بررسی خواص ریزساختاری و مکانیکی اتصال غیر مشابه مونل ۴۰۰ به فولاد A۵۱۷ با فرایند اتصال دهی فاز مایع گذرا

در این پژوهش فرایند اتصال دهی فاز مایع گذرا (TLP Bonding) آلیاژ مونل ۴۰۰ و فولاد ۵۱۷ A با استفاده از فویل آمورف پایه نیکل ۲-BNi با ضخامت ۵۰µm بررسی شده است. ورق های اولیه با ضخامت ۵mm تهیه و ترکیب شیمیایی آنها توسط دستگاه کوانتومتری تایید گردید. نمونه ها در ابعاد ۵×۱۰×۴۰ mm توسط وایرکات برش داده شده و سطوح اتصال تا سنباده ۱۲۰۰ پرداخت شدند. لایه میانی و نمونه ها پس از چربی زدایی اولتراسونیک در استون تا زمان اتصال در محیط استون نگهداری شدند. مجموعه اتصال شامل دو آلیاژ و فویل میانی درون نگهدارنده ای از جنس فولاد زنگ نزن ۳۱۶L قرار گرفت و نیروی فشاری ۰.۳ MPa توسط پیچ های مقاوم به دما اعمال شده است. شکل ۱ طرحی از مجموعه مونتاژ شده را نشان می دهد. اتصال دهی در کوره خلا با میزان خلا ۱۰⁻³ تا ۱۰⁻⁵ در دمای ۱۱۰۰ و زمان های نگهداری ۱۰، ۲۰، ۳۰ و ۴۵ دقیقه انجام شده است. برای بررسی ریزساختاری، نمونه ها مانت شده، سنباده زنی و پولیش مکانیکی شدند و سپس متالوگرافی نوری و تحلیل های SEM و EDS با میکروسکوپ های Philips و Seron انجام شده است. الگوهای پراش پرتو X نیز با دستگاه PHILIPS PW۳۰۴۰ برای تعیین فازهای موجود در فلزات پایه و درز اتصال به کار گرفته شده است. نتایج نشان داد که لایه میانی BNi توانایی ایجاد اتصال یکنواخت میان دو آلیاژ ناهمجنس را دارد و افزایش زمان اتصال دهی موجب تکمیل انجماد، همدما همگن سازی ریزساختار و بهبود کیفیت مکانیکی اتصال می شود. پس از بررسی های ریزساختاری نمونه ها برای ارزیابی استحکام برشی در نگهدارنده مخصوص آزمون قرار گرفته و آزمون با دستگاه کشش Wolpert انجام شد؛ هر سری سه بار تکرار شده است. همچنین ریزسختی سنجی با بار ۵۰g در فاصله های ۲۰ تا ۳۰ µm به منظور بررسی تغییرات سختی در ناحیه اتصال، فصل مشترک و منطقه نفوذ صورت گرفت. بررسی های ریزساختاری نشان داد که ریزساختار سوپرآلیاژ نیکل-مس مونل ۴۰۰ در حالت نوردشده شامل ساختار پلی کریستالی تک فاز با شبکه مکعبی سطوح مرکزدار (FCC) و دانه های هم محور است. اندازه دانه اولیه در محدوده ۵۷ µm اندازه گیری شد که این ساختار یکنواخت ناشی از انحلال پذیری کامل نیکل و مس در یکدیگر است. حضور مقدار کم آهن و منگنز در محلول جامد زمینه موجب افزایش استحکام از طریق جانشینی اتمی شده است. بررسی ریزساختار مونل ۴۰۰ پس از عملیات اتصال دهی فاز مایع گذرا در دمای ۱۱۰۰ و زمان های نگهداری مختلف نشان داد که زمان های نگهداری کوتاه مدت ۱۰ و ۲۰ دقیقه تاثیر اندکی بر رشد دانه دارند، در حالی که افزایش زمان نگهداری به ۳۰ و ۴۵ دقیقه باعث رشد قابل توجه دانه ها تا مقادیر ۷۵ و ۸۷ µm شده است. این رشد دانه ناشی از دمای بالا و کاهش موانع مرزدانه ای است که در نهایت افت استحکام و سختی را به دنبال دارد. ریزساختار فولاد کم آلیاژ A۵۱۷ در حالت تازه دریافت شده (کوئنچ) و تمپر شده و نورد شده نشان می دهد که این آلیاژ شامل دو فاز اصلی فریت و مارتنزیت تمپر شده است. مشاهدات میکروسکوپی نشان می دهد که نواحی روشن متعلق به فریت و نواحی تیره بیانگر مارتنزیت تمپر شده هستند. نتایج پراش پرتو X نیز حضور این دو فاز را تایید کرده و نشان می دهد که ساختار اولیه شامل زمینه فریتی همراه با مقدار قابل توجهی مارتنزیت تمپر شده است که ناشی از عملیات حرارتی اولیه فولاد می باشد. اعمال سیکل اتصال دهی فاز مایع گذرا در دمای ۱۱۰۰°C و زمان نگهداری ۴۵ دقیقه سبب تحولات ریزساختاری قابل توجهی در این آلیاژ شده است. با توجه به دمای بالا و زمان کافی برای نفوذ و توازن، فازی مارتنزیت تمپر شده دچار تجزیه شده و به مخلوط فریت و پرلیت تبدیل شده است. ریزساختار نهایی فولاد تحت شرایط حرارتی مذکور شامل نواحی سفیدرنگ فریت و نواحی تیره رنگ پرلیت است. این تغییر فازی نشان دهنده حرکت سیستم به سمت ساختار پایدارتر فریتی-پرلیتی در دمای بالا است. بررسی های نمونه های اتصال دهی شده در زمان های نگهداری مختلف نشان دادند که در تمامی شرایط منطقه انجماد همدما بدون تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد شکل گرفته است که این موضوع بیانگر عملکرد مناسب لایه های میانی در کنترل رفتار انجمادی است. آنالیزهای ریزساختاری و EDS نشان داد که نفوذ بور از لایه میانی به زیرلایه ها نقش تعیین کننده ای در توسعه منطقه متاثر از نفوذ دارد. نفوذ بور در مونل ۴۰۰ به مراتب بیشتر از فولاد کم آلیاژ استحکام بالا A۵۱۷ بوده و این امر موجب توسعه سریع تر DAZ در سمت مونل می شود؛ در حالی که در فولاد A۵۱۷ به دلیل انحلال پذیری محدود، بور، رسوبات ثانویه بورلیدهای آهن-کروم تشکیل شدند. نتایج تحلیل فازی با استفاده از دیاگرام های B-Si-Ni و B-Cr-Ni نشان داد که انجماد لایه میانی شامل مراحل تشکیل محلول جامد، تشکیل یوتکتیک های بوریدی غنی از نیکل و کروم و در نهایت تشکیل فازهای سه تایی نیکل بوراید سیلیسید نیکل است که این ترکیبات در مراحل اولیه و حتی در زمان های نگهداری کوتاه مدت به سرعت تشکیل شده و ناپدید می شوند. بررسی خواص مکانیکی نشان داد که استحکام برشی اتصالات با افزایش زمان نگهداری بهبود یافته و این بهبود ناشی از افزایش انحلال فلز پایه، نفوذ عناصر آلیاژی، آهن، منگنز، مس و کروم در منطقه انجماد همدما و افزایش استحکام محلول جامد است. در مجموع تمامی اتصالات فاقد ترک، حفره و ترکیبات بین فلزی ترد بوده و از نظر ترکیب شیمیایی، ریزساختار و رفتار مکانیکی نشان دهنده دستیابی به اتصال متالورژیکی سالم و قابل اطمینان هستند به نحوی که در زمان نگهداری ۴۵ دقیقه استحکام برشی اتصال تقریبا ۸۶٪ استحکام برشی فولاد A۵۱۷ و ۱۰۷٪ استحکام برشی مونل ۴۰۰ بوده است.