline ones. A higher cooling rate resulted in a better creep properties. The present work clearly showed an improvement in the mechanical properties of the nickel-base superalloy GTD111 possessing directionally solidified microstructure. Keywords Bridgman directional solidification; Nickel-base superalloy GTD-111; Cooling rate; Creep
فرایند انجماد جهت‌دار سوپرآلیاژها یکی از فناوری‌های پیشرفته جهت ارتقاء خواص مکانیکی دمای بالای قطعات داغ مورد استفاده در توربین‌های گازی است. در این تحقیق اثر سرعت سرد شدن در فرایند انجماد جهت‌دار بر ساختار و خواص مکانیکی سوپرآلیاژ پایه نیکل GTD-111 مورد ارزیابی قرار گرفته است. بدین منظور ابتدا نمونه‌های میله‌ای شکل به قطر 12 و ارتفاع 200 میلیمتر از شمش پلی‌کریستال آلیاژ تهیه شد. فرایند انجماد جهت‌دار بریجمن تحت خلأ با استفاده از قالب‌های سرامیکی و مبرد مسی آبگرد روی نمونه‌ها اعمال گردید. برای بررسی اثر سرعت سرد شدن، فرایند در سرعت‌های کشش قالب مختلف شامل 1، 3، 6 و 9 میلیمتر بر دقیقه انجام شد. برای تعیین دماهای تغییر حالت‌ آلیاژ از آزمون DSC استفاده شد. عملیات حرارتی آنیل انحلال و پیرسازی تحت خلأ روی نمونه‌های ریختگی اعمال گردید. کلیه نمونه‌ها در راستای طولی و عرضی برش خورده و ساختارهای ماکروسکوپی و میکروسکوپی آن‌ها مورد ارزیابی قرار گرفت. تخلخل میکروسکوپی و ساختارهای دانه‌بندی، دندریتی و میکروسکوپی نمونه‌ها توسط میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی مجهز به EDS بررسی گردید. برای بررسی خواص مکانیکی، سختی، خواص کششی دمای محیط و خواص خزشی نمونه‌های جهت‌دار اندازه‌گیری شد. نتایج بدست آمده، ساختار دانه‌بندی ستونی نسبتاً مشابهی را در کلیه سرعت‌های سرد شدن نشان داد. با دور شدن از سطح مبرد، تعداد دانه‌ها کاهش یافت. افزایش سرعت سرد شدن، کاهش فواصل بین بازوهای اولیه و ثانویه دندریتی را نشان داد. همچنین با افزایش سرعت سرد شدن، درصد ریزتخلخل در نمونه‌های ریختگی بیشتر شد و اندازه کاربیدها و میزان یوتکتیک گاما- گاماپرایم در ساختار کاهش یافت. نتایج آزمون کشش در دمای محیط نشان داد که نمونه‌های جهت‌دار از استحکام تسلیم و استحکام کششی نهائی بیشتری نسبت به نمونه‌های پلی‌کریستال برخوردار بوده و انعطاف‌پذیری آن‌ها قدری کمتر از نمونه‌های پلی‌کریستال است. آزمون تنش- گسیختگی دمای بالا- تنش پایین نشان داد که نمونه‌های جهت‌دار از عمر گسیختگی خیلی بالاتری نسبت به نمونه‌های پلی‌کریستال برخوردارند و افزایش سرعت سرد شدن نیز خواص آن‌ها را ارتقا می‌بخشد. کلمات کلیدی: انجماد جهت‌دار، سوپرآلیاژ پایه نیکلGTD-111، سرعت سرد شدن، خواص تنش- گسیختگی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی