تاثیردما و زمان اتصال دهی بر ریزساختار سیستم GTD-111/BNi-3/GTD-111 به روش فاز مایع گذرا(TLP)

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 7، دوره 11، شماره 39، اردیبهشت 1399، صفحه 91-108   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

سید عبدالکریم سجادی^{* 1}؛ جواد اسدی²؛ حمید امیدوار³

¹استاد گروه مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه فردوسی مشهد

²گروه مهندسی و علم مواد، مهندسی، فردوسی مشهد، مشهد ایران

³دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

تاریخ دریافت: 15 مهر 1398،  تاریخ بازنگری: 07 اردیبهشت 1399،  تاریخ پذیرش: 09 اردیبهشت 1399 

چکیده

در این مقاله تاثیر دما و زمان اتصال­دهی بر ریزساختار اتصال فاز مایع گذرای سوپرآلیاژ پایه نیکل GTD-111 مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. فرایند اتصال_­­دهی در دماهای1080، 1120 و °C1160 در زمان­های مختلف انجام گردید و ریزساختار نواحی مختلف اتصال توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش دمای اتصال­دهی از 1080 تا °C1160، زمان انجماد کامل همدما از 195 تا 90 دقیقه کاهش و مقدار انحلال فلز پایه و پهنای درز اتصال افزایش یافته است. همچنین در همه زمان­های نگه­داری، ناحیه­ی اتصال حاوی فازهای ثانویه شامل بوریدهای غنی از نیکل و کروم و سیلیسید نیکل در یک زمینه­ی g بود. این فازها در قسمت­های مرکزی و مجاور  فصل­مشترک فلز پایه - اتصال مشاهده شد. مشخص شد که با افزایش زمان اتصال­دهی تا انجماد کامل همدما، کسر حجمی ذرات رسوبی ناحیه­ی اتصال کاهش یافته و اجزای بوریدی ترد به­طور کامل حذف شده­اند. لازم به ذکر است، این فرایند ناشی از وابستگی شدید رفتار سینتیک نفوذی این نوع اتصالات به دما و زمان می­باشد. علاوه بر این، مشاهده شد، با افزایش دمای اتصال­دهی وسعت ناحیه­ی اتصال و میزان انحلال فلز پایه افزایش می­یابد. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش زمان نگه­داری در هر سه دمای اتصال­دهی تا زمان تکمیل انجماد همدمای کامل، ضخامت منطقه­ی ASZ و کسر حجمی رسوبات در ناحیه­ی اتصال کاهش و طول ناحیه­ی DAZ  افزایش می­یابد. با توجه به اینکه دمای بحرانی در آلیاژ مورد مطالعه °C1180 می­باشد، جهت یکنواختی و همگن­سازی ریزساختار اتصالات در شرایط مختلف، عملیات حرارتی بعد از اتصال­دهی در دمای °C 1200 و زمان 300 دقیقه انجام گردید که در نتیجه­ی آن، منطقه متاثر از نفوذ حذف و ریزساختار کاملاً همگن و عاری از رسوبات بوریدی سوزنی و بلوکی تشکیل شد.

کلیدواژه‌ها

انجماد همدما؛ سوپرآلیاژ پایه نیکل؛ TLP؛ GTD111

عنوان مقاله [English]

Effect of bonding time and temperature on microstructure of GTD-111/ BNi-3 /GTD-111 system during the Transient Liquid Phase (TLP)

نویسندگان [English]

Seyed Abdolkarim Sajjadi¹؛ Javad Asadi²؛ Hamid Omidvar³

¹material & metallurgy engineering , Ferdowsi university, Mashhad, Iran

²Materials Science and Engineering, Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

³Mining and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran

چکیده [English]

In this paper, the effect of bonding temperature and time on the microstructure of transient liquid phase bonding of GTD-111 nickel-based superalloy was studied. The bonding process was performed at temperatures of 1080, 1120 and 1160 °C at different times and the microstructure of the various bonding regions was analyzed by light and scanning electron microscopy. The results show that by increasing the bonding temperature from 1080 to 1160 °C, solidification time was reduced from 195 to 90 min and the dissolution rate of the base metal and the bonding width increased. Also, at all holding times, the bonding zone containing secondary phases included nickel-rich and chromium-rich borides and nickel silicide in a  matrix. These phases were observed in the centerline and adjacent of the interface. By increasing the bonding time, the volume fraction of the precipitates in the bonding zone decreased and the brittle boride phases were completely removed. This process is due to the strong dependence of the diffusional behavior of the TLP-joint on temperature and time. It was observed that with increasing the bonding temperature, the bonding width and the rate of dissolution of the base metal increase. The results showed that with increasing holding time at all three bonding temperatures, the thickness of the ASZ zone and the volume fraction of precipitates in the bonding area decreased and the DAZ width increased.

