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

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
در سال‌های اخیر توسعه پره‌های توربین گازی نیروگاهی با ساختار دانه تک‌کریستال مورد توجه محققان دانشگاهی و صنعتی قرار گرفته است. در پژوهش حاضر تاثیر سرعت سرد شدن در فرایند انجماد تک‌کریستال بر خصوصیات ریزساختاری و خواص مکانیکی سوپرآلیاژ پایه نیکل P14 مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور آزمون‌های انجماد جهت‌دار در قالب‌های سرامیکی حاوی مارپیچ انتخاب‌کننده دانه تحت رژیم‌های معین سرعت کشش شامل 1، 2، 3، 6 و 9 میلی‌متر بر دقیقه در سیستم بریجمن تحت خلا انجام گردید. بررسی‌های ریزساختاری توسط میکروسکوپ نوری جهت اندازه‌گیری فواصل بین دندریتی انجام شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی جهت بررسی جدایش عناصر آلیاژی از مقاطع عرضی نمونه‌های ریختگی در تمامی سرعت‌های کشش تهیه شد. مطالعه روی جهت‌گیری کریستالی توسط دو روش آنالیز EBSD و XRD روی نمونه‌های تک‌کریستال انجام گرفته و نتایج بدست آمده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. همچنین جهت بررسی دقیق‌تر فرایند انجماد تک‌کریستال، یک مدل شبیه‌سازی عددی برای تشکیل ساختار دانه در این فرایند توسعه داده شد. ساختار ریختگی تک‌کریستال سوپرآلیاژ شامل دندریت‌های موازی رشد یافته در راستای انتقال حرارت بود. افزایش سرعت سرد شدن موجب کاهش فواصل بین دندریتی اولیه و ثانویه شد و معادلات مربوطه برای سوپرآلیاژ P14 بدست آمد. نتایج بدست آمده حاکی از انطباق تدریجی فواصل بین دندریتی طی افزایش ناگهانی سرعت کشش بود. فاصله گذرای 15، 20 و 25 میلی‌متری برای پایدار شدن ساختار دندریتی پس از تغییر سرعت 3®2، 6®2 و 9®2 میلی‌متر بر دقیقه بدست آمد. نتایج بدست آمده نشان داد که فواصل بین دندریتی پس از تغییر سرعت به شرایط انجماد اولیه خود (تاریخچه انجمادی) وابسته‌اند؛ بگونه‌ای که برای یک سرعت ثانویه یکسان، هرچه سرعت اولیه بیشتر باشد، اندازه فاصله دندریتی مقدار بزرگتری خواهد داشت. آنالیز جهت‌گیری تک‌کریستال با استفاده از روش‌های الکترون‌های برگشتی (EBSD) و اشعه ایکس در محل‌های قبل و بعد از تغییر سرعت نشان از همخوانی نتایج بدست آمده از دو روش داشت. بررسی‌های صورت گرفته روی پیشرفت جبهه انجماد نشان داد که افزایش سرعت کشش از 2 به 3، 2 به 6 و 2 به 9 میلی‌متر بر دقیقه منجر به ازدیاد انحراف کریستالی به‌ترتیب 2، 6 و 1 درجه پس از عبور از مارپیچ انتخاب کننده دانه خواهد شد. جهت‌گیری ترجیحی ساختار تک‌کریستال نسبت به راستای انتقال حرارت با افزایش سرعت کشش اندکی تغییر یافت. نتایج نشان داد که هرچه انحراف اولیه تک‌کریستال بیشتر باشد، این تغییر جهت‌گیری شدیدتر خواهد بود. بررسی‌های سختی نمونه‌های تک‌کریستال نشان دهنده افزایش 20 درصدی سختی با افزایش سرعت کشش از 2 تا 9 میلی‌متر بر دقیقه بود. بعلاوه آزمون تنش-گسیختگی روی نمونه‌های تک‌کریستال در دمای بالا انجام گرفت. نتایج نشان داد که عمر خزشی نمونه‌های تک‌کریستال رشد داده شده در سرعت‌های مختلف عمدتا تابع جهت‌گیری کریستالی نمونه می‌باشد؛ به طوری که افزایش میزان انحراف کریستالی نمونه منجر به کاهش عمر خزشی و افزایش نرخ کرنش آن خواهد شد. کلمات کلیدی: سوپرآلیاژ پایه نیکل P14، انجماد تک‌کریستال، روش بریجمن، ساختار دندریتی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی