SUPERVISOR
Ahmad KermanPour,Ahmad Saatchi
احمد کرمانپور (استاد راهنما) احمد ساعت چی (استاد راهنما)
STUDENT
Gholamreza Mirshekari
غلامرضا میرشکاری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Evaluating the effect of similar and dissimilar laser welding of nickel-titanium shape memory alloy and post-weld heat treatment on microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of the joint
The unique properties of nickel-titanium (NiTi) alloy, such as its shape memory effect, super-elasticity and biocompatibility, make it ideal material in various fields such as aerospace and automotive industries, micro-electronics and medical devices. In this regard, joining of this material to itself and to other materials is of considerable importance, and great attention has been given to it during past few years. Stainless steels are one of the dominant materials which are widely used in different applications especially in medical devices owing to their mechanical properties, workability, low cost and corrosion resistance. Therefore, joining of NiTi to stainless steel would be desirable for widening of its applications. Due to the low and precise heat input, low energy density, small fusion and heat affected zones, low residual stress, low weld distortion and high welding speed, laser welding is a suitable technique to join NiTi alloy. Hence, in this work, a comparative study on Nd:YAG laser welding of NiTi wire to itself and to AISI 304 stainless steel wire has been made. Moreover, to provide some foundation for improving the properties of the dissimilar laser welded NiTi-stainless steel wires joint, the effect of post-weld heat treatments on the joint properties of the dissimilar joint has been investigated. Microstructures, phase transformation behavior and mechanical properties of the laser joints were investigated using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction analysis (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), vickers microhardness (HV 0.2 ) and tensile testing techniques. Corrosion behavior of weldments in the Ringer’s physiological solution at 37 ?C was also investigated using open circuit potential, potentiodynamic polarization and immersion tests. Results indicated that the tensile strength of similar NiTi laser joint was 835 MPa (about 63% of the tensile strength of the as-received NiTi wire) with rupture strain of about 16%. This joint also possessed the superelastic property and enabled the possibility to benefit from the pseudo-elastic behavior of the NiTi component. However, tensile strength and strain decreased significantly after dissimilar laser welding of NiTi to stainless steel due to the formation of brittle intermetallic compounds in the weld zone during laser welding. In addition, for the similar laser joint, corrosion resistance of the weld metal was better than that of the base metal. On the other hand, for the dissimilar laser joint, the weld metal exhibited remarkable corrosion resistance which was close to the corrosion resistance of the stainless steel and better than that of the NiTi. Also, post-weld heat treatments of laser welded NiTi shape memory alloy to stainless steel wire showed remarkable effects on mechanical properties and corrosion behavior of the welded wires. Post-weld heat treatment at 200 ?C increased corrosion resistance and tensile strength of the joint up to ~1.8 times that of the as-weld, with no heat treatment, joint. Post-weld heat treatment at 400 ?C, on the contrary, deteriorated the mechanical properties and corrosion behavior mainly due to precipitation of newly made intermetallic compounds in the weld zone. The conclusion was that the post-weld heat treatment temperature must critically be controlled in order to improve the properties of the laser welded dissimilar NiTi-stainless steel joint. Keywords: NiTi shape memory alloy, Stainless steel, Laser welding, Post-weld heat treatment.
