Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad KermanPour
احمد کرمانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Fazlollah Sadeghi Hosnijeh
فضل اله صادقي هسنيجه

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Investigating the effect of withdrawal velocity on microstructure and mechanical properties in directional solidification of P14 single crystal Nickel-based superalloy
Development of gas turbine blades has been considered by both university and industrial researchers in the last few years. The effect of withdrawal velocity of a single crystal Nickel-based superalloy on microstructural and mechanical properties was investigated in the current work. For this purpose, directional solidification tests of ceramic mold specimens including spiral grain selector were conducted under determinate withdrawal velocities of 1, 2, 3, 6, and 9 mm/min inside a laboratory-scale Bridgeman vacuum furnace. Microstructural examinations were performed to obtain dendritic spacing. Scanning electron microscopy was used to study the segregation on cross sections of the specimens. Studying the orientation of the single crystal was performed by both EBSD and RO-XRD methods and the results were analyzed. A numerical simulation model for predicting the grain structure of the single crystal was also developed. Microstructure of the specimens include dendrites that are grown opposite but parallel to the heat flux direction. Suddenly increasing the withdrawal velocity results in gradual decreasing of the primary and secondary dendrite spacings. Transition distance of 15, 20, and 25 mm is needed for stability of dendritic structure after 2 to 3, 2 to 6, and 2 to 9 mm/min withdrawal transition, respectively. Results indicated that dendritic structure is dependent upon its initial solidification condition. For a constant secondary velocity, the more the initial velocity, the higher the dendritic spacing will be obtained. Crystal direction measurements obtained from both XRD and EBSD methods represented a good match between two methods. Increasing the initial withdrawal velocity leads to higher misorientation of the single crystal after passing spiral grain selector. Withdrawal transition also induced a misorientation in the single crystal. Results showed that higher initial misorientation results in more severe crystal orientation after withdrawal transition. Examination of hardness of the specimens revealed an increasing trend with increasing withdrawal velocity. High temperature stress rupture tests were also performed on samples. Mechanical tests showed that rupture lives of the samples depend on orientation of the single crystal so that, increasing crystal misorientation leads to decreasing rupture life and strain rate of the specimens. Keywords: Nickel-based superalloy; Single crystal; Bridgeman directional solidification; dendritic microstructure
چکيده در سال‌هاي اخير توسعه پره‌هاي توربين گازي نيروگاهي با ساختار دانه تک‌کريستال مورد توجه محققان دانشگاهي و صنعتي قرار گرفته است. در پژوهش حاضر تاثير سرعت سرد شدن در فرايند انجماد تک‌کريستال بر خصوصيات ريزساختاري و خواص مکانيکي سوپرآلياژ پايه نيکل P14 مورد بررسي قرار گرفته است. بدين منظور آزمون‌هاي انجماد جهت‌دار در قالب‌هاي سراميکي حاوي مارپيچ انتخاب‌کننده دانه تحت رژيم‌هاي معين سرعت کشش شامل 1، 2، 3، 6 و 9 ميلي‌متر بر دقيقه در سيستم بريجمن تحت خلا انجام گرديد. بررسي‌هاي ريزساختاري توسط ميکروسکوپ نوري جهت اندازه‌گيري فواصل بين دندريتي انجام شد. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني جهت بررسي جدايش عناصر آلياژي از مقاطع عرضي نمونه‌هاي ريختگي در تمامي سرعت‌هاي کشش تهيه شد. مطالعه روي جهت‌گيري کريستالي توسط دو روش آناليز EBSD و XRD روي نمونه‌هاي تک‌کريستال انجام گرفته و نتايج بدست آمده مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت. همچنين جهت بررسي دقيق‌تر فرايند انجماد تک‌کريستال، يک مدل شبيه‌سازي عددي براي تشکيل ساختار دانه در اين فرايند توسعه داده شد. ساختار ريختگي تک‌کريستال سوپرآلياژ شامل دندريت‌هاي موازي رشد يافته در راستاي انتقال حرارت بود. افزايش سرعت سرد شدن موجب کاهش فواصل بين دندريتي اوليه و ثانويه شد و معادلات مربوطه براي سوپرآلياژ P14 بدست آمد. نتايج بدست آمده حاکي از انطباق تدريجي فواصل بين دندريتي طي افزايش ناگهاني سرعت کشش بود. فاصله گذراي 15، 20 و 25 ميلي‌متري براي پايدار شدن ساختار دندريتي پس از تغيير سرعت 3®2، 6®2 و 9®2 ميلي‌متر بر دقيقه بدست آمد. نتايج بدست آمده نشان داد که فواصل بين دندريتي پس از تغيير سرعت به شرايط انجماد اوليه خود (تاريخچه انجمادي) وابسته‌اند؛ بگونه‌اي که براي يک سرعت ثانويه يکسان، هرچه سرعت اوليه بيشتر باشد، اندازه فاصله دندريتي مقدار بزرگتري خواهد داشت. آناليز جهت‌گيري تک‌کريستال با استفاده از روش‌هاي الکترون‌هاي برگشتي (EBSD) و اشعه ايکس در محل‌هاي قبل و بعد از تغيير سرعت نشان از همخواني نتايج بدست آمده از دو روش داشت. بررسي‌هاي صورت گرفته روي پيشرفت جبهه انجماد نشان داد که افزايش سرعت کشش از 2 به 3، 2 به 6 و 2 به 9 ميلي‌متر بر دقيقه منجر به ازدياد انحراف کريستالي به‌ترتيب 2، 6 و 1 درجه پس از عبور از مارپيچ انتخاب کننده دانه خواهد شد. جهت‌گيري ترجيحي ساختار تک‌کريستال نسبت به راستاي انتقال حرارت با افزايش سرعت کشش اندکي تغيير يافت. نتايج نشان داد که هرچه انحراف اوليه تک‌کريستال بيشتر باشد، اين تغيير جهت‌گيري شديدتر خواهد بود. بررسي‌هاي سختي نمونه‌هاي تک‌کريستال نشان دهنده افزايش 20 درصدي سختي با افزايش سرعت کشش از 2 تا 9 ميلي‌متر بر دقيقه بود. بعلاوه آزمون تنش-گسيختگي روي نمونه‌هاي تک‌کريستال در دماي بالا انجام گرفت. نتايج نشان داد که عمر خزشي نمونه‌هاي تک‌کريستال رشد داده شده در سرعت‌هاي مختلف عمدتا تابع جهت‌گيري کريستالي نمونه مي‌باشد؛ به طوري که افزايش ميزان انحراف کريستالي نمونه منجر به کاهش عمر خزشي و افزايش نرخ کرنش آن خواهد شد. کلمات کليدي: سوپرآلياژ پايه نيکل P14، انجماد تک‌کريستال، روش بريجمن، ساختار دندريتي

ارتقاء امنیت وب با وف بومی