شکلدهی داغ آلیاژهای تیتانیم قسمت دوم
•
? خواص ماده:
ریزساختار ماده بعد از فورج داغ و اکسترود داغ هر دو یکنواخت و عالی است. در این ریزساختار فاز سفید بتا و فاز سیاه گاما بوده و سطح خاکستری ساختار لایهای را نشان میدهد اما چون فواصل لایهها نازک است ساختار لایهای بخوبی مشخص نیست. آنچه که در تصاویر ریزساختار نشان داده میشود بیانگر آن است که فاز آلفا بر فاز گاما غالب بوده و این میتواند به دلیل رسوب فاز گاما از آلفا باشد. اندازه دانه و فاصلههای لایهها در این آلیاژ کوچکتر از آلیاژهای Ti-Al معمولی هستند. این موضوع نتیجه کرنش پلاستیک بیشتر در حین اکستروژن و همینطور سرعت سرد کردن بالا است. عامل دیگر اندازه دانه کوچکتر فاز آلفا در حین نگهداری در دمای بالا قبل از فورج داغ در نظر گرفته میشود که به دلیل حضور بتا اتفاق میافتد. کسر سطحی لایهها این آلیاژ در حدود ?? درصد بوده که بطور واضح کمتر از آلیاژهای کاملا لایهای است اما در هر حال بخش اعظمی را اشغال کرده است. به نظر میرسد مشخصات ریزساختاری لایهها خواص آلیاژ را کنترل میکند.
? خواص مکانیکی:
استحکام کششی دمای اتاق آلیاژ اکسترود داغ شده بسیار زیاد است زیرا اندازه دانه و فواصل بین لایهها بسیار اندک است. با استفاده از فرمول هال-پیچ داده شده در مقاله با اندازه دانه ? میکرون تنش تسلیم باید ???? مگاپاسکال شود اما استحکام اندازهگیری شده ???? مگاپاسکال است، از مقدار پیشبینی شده کمتر، اما این مقدار با توجه به این واقعیت که کسر سطحی لایهها ?? درصد است، قابل قبول میباشد. یعنی استحکام بالای آلیاژ اکسترود داغ شده در نتیجه ساختاری با لایههای نازک بدست آمده است. استحکام در دمای ??? و حتی ??? درجه سانتیگراد نیز هنوز بالا و نزدیک استحکام دمای اتاق این آلیاژ است. نتیجه تست ضربه چارپی نیز برای یک آلیاژ TiAl قابل قبول و رضایت بخش بوده و نشاندهنده استحکام بالای این آلیاژ است. معمولا انرژی جذب چارپی مقاومت ماده به جوانهزنی و رشد ترک را نشان میدهد که این امر نیز به استحکام بستگی دارد. برای مواد فلزی انعطافپذیرتر این انرژی رشد بیشتر است و میتوان نتیجه گرفت که حتی انرژی جذب مواد با استحکام پایین نیز میتواند زیاد باشد. در هر حال چون انرژی جوانهزنی ترک در آلیاژ TiAl بسیار کوچک است پس انرژی جذب به مقدار زیادی به انرژی رشد ترک وابسته است. البته باید توجه شود برای همه فازهای حاوی ترکیبات بین فلزی مقاومت در برابر رشد ترک وجود ندارد. استحکام خزشی این آلیاژ نیز بیشتر از استحکام آلیاژ تیتانیم مقاوم حرارتی، سوپرآلیاژ آلفا ? ? یا سوپرآلیاژ پایه نیکل فورج شده اما کمتر از سوپرآلیاژ پایه نیکل ریخته شده، بدست آمد. دلیل آنکه چرا استحکام گسیختگی خزشی این آلیاژ به میزانی نیست که از استحکام بالای آن انتظار میرود، میتواند اندازه دانههای کوچک و وجود فاز بتا باشد. بنابراین فورج داغ این آلیاژ میتواند جایگزین فورج دیگر آلیاژهای متداول شود و در مواردی که به سبکی و استحکام بالا در دماهای بالا تا ??? درجه سانتیگراد نیاز باشد، بکار رود.