کلیدواژه‌ها [English]

isothermal solidification, nickel-based superalloy, ASZ, DAZ

مراجع

1- O.A. Idowu, O.A. Ojo and M.C. Chaturvedi, "Microstructural study of transient liquid phase bonded cast Inconel 738LC superalloy", Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 37A, pp. 2787, 2006.         

2- M. Mosallaee, A. Ekrami, K. Ohsasa and K. Matsuura, "Microstructural Evolution in the Transient-Liquid-Phase Bonding Area of IN-738LC/BNi-3/IN-738LC", Metallurgical and Materials Transaction A, Vol. 39A, pp. 2389-2402, 2008.

3-G. Hoopin, "Activated diffusion bonding", Welding Journal, Vol. 49, pp. 505, 1970.    

4-D. Duvall, W. Owezarski and D. Paulonis, "TLP bonding: a new method for joining  heat resistant alloys", Welding Journal, Vol. 53, pp.  203-214, 1974.

 

 

5- A. Rabinkin and H.H. Liebermann, "Brazing and Soldering with Rapidly Solidified Alloys", Marcell Dekker, pp. 691-736, 1993.           

6- R.L. Peaslee, "Diffusion brazing", Welding Journal, Vol. 55, pp. 695-696, 1976.

7- X. Wu, R.S. Chandel and H. Li, "Evaluation of transient liquid phase bonding between nickel-based superalloys", Journal of materials science, Vol. 36, pp. 1539-1546, 2001. 

8- W.F. Gale, "Applying TLP bonding to the joining of structural intermetallic compounds", JOM, Vol. 51, pp.  49-52, 1999.

9- W. F. Gale, "Transient liquid phase bonding of intermetallic compounds", In Materials Science Forum, Vol. 426, pp. 1891-1896, 2003.

10- D.S. Duvall, W.A. Owczarski, D.F. Paulonis and W.H. King, "Methods for Diffusion welding the superalloy Udimet 700", Welding Research, Vol. 15, pp. 41–49, 1972.

11- J. Tian, T. Kim, T.J. Lu, H.P. Hodson, D.T. Queheillalt, D.J. Sypeck and H.N.G. Wadley, "The effects of topology upon fluid-flow and heat-transfer within cellular copper structures", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 47, pp. 3171-3186, 2004.        

12- W. Gale and D. Butts, "Transient liquid phase bonding", Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 9, pp. 283-300, 2004. 

13- Y. Nakao, K. Nishimoto, K. Shinozaki and C. Kang, Quarterly Journal of Japan Welding Society, Vol. 6, pp. 519, 1988.

14- O.A. Idowu, N.L.Richard and M.C. Chaturvedi, "Effect of bonding temperature on isothermal solidification rate during transient liquid phase bonding of Inconel 738LC superalloy", Materials Science and Engineering: A,Vol. 397, pp. 98-112, 2005.           

15- J.M. Cheng, "Transient Liquid Phase Bonding in the Nickel Base Superalloy CM 247LC", ph. D. Thesis University of British Columbia, British Columbia, 2005.

16- G.O. Cook, and C.D. Sorensen, "Overview of Transient Liquid Phase and Partial Transient Liquid Phase Bonding", Journal of Materials Science, Vol. 46, pp. 5305–5323, 2011.      

17- O.A. Ojo and N.L. Chaturvedi, "On the role of liquated γ′ precipitates in weld heat affected zone microfissuring of a nickel-based superalloy", Materials Science and Engineering: A, Vol. 403, pp. 77-86, 2005.

