SUPERVISOR
Ahmad KermanPour,Ahmad Saatchi
احمد کرمانپور (استاد راهنما) احمد ساعت چي (استاد راهنما)
STUDENT
Gholamreza Mirshekari
غلامرضا ميرشکاري
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 آلياژ نيکل-تيتانيم (NiTi) نظير اثر حافظه داري، سوپرالاستيسيته و زيست سازگاري، استفاده گسترده از اين آلياژ را در زمينه هاي گوناگون همانند صنايع هوافضا، صنايع خودروسازي و ساخت ابزارآلات الکترونيکي و پزشکي ميسر ساخته است. در اين راستا، اتصال و جوشکاري اين آلياژ به صورت مشابه و غيرمشابه با ساير آلياژها از اهميت قابل توجهي برخوردار بوده و در سال هاي اخير توجه بسياري به آن مبذول شده است. فولادهاي زنگ نزن يکي از آلياژهاي پرکاربرد مي باشند که به دليل خواص مکانيکي و کارپذيري مطلوب، قيمت مناسب و مقاومت به خوردگي بالا در زمينه هاي گوناگون به ويژه ساخت ابزارآلات پزشکي کاربرد فراوان دارند. از اين رو، اتصال آلياژ نيکل-تيتانيم به فولاد زنگ نزن مي تواند منجر به گسترش کاربرد اين آلياژ در زمينه هاي گوناگون شود. جوشکاري ليزر به دليل حرارت ورودي کم و تمرکز حرارتي بالا، کاهش قابل ملاحظه ناحيه متاثر از حرارت و ناحيه جوش، ميزان پايين تنش پسماند و اعوجاج در قطعه کار و سرعت جوشکاري بالا، روشي مناسب براي جوشکاري آلياژ نيکل-تيتانيم مي باشد. از اين رو در اين تحقيق، جوشکاري ليزر Nd:YAG سيم نيکل-تيتانيم به صورت مشابه و غيرمشابه با سيم فولاد زنگ نزن 304 مورد بررسي قرار گرفت. بعلاوه، به منظور دستيابي به روشي جهت بهبود خواص اتصال غيرمشابه سيم هاي نيکل-تيتانيم و فولاد زنگ نزن، تاثير عمليات حرارتي پس از جوشکاري بر خواص اتصال غيرمشابه بررسي شد. ريزساختار، رفتار استحاله هاي فازي و خواص مکانيکي اتصالات با استفاده از ميکروسکوپ نوري، ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM)، آناليز تفکيک انرژي پرتو ايکس (EDS)، پراش پرتو ايکس (XRD)، آناليز گرماسنجي افتراقي (DSC)، ميکروسختي سنج ويکرز و آزمون کشش مورد بررسي قرار گرفتند. رفتار خوردگي قطعات جوشکاري شده نيز با استفاده از آزمون هاي پتانسيل مدار باز، پلاريزاسيون پتانسيوديناميک و غوطه وري در محلول فيزيولوژيک رينگر در دماي 37 درجه سانتيگراد مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج نشان داد که استحکام کششي اتصال مشابه نيکل-تيتانيم معادل MPa 835 (در حدود 63% استحکام سيم نيکل-تيتانيم) با کرنشي در حدود 16% مي باشد. اتصال بدست آمده همچنين داراي خاصيت سوپرالاستيک بوده و رفتار شبه الاستيک اين آلياژ را حفظ مي کند. اين در حالي است که، استحکام کششي و کرنش اتصال غيرمشابه نيکل-تيتانيم به فولاد زنگ نزن به دليل تشکيل ترکيبات بين فلزي ترد در ناحيه جوش افت قابل توجهي داشت. همچنين در اتصال مشابه، فلز جوش مقاومت به خوردگي بهتري نسبت به فلز پايه از خود نشان داد. از سوي ديگر در اتصال غيرمشابه، فلز جوش از مقاومت به خوردگي قابل توجه، نزديک به فولاد زنگ نزن و بهتر از نيکل-تيتانيم برخوردار بود. بعلاوه، عمليات حرارتي پس از جوشکاري نشان داد که تاثيرات بسزايي بر خواص مکانيکي و رفتار خوردگي اتصال غيرمشابه نيکل-تيتايم به فولاد زنگ نزن دارد. عمليات حرارتي پس از جوشکاري در دماي 200 درجه سانتيگراد منجر به بهبود مقاومت به خوردگي و استحکام کششي اتصال تا حدود 8/1 برابر نمونه مشابه قبل از عمليات حرارتي شد؛ در حاليکه، افزايش دماي عمليات حرارتي تا 400 درجه سانتيگراد، منجر به افت خواص مکانيکي و رفتار خوردگي اتصال بر اثر تشکيل ترکيبات بين فلزي بيشتر در ناحيه جوش گرديد. بنابراين، کنترل دماي عمليات حرارتي پس از جوشکاري به منظور بهبود خواص اتصال غيرمشابه نيکل-تيتانيم به فولاد زنگ نزن حائز اهميت مي باشد. کلمات کليدي: آلياژ حافظه دار نيکل-تيتانيم، فولاد زنگ نزن، جوشکاري ليزر، عمليات حرارتي پس از جوشکاري.