آلیاژهای نیکل

آلیاژهای نیکل به دلیل مقاومت عالی در برابر خوردگی و استحکام در دمای بالا، به طور گسترده در کاربردهای صنعتی حیاتی مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، جوشکاری این آلیاژها به دلیل ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی، چالش‌های متعددی را به همراه دارد. جوشکاری آلیاژهای نیکل نیاز به بررسی دقیق پارامترهای فرآیند و انتخاب مواد پرکننده مناسب برای کاهش خطرات اثرات مضر مانند ترک خوردگی داغ، اختلالات انجماد و سخت شدن بیش از حد منطقه متاثر از حرارت (HAZ) دارد. یکی از نگرانی‌های اولیه در هنگام جوشکاری آلیاژهای نیکل، حساسیت فلز جوش به ترک‌های داغ است. این به این دلیل است که آلیاژهای نیکل میل ترکیبی بالایی برای گوگرد دارند که می تواند منجر به تشکیل آخال های سولفید نیکل در طول انجماد شود. برای به حداقل رساندن این خطر، ممکن است پیش گرمایش برای کاهش سطح هیدروژن قابل انتشار و کاهش سرعت خنک شدن حوضچه جوش ضروری باشد. عملیات حرارتی پس از جوش نیز اغلب برای کاهش تنش های پسماند و توزیع مجدد رسوبات مورد نیاز است که به کاهش سختی و حساسیت به ترک کمک می کند. انتخاب فرآیند جوشکاری مناسب برای جوشکاری موفق آلیاژهای نیکل بسیار مهم است. فرآیندهای رایج جوشکاری عبارتند از: جوشکاری قوسی تنگستن با گاز (GTAW)، جوشکاری قوس فلزی با گاز (GMAW)، جوشکاری با پرتو الکترونی (EBW) و جوشکاری درز مقاومتی. GTAW اغلب به دلیل دقت و توانایی آن در تولید جوش های تمیز با حداقل پاشش ترجیح داده می شود. GMAW، با نرخ رسوب بالاتر، یک گزینه مناسب است اما نیاز به کنترل دقیق گازهای محافظ و گرمای ورودی دارد. EBW نفوذ عمیقی را ارائه می دهد و برای جوشکاری مقاطع نازک یا اتصال فلزات غیرمشابه مناسب است. انتخاب فلز پرکننده یکی دیگر از جنبه های کلیدی جوشکاری آلیاژهای نیکل است. فلزات پرکننده باید با فلز پایه سازگار بوده و مقاومت در برابر خوردگی و خواص مکانیکی لازم را داشته باشند. فلزات پرکننده مبتنی بر نیکل معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند و بسته به شرایط سرویس و ویژگی‌های مورد نیاز، می‌توانند با آلیاژ پایه مطابقت یا عدم تطابق داشته باشند. فلز پرکننده همچنین باید قبل از استفاده کاملاً گاز زدایی شود تا از به دام افتادن هیدروژن جلوگیری شود که می تواند باعث بسته شدن سرد یا سایر نقص ها شود. مواد مصرفی مانند شار یا گازهای بی اثر مانند آرگون یا هلیوم را می توان برای محافظت از جوش در برابر آلودگی جوی و برای تثبیت قوس استفاده کرد. در برخی موارد، شارها همچنین می توانند به تشکیل سرباره کمک کنند، که می تواند به جلوگیری از آلودگی فلز جوش کمک کند.

آلیاژهای نیکل به دلیل خواص مکانیکی برجسته و مقاومت در برابر خوردگی در دماهای بالا مشهور هستند که عمدتاً به دلیل فرآیندهای عملیات حرارتی است که ریزساختار آنها را اصلاح می کند و عملکرد آنها را بهینه می کند. عملیات حرارتی شامل مجموعه ای از فرآیندها مانند بازپخت، تصفیه محلول، کهنگی، سخت شدن رسوبی، و تلطیف می باشد که هر کدام متناسب با ویژگی ها و الزامات خاص آلیاژ نیکل مورد نظر است. بازپخت یک فرآیند معمول عملیات حرارتی است که برای کاهش تنش های داخلی، بهبود شکل پذیری و تسهیل شکل دهی یا ماشین کاری برای آلیاژهای نیکل اعمال می شود. در طول بازپخت، آلیاژ تا دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد گرم می شود و سپس با سرعت مناسب خنک می شود. این فرآیند به دانه‌های بدون کرنش اجازه می‌دهد تا رشد کنند و به طور موثر اثرات سخت شدن کار قبلی را از بین ببرد. درمان محلول، همچنین به عنوان آنیل کامل شناخته می شود، برای دستیابی به یک ریزساختار تک فاز در آلیاژهای نیکل مقاوم در برابر سن استفاده می شود. این تصفیه شامل بالا بردن آلیاژ تا دمایی بالاتر از حد حلالیت جامد عناصر تقویت کننده و سپس خاموش کردن سریع آن برای یخ زدن در این عناصر در محلول جامد است. این فرآیند برای درمان های پیری یا بارش بعدی آماده سازی است. سخت شدن رسوبی روشی است که برای افزایش قابل توجه استحکام تسلیم آلیاژهای نیکل استفاده می شود. پس از تصفیه محلول، آلیاژ تحت یک چرخه گرمایش کنترل شده قرار می گیرد که رسوب فازهای خاصی را در ماتریس تشویق می کند. سرعت سرد شدن پس از این تصفیه می تواند بر اندازه و توزیع رسوبات تأثیر بگذارد که به نوبه خود خواص مکانیکی آلیاژ را تعیین می کند. سخت شدن سن یک فرآیند مرتبط است که در آن آلیاژ در دماهای بالا برای فواصل زمانی مشخص نگهداری می شود تا رسوب مراحل سخت شدن را القا کند. این فرآیند به دقت کنترل می شود تا به استحکام مورد نظر دست یابد بدون اینکه شکل پذیری بیش از حد به خطر بیفتد. کنترل پارامترهای عملیات حرارتی، از جمله دما، زمان، نرخ گرمایش و سرمایش، و ماهیت چرخه های حرارتی، برای دستیابی به خواص مطلوب در آلیاژهای نیکل بسیار مهم است. به عنوان مثال، سرعت خنک‌سازی خیلی سریع ممکن است منجر به تنش‌های باقی‌مانده یا ریزساختار غیرهمگن شود، در حالی که سرعت بسیار آهسته ممکن است به فازهای ناخواسته اجازه دهد که زودرس رسوب کنند. اثربخشی عملیات حرارتی بر روی آلیاژهای نیکل به ترکیب آلیاژ و شرایط خدمات خاصی که با آن مواجه خواهد شد بستگی دارد. برخی از آلیاژها ممکن است به چندین مرحله عملیات حرارتی یا ترکیبی از آنها نیاز داشته باشند تا تعادل بهینه بین استحکام، شکل پذیری و مقاومت در برابر خوردگی حاصل شود.