با توجه به تصاویر مشاهده شده از ریزساختار مشخص است که در فورج کمتر از دمای ???? درجه سانتیگراد ساختار لایهای تنها خمیده میشود اما در تغییرفرمهای در دمای بالاتر ساختار لایهای میشکند و ریزساختار به دلیل تبلور مجدد، همگن و یکنواخت میشود. پارامترهای مناسب در فرایند فورج آلیاژ TiAl خاص گفته شده با نایوبیم بالا، نرخ کرنش ???/? و دمای تغییرشکل ???? درجه سانتیگراد پیشنهاد میشود.
ویژگیهای خاص در کار داغ آلیاژهای حاوی نایوبیم با تغییر ساختاری بعد از شکلدهی داغ توسط ترکیب فشار و پیچش مشخص میشود. در هنگام استفاده از نمونههای تست کوچک برای تعیین خواص کار داغ، رفتار تغییر شکل فاز بتا اغلب قابلیت کارپذیری پایین آلیاژهای حاوی نایوبیم بالا را تحتالشعاع قرار میدهد.
بافت کریستالوگرافی در آلیاژهای TiAl کار داغ شده به دلیل ایجاد انعطافپذیری کششی اندک و چقرمگی شکست متوسط باید مورد توجه قرار گیرند. بافت (Texture) نه تنها بر خواص مکانیکی دمای پایین ماده بلکه بر توزیع کرنش و سیلان پلاستیک در حین شکلدهی ثانویه نیز تاثیر میگذارد.
? تاثیر تبلور مجدد و استحاله فاز:
بعد از کار داغ ماده بطور کامل مجددا متبلور میشود. در مشاهدات میکروسکوپ الکترونی بخوبی مشخص است که تبلور مجدد دینامیکی در فصل مشترک دوقلوییها یا دوقلوییهای غیر متحرک شروع میشود. کارسختی آلیاژهای پایه گاما در دماهای پایین و متوسط به واکنشهای الاستیک بزرگ که منجر به تشکیل اتصالات و حفرات چندگانه زیانبرجا میشوند، نسبت داده میشود. این فرایندها یقینا میزان انرژی کرنشی ذخیره شده را افزایش داده و برای تبلور مجدد مفید خواهند بود. اما برای تکامل ساختار تغییر شکل فاز گاما، پخش نابجاییهای معمولی با بردارهای برگرز قائم بسیار با اهمیت میباشد. به علاوه تغییرات حاصل از ترکیب آلیاژی نیز باید در نظر گرفته شود.
بطور کلی در شکلدهی آلیاژهای TiAl توجه به موارد زیر ضروری به نظر می رسد:
?) توسط اکستروژن داغ یا فورج در قالب بسته در یک مرحله رسیدن به کار زیاد بدون ترک امکانپذیر است.
?) توسط اندازه دانه متوسط ? میکرومتر و فواصل لایهای متوسط ?? نانومتر که ?? درصد کسر حجمی را تشکیل داده است در آلیاژ Ti-??Al-??V اکسترود داغ شده، ساختاری بسیار لایهای با لایههای نازک تشکیل میشود.
?) ا اثر دانههای ریزتر استحکام کششی را افزایش میدهد.
?. بر پایه شبیهسازی تغییر شکل آلیاژ TiAl حاوی نایوبیم بالا، پارامتر مناسب فورج برای این نوع آلیاژها دمای ???? درجه سانتیگراد و نرخ کرنش s-? ???/?پیشنهاد میشود.
?) در آلیاژهای TiAl حاوی مقادیر زیاد
Nb توسط کار داغ و تبلور مجدد همراه آن به ساختاری بسیار ریزدانه دست مییابیم.
?) ارتباط نزدیکی بین ترکیب شیمیایی، شرایط کار داغ و تکامل ریزساختار وجود دارد.
?) توسعه ریزساختار و بافت در حین عملیات توسط حالات تغییر شکل کنترل میشود.
