مواد پیشرفته در مهندسی

مواد پیشرفته در مهندسی

اثر افزایش دمای عملیات حرارتی آنیل انحلالی بر یکنواختی ریزساختار، سختی و رفتار تنش گسیختگی سوپرآلیاژ IN738LC

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
رضا صحیحی
روح‌اله عشیری
دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
10.47176/jame.46.1.1202
چکیده
مقدمه و اهداف: سوپرآلیاژ پایه نیکل اینکونل 738 کم‌کربن (IN738LC)، به دلیل استحکام بالا و پایداری مناسب در دماهای بالا به‌طور گسترده در قطعات توربین‌های گازی استفاده می‌شود. با این‌حال، ناهمگنی ریزساختاری ناشی از فرایند انجماد، می‌تواند موجب توزیع غیریکنواخت رسوبات استحکام‌بخش و افت خواص مکانیکی شود. هدف این پژوهش بررسی اثر افزایش دمای عملیات حرارتی انحلالی فراتر از چرخه استاندارد بر ریزساختار و خواص مکانیکی این سوپرآلیاژ است.
مواد و روش‌ها: دو چرخه عملیات حرارتی شامل چرخه استاندارد و چرخه پیشنهادی، بر نمونه‌های ریختگی اعمال شد. تغییرات ریزساختاری با استفاده از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی و تحلیل کمی تصاویر بررسی شد. همچنین آزمون‌های سختی و تنش گسیختگی برای ارزیابی رفتار مکانیکی انجام شدند.
یافته‌ها: نتایج نشان داد، افزایش دمای انحلال موجب کاهش ناهمگنی میان نواحی دندریتی و بین‌دندریتی شد. اندازه رسوبات درشت در نواحی بین‌دندریتی کاهش یافت و توزیع رسوبات یکنواخت‌تر شد. همچنین کسر حجمی رسوبات استحکام‌بخش از ۳۹ به ۴۵ درصد افزایش یافت. بررسی کاربیدها نشان داد مورفولوژی بلوکی آن‌ها حفظ شده و نشانه‌ای از تجزیه گسترده مشاهده نشد. سختی از ۳۶۳ به ۴۴۷ ویکرز و عمر تنش گسیختگی از ۳۵ به 45/8 ساعت افزایش یافت.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد افزایش کنترل‌شده دمای عملیات حرارتی انحلالی می‌تواند از طریق بهبود یکنواختی ریزساختار، افزایش رسوبات استحکام‌بخش و حفظ پایداری کاربیدها، موجب بهبود هم‌زمان خواص مکانیکی و عملکرد دما بالای سوپرآلیاژ شود. این یافته‌ها می‌تواند در طراحی چرخه‌های حرارتی بهینه برای قطعات دما بالای توربینی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
سوپرآلیاژ IN738LC
رسوبات گاما پرایم ('γ)
کاربید MC
تحولات ریزساختاری
تنش گسیختگی
موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of Increasing Solution Annealing Temperature on Microstructural Uniformity, Hardness, and Stress-Rupture Behavior of IN738LC Superalloy

نویسندگان English

Reza Sahihi
Rouholah Ashiri
School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology (IUST), Tehran, Iran
چکیده English

Introduction and Objectives: Inconel 738 low-carbon (IN738LC) nickel-based superalloy is widely used in high-temperature turbine components due to its high strength and thermal stability. However, microstructural heterogeneity resulting from the solidification process can lead to a non-uniform distribution of strengthening precipitates and deterioration of mechanical performance. The objective of this study was to investigate the effect of increasing the solution heat treatment temperature beyond the standard cycle on the microstructural evolution and mechanical properties of the superalloy.
Materials and Methods: Two heat treatment cycles, including a standard cycle and a proposed cycle, were applied to cast specimens. Microstructural changes were evaluated using optical microscopy, scanning electron microscopy, and quantitative image analysis. In addition, hardness and stress rupture tests were conducted to evaluate the mechanical behavior of the alloy.
Results: The results showed that increasing the solution temperature significantly reduced microstructural heterogeneity between dendritic core and interdendritic regions. The size of coarse precipitates in interdendritic areas decreased, leading to a more uniform precipitate distribution. Furthermore, the volume fraction of strengthening precipitates increased from 39% to 45%. Carbide investigations indicated that the blocky morphology of MC carbides was preserved, and no evidence of significant decomposition was observed. Hardness increased from 363 HV to 447 HV, while stress rupture life improved from 35 h to 45.8 h.
Conclusion: The findings demonstrated that a controlled increase in solution heat treatment temperature can simultaneously improve mechanical properties and high-temperature performance through enhanced microstructural homogenization, increased strengthening precipitate fraction, and preservation of MC carbide stability. These results provide useful insight for designing optimized heat treatment schedules for high-temperature turbine components.

