توسعه پوشش هاي کامپوزيتي پايه نيکل بر زيرلايه فولاد زنگ نزن L304 و ارزيابي خواص آن ها

STUDENT

DEGREE

YEAR

Austenitic stainless steels have found their wide applications in different industries due to the high corrosion resistance, good formability and appropriate weldability. However, the wear resistance of stainless steels reduces at high temperatures which can limit some of their possible applications. Surface engineering methods can be used as a solution to improve the surface mechanical properties of stainless steels. In the present study, Inconel 718 claddings were prepared on the surface of 304L stainless steel by using gas tungsten arc welding (GTAW) method. The microstructure and high temperature wear properties of the claddings were carefully investigated. The effect of dilution and the addition of Al 2 O 3 particles were also studied. The microstructure of the claddings was investigated by scanning electron microscopy (SEM) while the hardness and yield strength were measured by nanoindentation method. The wear behavior of substrate and claddings was investigated at room and high temperatures by using high chromium tool steel and Al 2 O 3 balls, respectively. It was found that the microstructure of single layer IN718 cladding consists of a ? phase matrix and Nb-rich laves phase. The chemical composition of ? matrix and also the content of laves phases are different at different parts of the claddings. The microstructure of double layer IN718 cladding is found to be similar to the single layer cladding but with high amount of TiC carbides close to the interface of steel substrate. This was related to the thermal cycle of the second pass of the cladding process. Homogenous distribution of Al 2 O 3 particles were found in the microstructure of the composite cladding. The addition of Al 2 O 3 resulted in the enhancement of hardness and yield strength of the composite cladding compared to the single layer and double layer IN718 claddings. The composite cladding shows inferior wear resistance compared to the double pass IN718, despite of its higher hardness. The abrasive wear mechanism was recognized as the dominant wear mechanism for all of the claddings at 500 °C. It was also observed that the wear debris form a glazed layer on the top of wear track during high temperature wear test, resulted in the reduction of wear rate. However, the Al 2 O 3 particles deteriorate this glazed layer, led to the high wear rate of the composite cladding. Annealing of the double layer IN718 cladding at 1080 °C followed by two stage aging at 720 and 620 °C led the dissolution of laves phases and precipitation of fine intermetallics and/or carbide phases, resulted in considerable increase in the hardness of cladding as well as reduction of wear rate. Keywords : Cladding, Austenitic stainless steels, IN718, High temperature wear test, Nanoindentation, laves phase, Nb and Ti-rich intermetallic compounds

فولادهاي زنگ نزن آستنيتي به دليل خواصي از جمله رفتار خوردگي مطلوب در بسياري از محيط هاي خورنده، شکل پذيري عالي و جوش پذيري مطلوب کاربردهاي فراواني در صنايع گوناگون دارند. با اين حال اين فولادها ويژگي هاي مطلوبي در دماي بالا نداشته و مقاومت به سايش دماي بالا و اکسيداسيون ضعيفي از خود نشان مي دهند. روش هاي مبتني بر مهندسي سطح از طريق ايجاد يک پوشش مقاوم به دماي بالا مي تواند بسياري از معايب ذکر شده را رفع نمايند. در اين پژوهش روکش هاي اينکونل 718 با روش قوسي تنگستن بر زيرلايه فولاد زنگ نزن آستنيتي L304 پوشش داده شد و ريزساختار و رفتار سايشي دماي بالاي آن با دقت مورد ارزيابي قرار گرفت. علاوه بر اين، تاثير پديده رقت و همچنين ذرات تقويت کننده Al 2 O 3 بر خواص مکانيکي روکش اينکونل 718 و رفتار سايشي آن مورد بررسي قرار گرفت. ريزساختار روکش ها با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي مجهز به طيف نگار تفکيک انرژي و سختي و استحکام تسليم آن ها با استفاده از آزمون نانوفرورونده تعيين شد. آزمون سايش نيز در دو دماي محيط ( با استفاده از گلوله فولادي) و دماي 500 درجه سانتي گراد (با استفاده از گلوله اکسيد آلومينيوم ) جهت بررسي تاثير روکش کاري بر رفتار سايشي فولاد زنگ نزن L304 انجام گرفت. نتايج اين پژوهش نشان داد که ريزساختار روکش اينکونل 718 تک پاس از دو فاز ? ( محلول جامد پايه نيکل) و فاز لاوه غني از نيوبيوم تشکيل شده است. بررسي ترکيب شيميايي فاز ? با استفاده از طيف نگار تفکيک انرژي نشان داد که اين فاز در نواحي فوقاني روکش حاوي درصد بيشتري از عناصر نيوبيوم و موليبدن است. از سوي ديگر، ميزان فازهاي لاوه با فاصله گرفتن از فصل مشترک روکش/ زيرلايه بيشتر شده و در نواحي نزديک به سطح روکش به بيشينه خود مي رسد. ريزساختار روکش اينکونل 718 دوپاس از لحاظ فازي شباهت بسياري به ريزساختار روکش تک پاس داشت؛ با اين تفاوت که در نواحي فصل مشترکي با زيرلايه مقادير اندکي از کاربيدهاي تيتانيوم نيز يافت شدکه مي تواند در اثر پديده نفوذ ناشي از سيکل حرارتي پاس دوم ايجاد شده باشد. استفاده از روش دوغابي در افزودن ذرات تقويت کننده سبب توزيع يکنواخت ذرات ميکرومتري Al 2 O 3 در ريزساختار روکش شد. استحکام تسليم روکش ها و زيرلايه با استفاده از آزمون نانوفرورونده محاسبه شد و روکش حاوي Al 2 O 3 نسبت به سايرين سختي و استحکام تسليم بيشتري از خود نشان داد. همچنين رفتار مکانيکي روکش دوپاس نسبت به روکش تک پاس به دليل رقت کمتر مطلوب تر بود. اين در حالي است که در آزمون سايش دماي بالا روکش اينکونل 718 دوپاس علي رغم سختي کمتر نسبت به روکش حاوي Al 2 O 3 داراي مقاومت به سايش بالاتري بود. مکانيزم سايش دماي بالاي روکش هاي اينکونل 718 از نوع سايش خراشان تشخيص داده شد. همچنين مشاهده شد که براده هاي سايش ايجاد شده در دماي بالا به يکديگر آگلومره شده و نواحي لعابي مقاوم به سايشي را ايجاد مي کنند. حضور ذرات افزودني آلومينا مانع از تشکيل موثر اين لايه مي باشد. عمليات حرارتي آنيل انحلالي در دماي 1080 درجه سانتي گراد و پيرسازي دو مرحله اي در دو دماي 720 و 620 درجه سانتي گراد منجر به انحلال فازهاي لاوه و رسوب ترکيبات بين فلزي غني از نيوبيوم و غني از تيتانيوم در ساختار روکش گرديد. اين تغيير ريزساختاري افزايش قابل ملاحظه سختي و بهبود رفتار سايشي دماي بالا نسبت به روکش اينکونل 718 دوپاس را در پي داشت. کلمات کليدي: روکش کاري جوشي، اينکونل 718، فولاد زنگ نزن آستنيتي، آزمون سايش دماي بالا، آزمون نانوفرورونده، فاز لاوه، ترکيبات بين فلزي غني از نيوبيوم و تيتانيوم