18- M. Pouranvari, A. Ekrami and A.H. Ekrami, "Microstructure development during transient liquid phase bonding of GTD-111 nickel-based superalloy", Journal of alloys Compounds, Vol. 461, pp. 641–647, 2008.          

19- T. Padron, T.I. Khan and M.J. Kabir, "Modelling the transient liquid phase bonding behaviour of a duplex stainless steel using copper interlayers", Materials Science and Engineering: A, Vol. 385, pp. 220–228, 2004.      

20- W.D. MacDonald and T.W. Eagar, "Isothermal solidification kinetics of diffusion brazing", Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 29, pp. 315–325, 1998.        

21- Y. Zhou and T.H. North, "Kinetic modelling of diffusion-controlled, two-phase moving interface problems", Vol. 1, pp. 505, 1993.

22- M. Pouranvari, A. Ekrami and A.H. Kokabi, "TLP bonding of cast IN718 nickel based superalloy : Process – microstructure – strength characteristics", Materials Science and Engineering: A, Vol. 568, pp. 76–82, 2013.       

23- A. Schnell, A. Stankowski and E. de Marcos, "A Study of the Diffusion Brazing Process Applied to the Single Crystal Superalloy CMSX-4", ASME Turbo Expo 2006 Power Land, Sea, Air, pp. 949–961, 2006.

24- M. Pouranvari, A. Ekrami and A.H. Kokabi, "Effect of bonding temperature on microstructure development during TLP bonding of a nickel base superalloy", Journal of Alloys and Compounds. Vol. 469, pp. 270–275, 2009.           

25- D. Amiri, S. Abdolkarim, R. Bakhtiari and A. Kamyabi-gol, "The role of TLP process variables in improvement of microstructure and mechanical properties in TLP joints of GTD-111/ Ni-Cr-Fe-B-Si /GTD-111 system", Journal of Manufacturing Processes, Vol. 32,  pp. 644–655, 2018.       

26- M. Pouranvari, A. Ekrami and A.H. Kokabi, "Diffusion induced isothermal solidification during transient liquid phase bonding of cast IN718 superalloy", Canadian Metallurgical Quarterly, Vol. 53, pp. 38–46, 2014.   

27- S. Hadibeyk, B. Beidokhti and S.A. Sajjadi, "Effect of bonding time and homogenization heat treatment on the microstructure and mechanical properties of the transient liquid phase bonded dissimilar GTD-111/FSX-414 TLP superalloys", Journal of alloys Compounds, Vol. 731, pp. 929–935, 2018.

28- K. Ohsasa, T. shinmura and T. Narita, "Numerical modeling of the transient liquid phase bonding process of Ni-Cr-B ternary filler metal", Journal of Phase Equilibria, Vol. 20, pp. 199-206, 1999.

29- W.D. MacDonald and T.W. Eagar, "Transient liquid phase bonding processes Annual review of materials science, Vol. 22, pp. 23-46, 1992.     

30-  M.K. Dinkel, P. Heinz, F. Pyczak, A. Volek, M. Ott, E. Affeldt, A. Vossberg, M. Go¨ken and R.F. Singer, "New boron and silicon free single crystal-diffusion brazing alloys", Proceedings of the international symposium on superalloys, pp. 211-220, 2008.

31- W. Li, T. Jin, X.F. Sun, Y. Guo, H.R. Guan and Z.Q. Hu, "Study of Ni–Cr–Co–W–Mo–B interlayer alloy and its bonding behaviour for a Ni-base single crystal superalloy", Vol. 48, pp. 1283-1288, 2003.

32- M. Pouranvari, A. Ekrami and A. H. Ekrami, "Phase transformations during diffusion brazing of IN718/Ni–Cr–B/IN718",  Materials Science and Technology, Vol. 29, pp. 980–984, 2013.

33- W.F. Gale and E.R. Wallach, "Microstructural development in transient liquid-phase bonding", Metallurgical Transactions A, Vol. 22, pp. 2451–2457, 1991.

34- J.D. Liu, T. Jin, N.R. Zhao, Z.H. Wang, X.F. Sun, H.R. Guan and Z.Q. Hu, "Effect of Temperature on Formation of Borides in TLP Joint of a Kind of Nickel-Base Single Crystal Superalloy", Materials Science Forum, Vol. 546, pp. 1245–1248, 2007.