ریزساختار ماده بعد از فورج داغ و اکسترود داغ هر دو یکنواخت و عالی است. در این ریزساختار فاز سفید بتا و فاز سیاه گاما بوده و سطح خاکستری ساختار لایهای را نشان میدهد اما چون فواصل لایهها نازک است ساختار لایهای بخوبی مشخص نیست. آنچه که در تصاویر ریزساختار نشان داده میشود بیانگر آن است که فاز آلفا بر فاز گاما غالب بوده و این میتواند به دلیل رسوب فاز گاما از آلفا باشد. اندازه دانه و فاصلههای لایهها در این آلیاژ کوچکتر از آلیاژهای Ti-Al معمولی هستند. این موضوع نتیجه کرنش پلاستیک بیشتر در حین اکستروژن و همینطور سرعت سرد کردن بالا است. عامل دیگر اندازه دانه کوچکتر فاز آلفا در حین نگهداری در دمای بالا قبل از فورج داغ در نظر گرفته میشود که به دلیل حضور بتا اتفاق میافتد. کسر سطحی لایهها این آلیاژ در حدود ?? درصد بوده که بطور واضح کمتر از آلیاژهای کاملا لایهای است اما در هر حال بخش اعظمی را اشغال کرده است. به نظر میرسد مشخصات ریزساختاری لایهها خواص آلیاژ را کنترل میکند.
? خواص مکانیکی:
استحکام کششی دمای اتاق آلیاژ اکسترود داغ شده بسیار زیاد است زیرا اندازه دانه و فواصل بین لایهها بسیار اندک است. با استفاده از فرمول هال-پیچ داده شده در مقاله با اندازه دانه ? میکرون تنش تسلیم باید ???? مگاپاسکال شود اما استحکام اندازهگیری شده ???? مگاپاسکال است، از مقدار پیشبینی شده کمتر، اما این مقدار با توجه به این واقعیت که کسر سطحی لایهها ?? درصد است، قابل قبول میباشد. یعنی استحکام بالای آلیاژ اکسترود داغ شده در نتیجه ساختاری با لایههای نازک بدست آمده است. استحکام در دمای ??? و حتی ??? درجه سانتیگراد نیز هنوز بالا و نزدیک استحکام دمای اتاق این آلیاژ است. نتیجه تست ضربه چارپی نیز برای یک آلیاژ TiAl قابل قبول و رضایت بخش بوده و نشاندهنده استحکام بالای این آلیاژ است. معمولا انرژی جذب چارپی مقاومت ماده به جوانهزنی و رشد ترک را نشان میدهد که این امر نیز به استحکام بستگی دارد. برای مواد فلزی انعطافپذیرتر این انرژی رشد بیشتر است و میتوان نتیجه گرفت که حتی انرژی جذب مواد با استحکام پایین نیز میتواند زیاد باشد. در هر حال چون انرژی جوانهزنی ترک در آلیاژ TiAl بسیار کوچک است پس انرژی جذب به مقدار زیادی به انرژی رشد ترک وابسته است. البته باید توجه شود برای همه فازهای حاوی ترکیبات بین فلزی مقاومت در برابر رشد ترک وجود ندارد. استحکام خزشی این آلیاژ نیز بیشتر از استحکام آلیاژ تیتانیم مقاوم حرارتی، سوپرآلیاژ آلفا ? ? یا سوپرآلیاژ پایه نیکل فورج شده اما کمتر از سوپرآلیاژ پایه نیکل ریخته شده، بدست آمد. دلیل آنکه چرا استحکام گسیختگی خزشی این آلیاژ به میزانی نیست که از استحکام بالای آن انتظار میرود، میتواند اندازه دانههای کوچک و وجود فاز بتا باشد. بنابراین فورج داغ این آلیاژ میتواند جایگزین فورج دیگر آلیاژهای متداول شود و در مواردی که به سبکی و استحکام بالا در دماهای بالا تا ??? درجه سانتیگراد نیاز باشد، بکار رود.
