بررسی و تحلیل اثر حرارت ورودی و فلز پرکننده بر ریزساختار و خواص مکانیکی در جوشکاری قوسی تنگستن-گاز محافظ سوپرآلیاژ پایه کبالت FSX-414

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 شرکت مهندسی موادکاران، گروه مپنا

چکیده

مقدمه و اهداف: سوپرآلیاژ پایه کبالت FSX-414، به دلیل مقاومت حرارتی و خوردگی بالا، در ساخت پره‌های ثابت ردیف اول توربین‌های گازی Frame 9 استفاده می‌شود. این قطعات طی سرویس، در معرض آسیب‌هایی نظیر خستگی حرارتی و اکسیداسیون قرار می‌گیرند که کاهش عمر مفید آن‌ها را در پی دارد. هدف این پژوهش، بهینه‌سازی شرایط جوشکاری تعمیری برای بهبود دوام، استحکام و پایداری عملکرد قطعات در دمای بالا است.
مواد و روش‌ها: فرآیند جوشکاری قوسی تنگستن-گاز محافظ با جریان‌های ۵۰، ۶۰ و ۷۰ آمپر روی آلیاژ FSX-414 اعمال شد. براساس ارزیابی ریزساختاری، جریان ۶۰ آمپر به‌عنوان مقدار بهینه انتخاب گردید. در ادامه، با همین جریان، جوشکاری با چهار فلز پرکننده FSX-414 و HS25 و HS188 و Mar-M918 انجام شد. آزمون کشش طبق استانداردهای ASTM E8 (دمای محیط) و ASTM E21 (۶۵۰ درجه سانتی‌گراد) انجام گرفت. ریزساختار و نحوه شکست با میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد.
یافته‌ها: در اکثر نمونه‌ها، شکست در فلز پایه رخ داد که نشان‌دهنده کیفیت مناسب جوشکاری بود. تنها در نمونه‌ای که با فلز پرکننده HS188 جوشکاری انجام شد، شکست در ناحیه جوش دیده شد که در این نمونه، تمرکز موضعی عناصر Cr و W در نواحی بین‌دندریتی و تبدیل کاربیدهای اولیه MC به M23C6، موجب ایجاد ساختارهای ترد و تسهیل آغاز شکست گردید.
نتیجه‌گیری: فلز پرکننده Mar-M918، بیشترین استحکام کششی و چقرمگی را در هر دو دمای آزمون فراهم کرد. FSX-414 عملکرد ضعیف‌تری داشت و HS25 و HS188 نتایجی بینابینی ارائه دادند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Comprehensive Analysis of Heat Input and Filler Metal Effects on Microstructure and Mechanical Properties in Gas Tungsten Arc Welding of Cobalt-Based FSX-414 Superalloy

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Sheikhmohseni 1
  • Seyed Mohammad Ali Boutorabi 1
  • Mohammad Amin Amjadi 2
  • Rouholah Ashiri 1
1 School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology (IUST), Tehran, Iran
2 Mavadkaran Engineering Company, MAPNA Group
چکیده [English]

Introduction and Objective: The cobalt-based superalloy FSX-414, owing to its excellent resistance to high-temperature oxidation and hot corrosion, is widely used in the fabrication of first-row stationary vanes in Frame-9 industrial gas turbines. During prolonged service, these critical components are subjected to severe conditions such as thermal fatigue, oxidation, and creep, which can significantly reduce their service life and compromise the reliability of the turbine. The present study focuses on optimizing welding parameters to enhance the durability, mechanical strength, and performance stability of FSX-414 components at elevated temperatures.
Materials and Methods: Repair welding was carried out using the Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) process with welding currents of 50, 60, and 70 A applied on FSX-414 substrates. Microstructural evaluation revealed that 60 A provided the most favorable weld quality and was therefore selected for further experiments. At this optimized current, four different filler metals—FSX-414, HS25, HS188, and Mar-M918—were employed. Tensile tests were performed following ASTM E8 at room temperature and ASTM E21 at 650°C to evaluate mechanical behavior. Microstructural characterization and fracture analysis were conducted using optical microscopy and scanning electron microscopy.
Results: For most welded specimens, failure occurred in the base metal rather than in the weld zone, confirming the adequacy of the welding procedure. However, in the specimen welded with HS188 filler metal, fracture initiated within the weld metal. Detailed analysis showed local segregation of chromium and tungsten in interdendritic regions and the transformation of primary MC carbides into M23C6 carbides, which promoted the formation of brittle phases and facilitated crack initiation.
Conclusion: The filler metal Mar-M918 provided the highest tensile strength and toughness at both test temperatures. FSX-414 demonstrated inferior performance, while HS25 and HS188 yielded intermediate results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Welding
  • FSX-414 superalloy
  • GTAW
  • Gas turbine
  • Filler metal
  • Microstructure
  • Mechanical properties

