SUPERVISOR
Morteza Shamanian esfahani,Masoud Atapoor
مرتضي شمعانيان اصفهاني (استاد راهنما) مسعود عطاپور (استاد راهنما)
STUDENT
Ali Jalali
علي جلالي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Investigation of Dissimilar Bonding Between Ti-6Al-4V alloy and UNS 32750 Superduplex Stainless steel by Transient Liquid Phase Process
The bonding of stainless steel to titanium and its alloys has attracted great attention in various industries, including medicine, aerospace and chemical. In this study, the effect of temperature and time on the dissimilar bonding of UNS 32750 superduplex stainless steel to Ti-6Al-4V alloy using a transient liquid phase method has been studied. For this purpose, at first, samples were prepared with dimensions of 4x10x10 mm and their surface was prepared by grinding and degreasing with acetone. The interlayer was made of pure copper for bonding. The sandwich panels are placed in an appropriate fixture so that the middle layer between the two base metals is placed. The samples were first placed in a vacuum chamber at 60 minutes and four different temperatures of 890, 920, 950 and 980 0 C. After determining the best temperature from the selected temperatures, the effect of time on constant temperature was investigated. The bonded specimens were cut off and subjected to standard metallography methods for microstructural studies. The optical microscope and the scanning electron microscope were used to study the microstructure. Also, to determine the chemical composition of the phases and also to study the change in the concentration of alloying elements in the bonding zone, an electron microscope equipped with energy dispersive spectroscopy was used. The results of temperature change at constant time of 60 min showed that with increasing temperature, the isothermal solidification rate increased and at 980 0 C, the joint zone of solidified isothermally. The analysis of EDS and EBSD showed that although the temperature increased leads to isothermal solidification of the joints, but due to the greater diffusion of titanium to steel and the formation of Ti-Fe based intermetallic compounds, the average hardness in the bonding zone increased and the bond strength decreases. The highest bond strength was measured at 271 MPa at 890 ° C. Also, the morphology of the fracture surfaces indicates that the failure mode is turned into brittle with increasing temperature. The temperature of 890 ° C was chosen as the best temperature, and the effect of the bonding time at 890 ° C on the components was evaluated. For this purpose, four different times 20, 40, 60 and 80 minutes were used for bonding. The results of microstructural studies showed that at 20 min due to the low opportunity for diffusion of alloying elements from the side of the middle layer to the base metals, and vice versa, the relatively high copper phases in the central region of the joint remained and thus The titanium diffusion toward steel and the formation of brittle intermetallic compounds are largely prevented. As the bonding time increases, the time for the diffusion increases, thus increasing the dissolution of the base metal and increasing the width of the bonding zone. Therefore, two factors of increase the width of the binding area and increase the brittle intermediate components in the bonding zone, reduce the bond strength by increasing the bonding time. The highest strength of 437 MPa was obtained for the joint created at 20 minutes. The electron microscope images of the fracture surfaces also indicate the formation of cleavage surfaces at a bonding time of 80 minutes, which is the reason for the brittle failure mechanism in the joints with the increase of bonding time. As a result, the temperature of 890 0 C and the time of 20 minutes are the best condition for joint the Ti-6Al-4V alloy to UNS 32750 superduplex stainless steel by transient liquid phase techniques.
