شماره مدرك
20707
شماره راهنما
17799
پديد آورنده
ربيعي، محمدمهدي
عنوان
مشخصهيابي اتصال فولاد زنگنزن 316 كمكربن به سوپر آلياژ اينكونل 718 به روش جوشكاري پلاسماي جرقهاي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
شناسايي و انتخاب مواد
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
سيزده، 85ص. :مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
تف جوشي پلاسماي جرفه اي , جوشكاري پلاسماي جرقه اي , اينكونل 718 , فولاد زنگ نزن 316 كم كربن , اتصال ناهمجنس
تاريخ ورود اطلاعات
1404/09/01
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مواد
دانشكده
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات
1404/09/01
كد ايرانداك
23186915
چكيده فارسي
چكيده
اتصال فولاد زنگنزن 316 كمكربن به سوپرآلياژ اينكونل 718 در ساخت قطعات تحت دمايبالا و محيطهاي خورنده مانند توربينهاي گازي، صنايع هوافضا، انرژي و پتروشيمي از اهميت ويژهاي برخوردار است. اما تفاوت ايندو آلياژ در تركيب شيميايي، ضريب انبساط حرارتي سبب شده اتصال را به روش هاي جوشكاريهاي ذوبي همانند جوش قوسي تنگستني تقريبا غيرممكن سازد. فرايند جوشكاري پلاسماي جرقهاي(SPW) يكي از نوينترين روشهاي جوش حالتجامد براي اتصال مواد ناهمجنس است كه با تخليه الكتريكي پالسي و فشار همزمان، پيوستي يكنواخت بدون منطقه مذاب كامل ايجاد ميكند. اين روش با كنترل نفوذ اتمي، تبديل فاز و اصلاح مرزدانه، از تشكيل فازهاي بينفلزي ترد و تركهاي حرارتي جلوگيري كرده و امكان اتصال موفق فولاد زنگنزن 316 كمكربن به سوپرآلياژ اينكونل 718 را فراهم ميسازد. هدف اين پژوهش، بررسي ريزساختار و خواص مكانيكي اين اتصال به روش جوشكاري پلاسماي جرقهاي است. جهت بررسي اين اتصال در دماي بين 800 الي 1000 درجه سانتيگراد، فشار بين 40 الي 60 مگاپاسكال و زمان بين 5 الي 10 دقيقه مورد بررسي قرار گرفت. ريزساختار اتصال بدست آمده توسط ميكروسكوپ نوري بررسيشده و دانهبندي و ريزساختار مورد ارزيابي قرار گرفت. بهمنظور بررسي دقيق فازها و لايههاي بينفلزي تشكيلشده در فصل مشترك اتصال، از آزمون پراش پرتو ايكس جهت شناسايي تركيب فازي و از ميكروسكوپ الكتروني روبشي مجهز به آناليز عنصري (SEM/EDS) براي تعيين مورفولوژي و ضخامت لايهها استفاده شد. همچنين براي بررسي خواص مكانيكي، آزمون استحكام كششي، استحكام خمشي و ريزسختي انجام شد. سطح شكست با ميكروسكوپ الكتروني روبشي مورد بررسي قرار گرفت. در بررسيهاي ميكروسكوپي، فصل مشترك اتصال نسبت به كنارههاي مرز ساختاري يكنواختتر و همگنتر نشان داد و از نظر وجود ناپيوستگيها و حفرات، تراكمي بسيار ناچيز داشت. اين يكنواختي بيانگر توزيع دما و جريان عبوري نسبتاً پايدار در فصل مشترك بوده كه مانع تمركزتنش و تشكيل عيوب موضعي شده است. در دماي 900 درجه سانتيگراد، فشار 60 مگاپاسكال و زمان 5 دقيقهاي، كمترين ميزان حفرات در ريزساختار مشاهده شد. افزايش دما تا 900 درجه سانتيگراد باعث كاهش محسوس اختلاف دما بين دوطرف فصل مشترك و يكنواختتر شدن ميدان حرارتي شد؛ در نتيجه نرخ نفوذ و توزيع عناصر بهبود يافته و تشكيل حفرات انقباضي تا حد قابل توجهي كاهش يافت. در دماي 900 درجه سانتيگراد، منطقه غني از كروم در سمت فولاد تشكيل شد، كه باعث افزايش ميزان ريزسختي شد. در دماي 850 و 900 درجه سانتيگراد تركيب بين فلزي پيوسته از Fe-Ni در فصل مشترك اتصال تشكيل شد. ميزان حفرات و ناپيوستگيها در فصل مشترك اتصال با افزايش دما از 800 درجه سانتيگراد به 900 درجه سانتيگراد كاهش پيداكرد. در دماي 850 درجه سانتيگراد، كمترين ميزان ريزسختي حدود 328 ويكرز و در دماي 900 درجه سانتيگراد بيشترين ميزان ريزسختي حدود 426 ويكرز بدست آمد. بيشترين استحكام كششي در دماي 900 درجه سانتيگراد، فشار 60 مگاپاسكال و زمان 5 دقيقه بود كه حدود 960 مگاپاسكال با ازدياد طول 13 درصد بدست آمد. بيشترين استحكام خمشي نيز در اين نمونه بود كه حدود 19 مگاپاسكال گزارش شد.