با توجه به تصاویر مشاهده شده از ریزساختار مشخص است که در فورج کمتر از دمای ???? درجه سانتیگراد ساختار لایهای تنها خمیده میشود اما در تغییرفرمهای در دمای بالاتر ساختار لایهای میشکند و ریزساختار به دلیل تبلور مجدد، همگن و یکنواخت میشود. پارامترهای مناسب در فرایند فورج آلیاژ TiAl خاص گفته شده با نایوبیم بالا، نرخ کرنش ???/? و دمای تغییرشکل ???? درجه سانتیگراد پیشنهاد میشود.
ویژگیهای خاص در کار داغ آلیاژهای حاوی نایوبیم با تغییر ساختاری بعد از شکلدهی داغ توسط ترکیب فشار و پیچش مشخص میشود. در هنگام استفاده از نمونههای تست کوچک برای تعیین خواص کار داغ، رفتار تغییر شکل فاز بتا اغلب قابلیت کارپذیری پایین آلیاژهای حاوی نایوبیم بالا را تحتالشعاع قرار میدهد.
بافت کریستالوگرافی در آلیاژهای TiAl کار داغ شده به دلیل ایجاد انعطافپذیری کششی اندک و چقرمگی شکست متوسط باید مورد توجه قرار گیرند. بافت (Texture) نه تنها بر خواص مکانیکی دمای پایین ماده بلکه بر توزیع کرنش و سیلان پلاستیک در حین شکلدهی ثانویه نیز تاثیر میگذارد.
? تاثیر تبلور مجدد و استحاله فاز:
بعد از کار داغ ماده بطور کامل مجددا متبلور میشود. در مشاهدات میکروسکوپ الکترونی بخوبی مشخص است که تبلور مجدد دینامیکی در فصل مشترک دوقلوییها یا دوقلوییهای غیر متحرک شروع میشود. کارسختی آلیاژهای پایه گاما در دماهای پایین و متوسط به واکنشهای الاستیک بزرگ که منجر به تشکیل اتصالات و حفرات چندگانه زیانبرجا میشوند، نسبت داده میشود. این فرایندها یقینا میزان انرژی کرنشی ذخیره شده را افزایش داده و برای تبلور مجدد مفید خواهند بود. اما برای تکامل ساختار تغییر شکل فاز گاما، پخش نابجاییهای معمولی با بردارهای برگرز قائم بسیار با اهمیت میباشد. به علاوه تغییرات حاصل از ترکیب آلیاژی نیز باید در نظر گرفته شود.
بطور کلی در شکلدهی آلیاژهای TiAl توجه به موارد زیر ضروری به نظر می رسد:
?) توسط اکستروژن داغ یا فورج در قالب بسته در یک مرحله رسیدن به کار زیاد بدون ترک امکانپذیر است.
?) توسط اندازه دانه متوسط ? میکرومتر و فواصل لایهای متوسط ?? نانومتر که ?? درصد کسر حجمی را تشکیل داده است در آلیاژ Ti-??Al-??V اکسترود داغ شده، ساختاری بسیار لایهای با لایههای نازک تشکیل میشود.
?) ا اثر دانههای ریزتر استحکام کششی را افزایش میدهد.
?. بر پایه شبیهسازی تغییر شکل آلیاژ TiAl حاوی نایوبیم بالا، پارامتر مناسب فورج برای این نوع آلیاژها دمای ???? درجه سانتیگراد و نرخ کرنش s-? ???/?پیشنهاد میشود.
?) در آلیاژهای TiAl حاوی مقادیر زیاد
Nb توسط کار داغ و تبلور مجدد همراه آن به ساختاری بسیار ریزدانه دست مییابیم.
?) ارتباط نزدیکی بین ترکیب شیمیایی، شرایط کار داغ و تکامل ریزساختار وجود دارد.
?) توسعه ریزساختار و بافت در حین عملیات توسط حالات تغییر شکل کنترل میشود.
شیوا اسلامی
مجله گسترش صنعت