خواص منحصر به فرد آلیاژ نیکل-تیتانیم (NiTi) نظیر اثر حافظه داری، سوپرالاستیسیته و زیست سازگاری، استفاده گسترده از این آلیاژ را در زمینه های گوناگون همانند صنایع هوافضا، صنایع خودروسازی و ساخت ابزارآلات الکترونیکی و پزشکی میسر ساخته است. در این راستا، اتصال و جوشکاری این آلیاژ به صورت مشابه و غیرمشابه با سایر آلیاژها از اهمیت قابل توجهی برخوردار بوده و در سال های اخیر توجه بسیاری به آن مبذول شده است. فولادهای زنگ نزن یکی از آلیاژهای پرکاربرد می باشند که به دلیل خواص مکانیکی و کارپذیری مطلوب، قیمت مناسب و مقاومت به خوردگی بالا در زمینه های گوناگون به ویژه ساخت ابزارآلات پزشکی کاربرد فراوان دارند. از این رو، اتصال آلیاژ نیکل-تیتانیم به فولاد زنگ نزن می تواند منجر به گسترش کاربرد این آلیاژ در زمینه های گوناگون شود. جوشکاری لیزر به دلیل حرارت ورودی کم و تمرکز حرارتی بالا، کاهش قابل ملاحظه ناحیه متاثر از حرارت و ناحیه جوش، میزان پایین تنش پسماند و اعوجاج در قطعه کار و سرعت جوشکاری بالا، روشی مناسب برای جوشکاری آلیاژ نیکل-تیتانیم می باشد. از این رو در این تحقیق، جوشکاری لیزر Nd:YAG سیم نیکل-تیتانیم به صورت مشابه و غیرمشابه با سیم فولاد زنگ نزن 304 مورد بررسی قرار گرفت. بعلاوه، به منظور دستیابی به روشی جهت بهبود خواص اتصال غیرمشابه سیم های نیکل-تیتانیم و فولاد زنگ نزن، تاثیر عملیات حرارتی پس از جوشکاری بر خواص اتصال غیرمشابه بررسی شد. ریزساختار، رفتار استحاله های فازی و خواص مکانیکی اتصالات با استفاده از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، آنالیز تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS)، پراش پرتو ایکس (XRD)، آنالیز گرماسنجی افتراقی (DSC)، میکروسختی سنج ویکرز و آزمون کشش مورد بررسی قرار گرفتند. رفتار خوردگی قطعات جوشکاری شده نیز با استفاده از آزمون های پتانسیل مدار باز، پلاریزاسیون پتانسیودینامیک و غوطه وری در محلول فیزیولوژیک رینگر در دمای 37 درجه سانتیگراد مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که استحکام کششی اتصال مشابه نیکل-تیتانیم معادل MPa 835 (در حدود 63% استحکام سیم نیکل-تیتانیم) با کرنشی در حدود 16% می باشد. اتصال بدست آمده همچنین دارای خاصیت سوپرالاستیک بوده و رفتار شبه الاستیک این آلیاژ را حفظ می کند. این در حالی است که، استحکام کششی و کرنش اتصال غیرمشابه نیکل-تیتانیم به فولاد زنگ نزن به دلیل تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد در ناحیه جوش افت قابل توجهی داشت. همچنین در اتصال مشابه، فلز جوش مقاومت به خوردگی بهتری نسبت به فلز پایه از خود نشان داد. از سوی دیگر در اتصال غیرمشابه، فلز جوش از مقاومت به خوردگی قابل توجه، نزدیک به فولاد زنگ نزن و بهتر از نیکل-تیتانیم برخوردار بود. بعلاوه، عملیات حرارتی پس از جوشکاری نشان داد که تاثیرات بسزایی بر خواص مکانیکی و رفتار خوردگی اتصال غیرمشابه نیکل-تیتایم به فولاد زنگ نزن دارد. عملیات حرارتی پس از جوشکاری در دمای 200 درجه سانتیگراد منجر به بهبود مقاومت به خوردگی و استحکام کششی اتصال تا حدود 8/1 برابر نمونه مشابه قبل از عملیات حرارتی شد؛ در حالیکه، افزایش دمای عملیات حرارتی تا 400 درجه سانتیگراد، منجر به افت خواص مکانیکی و رفتار خوردگی اتصال بر اثر تشکیل ترکیبات بین فلزی بیشتر در ناحیه جوش گردید. بنابراین، کنترل دمای عملیات حرارتی پس از جوشکاری به منظور بهبود خواص اتصال غیرمشابه نیکل-تیتانیم به فولاد زنگ نزن حائز اهمیت می باشد. کلمات کلیدی: آلیاژ حافظه دار نیکل-تیتانیم، فولاد زنگ نزن، جوشکاری لیزر، عملیات حرارتی پس از جوشکاری.