كلمات كليدي: جوشكاري پلاسماي جرقهاي، اينكونل 718، فولاد زنگنزن 316 كم كربن، خواص مكانيكي، ريزساختار، اتصال ناهمجنس
چكيده انگليسي
Abstract
Spark Plasma Welding (SPW) is among the most advanced methods for joining dissimilar materials. This process enables precise control over atomic diffusion, phase transformation, and grain boundary modification, making it suitable for the fabrication of critical components. The joining of dissimilar materials, such as low-carbon 316 stainless steel and Inconel 718 superalloy, presents significant challenges in the production of components exposed to high temperatures and corrosive environments in aerospace, marine, energy, and petrochemical industries. The joining of these alloys by conventional fusion welding techniques, such as Gas Tungsten Arc Welding (GTAW), is often hindered by the formation of brittle intermetallic phases, heat-induced cracking, and chemical segregation due to considerable differences in chemical composition, thermal expansion coefficients, and alloy element diffusivities. Fusion welding methods cause extensive melting, rapid cooling rates, and severe microstructural heterogeneity; consequently, a significant accumulation of niobium and titanium at elevated temperatures leads to the formation of compounds such as Fe₂Nb, Ni₃Nb, and unstable brittle carbides, severely reducing the tensile strength, bending resistance, impact toughness, and ductility of the joint—rendering the joining of such alloys practically impossible by these processes.Given all these considerations, solid-state welding processes offer the best solution for achieving this joint. Although various solid-state techniques like diffusion bonding, friction welding, and explosive welding have been previously examined, they have shown limited success. Spark Plasma Welding, by generating pulsed electrical discharge and simultaneous pressure, facilitates joining in a quasi-solid-state regime without full melting of the joint area.The present study aims to investigate the microstructure and mechanical properties of the joint between low-carbon 316 stainless steel and Inconel 718 using Spark Plasma Welding. The joining process was studied at temperatures ranging from 800 to 1000 °C, pressures of 40 to 60 MPa, and process times of 5 to 10 minutes. The resulting joint microstructure was characterized by optical microscopy, and grain boundaries and structure were assessed. For detailed analysis of intermetallic phases and reaction layers at the joint interface, X-ray diffraction (XRD) was employed for phase identification, and scanning electron microscopy equipped with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDS) was used to determine layer morphology and thickness. Analysis revealed that the thickness of reaction layers increased with higher process temperatures, and distinctive intermetallic phases with notable continuity were observed at the interface. At 900 °C, a continuous Fe-Ni intermetallic phase formed at the joint boundary. Microhardness at the interface was measured at the aforementioned temperatures. Tensile and bending strengths of the joint were evaluated at 850, 900, and 950 °C, yielding maximum tensile strength of approximately 960 MPa and bending strength of 19 MPa at 900 °C. Fracture surfaces were also examined using scanning electron microscopy.
Keywords: Spark Plasma Welding, Inconel 718, Low-Carbon 316 Stainless Steel, Mechanical Properties, Microstructure, Dissimilar Joint.
استاد راهنما
علي شفيعي
استاد داور
محمدحسين مصلينژاد , محمدرضا طرقي نژاد