چکيده اتصال فولاد زنگ نزن به تيتانيم و آلياژهاي آن در صنايع مختلفي از جمله پزشکي، هوافضا و شيميايي مورد توجه زيادي قرار گرفته است. در اين پژوهش تاثير دما و زمان پيونددهي بر اتصال فولاد زنگ نزن سوپردوفازي UNS 32750 به آلياژ Ti-6Al-4V با استفاده از روش فاز مايع گذرا مورد مطالعه قرار گرفته است. بدين منظور ابتدا نمونه هايي با ابعاد mm 4?10 ?10 تهيه شده و سطح آنها به وسيله سمباده زني و چربي زدايي با استون آماده سازي شد. لايه مياني از جنس مس خالص جهت اتصال دهي مورد استفاده قرار گرفت. قطعات به صورت ساندويچي به گونه اي که لايه مياني بين دو فلز پايه قرار داشت در داخل نگهدارنده مناسب قرار داده شد. نمونه ها ابتدا در زمان ثابت 60 دقيقه و چهار دماي متفاوت 890، 920، 950 و 980 درجه سانتي گراد در داخل کوره خلا قرار گرفتند. پس از تعيين بهترين دما از بين دماهاي انتخاب شده، به بررسي تاثير زمان در دماي ثابت پرداخته شد. نمونه هاي پيونددهي شده پس از خارج شدن از کوره، مقطع زده شدند و جهت مطالعات ريزساختاري تحت عمليات استاندارد متالوگرافي قرار گرفتند. جهت بررسي ريزساختار اتصال از ميکروسکوپ نوري و همچنين ميکروسکوپ الکتروني روبشي استفاده شد. همچنين جهت تعيين ترکيب شيمايي فازهاي تشکيل شده و همچنين بررسي تغيير غلظت عناصر آلياژي در منطقه اتصال از ميکروسکوپ الکتروني مجهز به آناليز تفکيک انرژي بهره برده شد. نتايج حاصل از تغييرات دماي اتصال دهي در زمان ثابت 60 دقيقه نشان داد که با افزايش دما، نرخ انجماد همدما افزايش يافته و در دماي 980 درجه سانتي گراد، منطقه اتصال انجماد همدما را تجربه مي کند. آناليز EDS و EBSD نشان داد که اگرچه با افزايش دما، انجماد همدما در اتصالات بيشتر مي شود ولي به دليل نفوذ بيشتر تيتانيم به سمت فولاد و تشکيل ترکيبات بين فلزي بر پايه Ti-Fe، ميانگين سختي در منطقه اتصال افزايش مي يابد و استحکام اتصال کاهش مي يابد. بيشترين استحکام اتصال به مقدار 271 مگاپاسکال در دماي 890 درجه سانتي گراد اندازه گيري شد. همچنين مورفولوژي سطوح شکست نشان دهنده تبديل حالت شکست به ترد با افزايش دما مي باشد. بدين ترتيب دماي 890 درجه سانتي گراد به عنوان بهترين دما انتخاب شد و تاثير زمان اتصال دهي در دماي ثابت 890 درجه سانتي گراد بر روي قطعات مورد ارزيابي قرار گرفت. بدين منظور از چهار زمان متفاوت 20، 40، 60 و 80 دقيقه جهت اتصال دهي استفاده شد. نتايج حاصل از بررسي هاي ريزساختاري نشان داد که در زمان 20 دقيقه به دليل فرصت کم براي نفوذ عناصر آلياژي از سمت لايه مياني به سمت فلزات پايه و بالعکس، فازهاي نسبتا غني از مس در منطقه مرکزي اتصال باقي مي ماند و بدين صورت از نفوذ تيتانيم به سمت فولاد و تشکيل ترکيبات بين فلزي ترد تا حد زيادي جلوگيري مي شود. با افزايش زمان اتصال دهي زمان براي نفوذ عتاصر بيشتر شده و بدين صورت باعث افزايش انحلال فلز پايه و افزايش عرض منطقه اتصال مي شود. لذا دو عامل افزايش عرض منطقه اتصال و افزايش ترکيبات بين فلزي ترد در منطقه اتصال، باعث کاهش استحکام اتصال با افزايش زمان اتصال دهي مي شود. بيشترين استحکام 437 مگاپاسکال براي اتصال ايجاد شده در زمان 20 دقيقه بدست آمد. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني از سطوح شکست نيز نشان دهنده ايجاد سطوح کليواژي در زمان اتصال دهي 80 دقيقه است که دليلي بر مکانيزم شکست ترد در اتصالات با افزايش زمان اتصال دهي مي باشد. در نتيجه، از بين شرايط اتصال دهي به کار گرفته شده، دماي 890 درجه سانتي گراد و زمان 20 دقيقه، بهترين شرايط براي اتصال دهي آلياژ Ti-6Al-4V به فولاد زنگ نزن سوپردوفازي UNS 32750 توسط فرايند فاز مايع گذرا مي باشد.