کلیدواژه‌ها English

IN738LC superalloy, Gamma-prime (&gamma
') precipitates, MC carbides, Microstructural evolution, Stress rupture
1. Yang S, Yun J, Seok C-S. Rejuvenation of IN738LC gas-turbine blades using hot isostatic pressing and a series of heat treatments. J Mech Sci Technol. 2020;34(11):4605-11. https://doi.org/10.1007/s12206-020-1018-2
2. Balikci E, Raman A, Mirshams R. Influence of various heat treatments on the microstructure of polycrystalline IN738LC. Metall Mater Trans A 1997;28(10):1993-2003. https://doi.org/10.1007/s11661-997-0156-9
3. Hosseini S, Nategh S, Ekrami A. Changes of γ′ precipitate characteristics in damaged superalloy IN738LC during different stages of rejuvenation heat treatment cycles. J Mater Sci Technol. 2012;28(2): 213-9. https://doi.org/10.1179/1743284711Y.0000000021
4. Sun Z, Li Y, Jiang X, Zhan X, Song J, Xu W, et al. Rejuvenation of a damaged gas turbine blade after long-term service by hot isostatic pressing and heat treatment. Mater Charact 2025:115650. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2025.115650
5. El-Bagoury N, Nofal A. Microstructure of an experimental Ni base superalloy under various casting conditions. Mater Sci Eng A 2010;527(29-30):7793-800. https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.08.050
6. El-Bagoury N, Waly M, Nofal A. Effect of various heat treatment conditions on microstructure of cast polycrystalline IN738LC alloy. MSEA. 2008;487(1-2):152-61. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.10.004
7. Nickel Institute. Alloy IN-738 technical data. Toronto (ON): Nickel Institute; 2020.
8. Shajari Y, Razavi SH, Seyedraoufi Z-S. Comparative study of solution heat treatment of IN738LC superalloy in conventional conditions and salt bath. J Mater Eng Perform. 2022;31(3):2525-41. https://doi.org/10.1007/s11665-021-06344-5
9. Montazeri M, Ghaini F. The liquation cracking behavior of IN738LC superalloy during low power Nd: YAG pulsed laser welding. Mater. Charact. 2012;67:65-73. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2012.02.019
10. Lvov G, Levit V, Kaufman M. Mechanism of primary MC carbide decomposition in Ni-base superalloys. Metall Mater Trans A 2004;35(6):1669-79. https://doi.org/10.1007/s11661-004-0076-x
11. Choi BG, Kim IS, Kim DH, Jo CY. MC carbide decomposition during thermal exposure of polycrystalline Ni-base superalloys. Solid State Phenom. 2007;124:1505-8. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.124-126.1505
12. Kolagar AM, Cheraghzadeh M, Tabrizi N, Shahryari MS. Effect of service expose on microstructure and creep mechanisms of gas turbine blades made of IN738LC. Metall Eng. 2016;19(2):146-60. https://doi.org/10.22076/me.2017.41681.1065
13. Ola O, Ojo O, Chaturvedi M. On the development of a new pre-weld thermal treatment procedure for preventing heat-affected zone (HAZ) liquation cracking in nickel-base IN 738 superalloy. Philos Mag. 2014;94(29):3295-316. https://doi.org/10.1080/14786435.2014.956838
14. Hays C. Size and shape effects for gamma prime in alloy 738. J Mater Eng Perform. 2008;17:2. https://doi.org/10.1007/s11665-007-9135-y
15. Xu Z, Hu X, Guo C, Lv Z, Wang Z, Li Z, et al. Creep behaviour investigation of additively manufactured IN738LC superalloy based on Materials Genome approach. Mater Sci Eng R Rep. 2025;163:100914. https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100914
16. Samiee M, Shajari Y, Razavi SH, Seyedraoufi ZS. Effect of cryogenic treatment after full solution on rejuvenation of exposed IN738LC gas turbine blade. Metallogr Microstruct Anal. 2023;12(1):4-14. https://doi.org/10.1007/s13632-022-00917-z
17. Shajari Y, Razavi SH, Seyedraoufi Z-S. Effect of solution heat treatment media on microstructure and hardness of Ni-base superalloy IN738LC. Found Res J. 2018;2(3):161-79. https://doi.org/10.22034/frj.2018.155851.1061
18. Shajari Y, Seyedraoufi Z, Alizadeh A, Razavi S, Porhonar M, Mirzavand K. Effect of solution temperature of rejuvenation heat treatment on the stability of γ′ precipitates in Ni-base superalloy IN738LC during long-term heating. Mater Res Express 2019;6(12):126571. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab54ef
19. Polsilapa S, Promboopha A, Wangyao P. Long-term gamma prime phase stability after various heat treatment conditions with temperature dropping during solution treatment in cast nickel base superalloy, grade Inconel-738. Mater Sci Forum. 2017;891:420-425. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.891.420
20. Abedi H, Ojo O, Cao X. Effect of cooling rate on precipitation behavior of gamma prime in a newly developed co-based superalloy. JOM 2020;72(11): 4054-9. https://doi.org/10.1007/s11837-020-04241-1
21. Pahlavanyali S, Wood M, Marchant G. The effect of carbide decomposition and reformation on rupture lives of IN738LC during multiple reheat treatment and degradation cycles. In: Superalloys 2012. 2012. p. 463-471. https://doi.org/10.1002/9781118516430.ch51
22. Li X-L, Zhu M-L, Zhu P-B, Wang Z-W. Temperature dependence of very high cycle fatigue behavior and life modeling for In713C Ni-based superalloy. J Mater Res Technol. 2025;36:8448-8461.https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.05.093
23. Ojo O, Chaturvedi M. Liquation microfissuring in the weld heat-affected zone of an overaged precipitation-hardened nickel-base superalloy. Metall Mater Trans A 2007;38:356-69. https://doi.org/10.1007/s11661-006-9025-1
24. Kolagar AM, Cheraghzadeh M, Tabrizi N. Effect of heat treatment cycles on microstructure and room temperature tensile properties of exposed gas turbine first stage nozzle made of nickel base superalloy IN738LC. Metall Eng. 2017;20(4):258-69. http://doi.org/10.22076/me.2018.63032.1132
25. Kolagar AM. The effect of hot Isostatic pressing on microstructure and mechanical properties of nickel based gas turbine blade. Metall Eng. 2018;21(1):72-81. http://doi.org/10.22076/me.2018.69675.1148
 
 
 
مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 46، شماره 1
بهار 1406
صفحه 127-148

تحت نظارت وف بومی