مراجع

  1. Kassner ME. Fundamentals of creep in metals and alloys. 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann; 2015.
  2. Coutsouradis D, Davin A, Lamberigts M. Cobalt-based superalloys for applications in gas turbines. Mater Sci Eng. 1987;88:11–19.

https://doi.org/10.1016/0025-5416(87)90061-9

  1. Donachie MJ, Donachie SJ. Superalloys: a technical guide. 2nd ed. Materials Park (OH): ASM International; 2002.
  2. Kou S. Welding metallurgy. 2nd ed. Hoboken (NJ): Wiley-Interscience; 2003.
  3. Ghatei-Kalashami A, Khan MS, Goodwin F, Zhou YN. Investigating zinc-assisted liquid metal embrittlement in ferritic and austenitic steels: Correlation between crack susceptibility and failure mechanism. Mater Charact. 2023;195:112502. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112502.
  4. Chase TF, Beltran AM. The high-temperature properties of welded cast Co-base alloys: weldability of FSX-414 and MM-509 using GTAW and EBW. In: Superalloys 1972 (Proceedings); 1972. p. R-1–R-23.
  5. Shahriary H, Sadeghi B, Shamanian M. Repair welding of FSX-414 cobalt-based superalloy using gas tungsten arc welding (GTAW) and gas metal arc welding (GMAW) processes. Mater Res Express. 2017;4(9):096520. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aa88f4
  6. ASTM International. ASTM E21-20: Standard test methods for elevated temperature tension tests of metallic materials. West Conshohocken (PA): ASTM International; 2009.
  7. ASTM International. E8/E8M-01: Standard test methods for tension testing of metallic materials. West Conshohocken (PA): ASTM International; 2001.
  8. Bakhtiari R, Ekrami A. Transient liquid phase bonding of FSX-414 superalloy at the standard heat treatment condition. Mater Charact. 2012;66:38–45. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2012.02.002
  9. American Welding Society (AWS). Specification for fusion welding for aerospace applications. Miami (FL): American Welding Society; 2001.
  10. Reed RC. The superalloys: fundamentals and applications. Cambridge: Cambridge University Press; 2008.
  11. Kaneko K. Formation of M23C6-type precipitates and chromium-depleted zones in austenite stainless steel. Scr Mater. 2011;65(6):509–12.

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2011.06.010

  1. Lippold JC. Welding metallurgy and weldability. Hoboken (NJ): John Wiley & Sons; 2014.
  2. Li J, Shrestha SL, Long Y, Zhijun L, Xintai Z. The formation of eutectic phases and hot cracks in one Ni–Mo–Cr superalloy. Mater Des. 2016;93:324–33. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.12.152
  3. Reed-Hill RE, Abbaschian R, Abbaschian R. Physical metallurgy principles. 2nd ed. New York: Van Nostrand; 1973.
  4. Armstrong RW. The influence of polycrystal grain size on several mechanical properties of materials. Metall Mater Trans B. 1970;1:1169–76. https://doi.org/10.1007/BF02900227
  5. Hansen N. Grain boundary strengthening – Hall–Petch strengthening. Acta Mater. 2004;51(11):801–806.
  6. Saal JE, Wolverton C. Thermodynamic stability of Co–Al–W L12 γ′. Acta Mater. 2013;61(7):2330–8. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.01.004
  7. Naghavi SS, Hegde VI, Wolverton C. Diffusion coefficients of transition metals in fcc cobalt. Acta Mater. 2017;132:467–78.

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.04.060

  1. Yoon BK, Choi SY, Yamamoto T, Ikuhara Y, Kang SJ. Grain boundary mobility and grain growth behavior in polycrystals with faceted wet and dry boundaries. Acta Mater. 2009; 57(7): 2128–35. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.01.005

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 09 مهر 1404

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

تحت نظارت وف ایرانی