شماره مدرك
19093
شماره راهنما
16553
پديد آورنده
فارابي، مهبد
عنوان
ارزيابي ساختار ميكروسكوپي و خواص مكانيكي ساختار دوفلزي فولاد زنگنزن316L- اينكونل 718 ساخته شده به روش ذوب گزينشي ليزر
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
شناسايي و انتخاب مواد مهندسي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1402
صفحه شمار
پانزده، 188 ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
ساخت افزودني فلزي , ساخت افزودني چند مادهاي , ساختار دو فلزي , مواد تابعي , دو فلزي فولاد- سوپرآلياژ , ذوب در بستر پودر با ليزر
تاريخ ورود اطلاعات
1402/09/19
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مواد
دانشكده
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات
1402/09/21
كد ايرانداك
2995091
چكيده فارسي
دوفلزي IN718-316LSS با توجه به خواص مكانيكي و خوردگي مناسب در دماي بالا و محيط، زوجي نام آشنا در روشهاي اتصال متداول جوشكاري بوده است. در ساليان اخير با توجه به برتريهاي بالقوه روشهاي ساخت افزودني، پژوهشهاي متعددي در حوزه ايجاد ساختار دوتايي از اين دو آلياژ به كمك اين فناوري صورت پذيرفته است. از اين رو هدفگذاري پژوهش حاضر، امكانسنجي ايجاد ساختار دوفلزي مذكور بر بستري پيشساخته و ارزيابي ناحيه اختلاط حاصل، در متغيرهاي فراوري متفاوت به كمك روش ذوب در بستر پودر با ليزر، تعيين گرديد. بر اساس نتايج حاصل، با افزايش ميزان چگالي انرژي ورودي، فارغ از مقادير متفاوت توان و سرعت، عمق نفوذ، ميزان رقت و ضخامت ناحيه متأثر از تغييرات تركيب شيميايي در ساختار دوفلزي افزايش مييابد. با افزايش چگالي خطي انرژِي ورودي از 125 تا 625 ژول بر متر، حالت ذوب از رسانش با هندسه تك انحنايي به گذرا و سوراخ كليدي با هندسه دو انحنايي تغيير نمود. با توجه به محاسبات صورت گرفته، ناحيه مؤثر در ميزان اختلاط قسمت بالايي حوضچه، در محلي ديده شد كه به طور عمده نيروي مارانگوني نقش غالب را در سيلان مذاب دارد. بر مبناي اين نتايج، مدل تحليلي و محاسباتي بر اساس رابطه كلاسيك هندسي درجه رقت، براي پيشبيني تغييرات غلظت در راستاي ساخت ارائه گرديدكه تطابق خوبي با منحنيهاي تغييرات غلظت بدست آمده از نمونهها به كمك ميكروسكوپ الكتروني بدست داد. به علاوه نقشههاي شيميايي و آناليزهاي خطي تهيه شده از نمونهها در چگاليهاي انرژي 625 و 437 ژول بر متر، حاكي از ايجاد فصل مشترك تدريجي با اختلاط شبه ايدهآل؛ در مقادير انرژي 292 تا 417 ژول بر متر، حاكي از اختلاط متوسط و حضور نوارهاي غلظتي غني از آهن و نيكل و در مقادير انرژي كمتر از 250 ژول بر متر، حاكي از اختلاط جزئي در نمونهها بود. روند تغييرات چگالي نسبي ساخت، از روند مشابه قبل پيروي نكرد. اينبار با افزايش انرژي ورودي، ابتدا چگالي نسبي در ناحيه متأثر از تغييرات تركيب شيميايي از مقدار 93 تا 9/99 درصد افزايش، سپس در سه دسته نمونه بهينه مذكور، ثابت و در نهايت تا مقدار 96/95 درصد افت نمود. نوع عيوب در انرژِيهاي ورودي كمتر)متناظر با حالت ذوب رسانش( از دسته ذوب ناقص با اثرات همافزا در راستاي ساخت، و در مقادير انرژي ورودي بالا حفرات گازي ناشي از تبخير ماده ديده شد. علاوه بر عيوب فرايندي مذكور، تركهاي انجمادي نيز در حداكثر چگالي انرژي ورودي يعني 625 ژول بر متر داراي فصل مشترك نوع 1 در ناحيهاي با نسبت تركيبي 70 درصد فولاد و 30 درصد اينكونل ملاحظه گرديد. حداكثر چگالي انرژي ورودي، ضمن افزايش دامنه انجماد، توزيع همگونتر همزمان آهن، موليبدن و نيوبيوم را در زمينه به همراه داشت و شرايط را براي جدايش شديدتر عناصر نيوبيوم و موليبدن و ايجاد لاوههاي غني از موليبدن را فراهم آورد و احتمال ترك خوردگي انجمادي را فزوني بخشيد. بالعكس در فصل مشترك نوع 2، ضمن ايجاد اختلاط قابل توجه، وجود نوارهاي غلظتي غنيتر از آهن و نيكل مانع از توزيع همگون آهن در زمينه نيكل شده و همراستا با كاهش جدايش، مسيرهاي احتمالي رشد ترك را نيز محدود ساخت. فرم كلي ريزساختار حاصل در نمونههاي داراي فصل مشترك 2 به صورت دانههاي هم محور در ناحيه فولادي، تركيب دانههاي ستوني و هممحور در ناحيه اختلاط و دانههاي ستوني درشت با جهتگيري <100> در ناحيه اينكونلي مشاهده شد. بر اساس نتايج آزمون ”كشش-برش“ نمونههاي دوفلزي داراي فصل مشترك نوع 2، استحكامي در حدود تكفلزي اينكونل 718، در عين تغييرشكل پذيري به مراتب بهتر را به علت حضور تركيبي از دانههاي ستوني و هممحور دارا بودند. به علاوه نتايج ريزسختي و همچنين محاسبه اندازه دانه در ناحيه فولادي نشان داد كه از جنبه ساختاري و مكانيكي تغييرات محسوسي در ناحيه متأثر از حرارت رخ نداده است. دستيابي به محدوده متغيرهاي بهينه براي فراوري اين دو فلزي از جنبههاي چگالي نسبي ساخت، عيوب متالورژيكي و خواص مكانيكي ضمن ارائه درك صحيحتري از توزيع تركيب از مهمترين يافتههاي پژوهش حاضر است.
چكيده انگليسي
The combination of IN718-316LSS has been well-known for its mechanical properties and corrosion resistance at high temperatures and aggressive environments, making it a familiar pair in conventional welding methods. In recent years, extensive research has been conducted to explore the potential advantages of additive manufacturing techniques. Thus, the aim of this study is to investigate the feasibility and development of the IN718-316LSS bi-metal structure on a preformed substrate and assess the resulting fusion zone under various processing parameters using the laser powder bed fusion method. Initially, nine IN718-316L samples were produced on a preformed substrate of 316L stainless steel using three power levels (100, 175, and 250 W) and three scanning speeds (0.4, 0.6, and 0.8 m/s) without any variations in scanning strategy, hatch distance, and layer thickness. Subsequently, mechanical properties evaluations were conducted on samples produced under three optimized specific processing parameter sets based on the results of defects and microstructure analysis. Microstructural investigations were performed using optical and electron microscopy, X-ray diffraction, and phase stability calculations, while mechanical properties were characterized through microhardness measurements and “tensile-shear” tests. The results showed that an increase in energy density, irrespective of different power and speed combinations, led to an increase in penetration depth, dilution, and thickness of the chemically affected zone. Speed variations, especially in the “keyhole mode”, influenced penetration depth. Furthermore, within the linear energy density range of 292 to 312 J/mm, noticeable changes in the dimensions of the fusion pool were observed, resulting in transitional states and geometry alterations of the fusion pool. Mixing degrees in the chemically affected region varied with energy density; lower energy inputs corresponded to incomplete melting with synergistic effects on density reduction in the build direction, while higher energy inputs revealed “keyhole porosity” attributed to material evaporation. In addition to the mentioned process defects, solidification cracks were observed at the maximum energy density of 625 J/mm in the type 1 interface. The high input energy, associated with homogenic iron, molybdenum, and niobium distribution in the matrix, which had led to extension of the solidification range, resulting in Mo-rich laves formation in solidification grain boundaries, and an increased likelihood of solidification cracks. Conversely, type 2 interface exhibited significant mixing, preventing homogeneous iron distribution within the nickel matrix, reducing segregation, and limiting potential crack growth paths. The dimensions of the grains and microstructure scale were influenced by energy density. The microstructure of type 2 interface samples consisted of equiaxed sub-layer steel grains, and equiaxed columnar grains in the mixing zone and columnar grains in the IN718 zone, respectively. The combination of equiaxed and columnar grains in the mixing zone of type 2 interface samples resulted in improved strength and significantly better ductility according to tensile-shear test results. Hardness results and grain size calculations in the steel region showed no significant changes in the heat affected region. The achievement of optimal processing parameters for these dual metals, in terms of relative build density, metallurgical defects, and mechanical properties, represents one of the key findings of this study.
استاد راهنما
احمد رضائيان , محسن بدرسماي
استاد مشاور
احمد كرمانپور
استاد داور
بهزاد نيرومند , مسعود عطاپور