بررسی تأثیر شدت‌جریان جوشکاری بر مورفولوژی و ریزساختار فلز جوش آلیاژ IN738LC به روش جوشکاری قوسی گاز تنگستن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

فاصله بازوهای ثانویه دندریتی یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های ریزساختاری در انجماد دندریتی آلیاژها، حین فرایندهای ریخته‎ گری و جوشکاری است و تأثیر قابل‌توجهی بر سختی و استحکام کششی آلیاژ دارد. آلیاژ دارد. عامل اساسی مؤثر بر فاصله بازوی دندریت ثانویه، سرعت سرمایش حین انجماد حوضچه مذاب است و اندازه ‎گیری عملی سرعت سرمایش فلز جوش در حین فرایند جوشکاری کاری بسیار دشوار است. از این ‌رو باید از روش‎ های عددی برای پیش‌بینی آن، استفاده نمود. در این پژوهش، ابتدا سه نمونه سوپرآلیاژ IN738-LC با جریان‌های 95، 120 و 132 آمپر تولید و یک مدل حرارتی المان محدود سه‌بعدی برای تحلیل جریان گرمای گذرا و محاسبه نرخ سرمایش در نقاط مختلف فلز جوش توسعه یافت. نتایج مدل با آزمایش‌های تجربی صحه‌گذاری شد. نتایج نشان داد که نرخ سرمایش در نمونه 95 آمپر در نزدیکی خط ذوب بین 650 تا 800 کلوین بر ثانیه و در نمونه 132 آمپر بین 270 تا 350 کلوین بر ثانیه است. سپس با استفاده از تصاویر میکروسکوپی، فاصله بازوهای ثانویه دندریتی در مناطق مختلف فلز جوش اندازه‌گیری و ثوابت a و n در رابطه ریاضی بین فاصله بازوهای ثانویه دندریتی و سرعت سرمایش به دست آمد که به ترتیب برابر با 34/62 و 0/3 شد. این مدل، ابزاری کارآمد برای پیش‌بینی ریزساختار و خواص مکانیکی در جوشکاری ارائه می‌دهد و می‌تواند در بهینه‌سازی فرآیندهای جوشکاری مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of the effect of welding current intensity on the morphology and microstructure of IN738LC superalloy weld metal by GTAW method

نویسندگان [English]

  • Reza Nazari
  • Eslam Ranjbarnodeh
Department of Materials and Metallurgical Engineering,, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Nickel-based superalloys, such as IN738LC, are widely used in high-temperature applications due to their excellent mechanical properties and corrosion resistance. However, welding these alloys presents challenges due to rapid solidification, which affects the dendritic microstructure of the weld metal. In this study, the effect of welding current intensity on the secondary dendrite arm spacing (SDAS) and cooling rate in Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) of IN738LC was investigated through numerical modeling and experimental validation. A three-dimensional finite element heat transfer model was developed to predict the thermal distribution and cooling rates in the weld pool. Experimental welding was performed at three different current levels (95 A, 120 A, and 132 A), and the resulting microstructures were analyzed using metallographic techniques. The results showed that increasing the welding current leads to a significant reduction in the cooling rate and an increase in SDAS. A mathematical relationship between SDAS and the cooling rate was established, and the model predictions were validated with experimental measurements. The distance between the secondary dendritic arms was measured in different regions of the weld metal, and the constants a and n in the mathematical relationship between the distance between the secondary dendritic arms and the cooling rate were obtained, which were equal to 34.62 and 0.3, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Secondary Dendrite Arm Spacing
  • Nickel-based Superalloys
  • Finite Element Modeling
  • Dendritic Microstructure
  • Weld Pool

مراجع

[1] G.V. Ramana, B. Yelamasetti, T.V. Vardhan, Study on weldability and effect of post heat treatment on mechanical and metallurgical properties of dissimilar AA 2025, AA 5083 and AA7075 GTAW weld joints, Materials Today: Proceedings, 46 (2021) 878-882.
[2] E.A. Kihara, H.L. Costa, D. Ferreira Filho, Effect of the Shielding Gas and Heat Treatment in Inconel 625 Coatings Deposited by GMAW Process, Coatings, 14(4) (2024) 396.
[3] D.K. Ganji, G. Rajyalakshmi, Influence of alloying compositions on the properties of nickel-based superalloys: a review, Recent Advances in Mechanical Engineering: Select Proceedings of NCAME 2019,  (2020) 537-555.
[4] C. Kästner, M. Neugebauer, K. Schricker, J.P. Bergmann, Strategies for increasing the productivity of pulsed laser cladding of hot-crack susceptible nickel-base superalloy Inconel 738 LC, Journal of Manufacturing and Materials Processing, 4(3) (2020) 84.
[5] E. Bonifaz, J. Conde, A. Czekanski, Determination of secondary dendrite arm spacing for IN-738LC gas-tungsten-arc-welds, Journal of Multiscale Modelling, 10(04) (2019) 1850012.
[6] S. Sanchez, P. Smith, Z. Xu, G. Gaspard, C.J. Hyde, W.W. Wits, I.A. Ashcroft, H. Chen, A.T. Clare, Powder Bed Fusion of nickel-based superalloys: A review, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 165 (2021) 103729.
[7] A. International, Metals Handbook Vol. 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, ASM, 1990.
[8] M. Handbook, Welding, brazing, and soldering, (No Title), 6 (1993) 322.
[9] S. Kou, Welding metallurgy, New Jersey, USA, 431(446) (2003) 223-225.
[10] D. Dubé, A. Couture, Y. Carbonneau, M. Fiset, R. Angers, R. Tremblay, Secondary dendrite arm spacings in magnesium alloy AZ91D: from plaster moulding to laser remelting, International Journal of Cast Metals Research, 11(3) (1998) 139-144.
[11] E. Bonifaz, Submodeling simulations in fusion welds, Journal of Multiscale Modelling, 4(04) (2012) 1250014.
[12] E. Bonifaz, N. Richards, Modeling cast IN-738 superalloy gas tungsten arc welds, Acta Materialia, 57(6) (2009) 1785-1794.
[13] L. Chen, Y. Wei, S. Qiu, W. Zhao, Macro–micro scale modeling and simulation of columnar grain evolution during gas tungsten arc welding of nickel-based alloy GH3039, Metallurgical and Materials Transactions A, 51 (2020) 887-896.
[14] M.C. Flemings, Solidification processing, Metallurgical and Materials Transactions B, 5 (1974) 2121-2134.
[15] B. Choudhury, M. Chandrasekaran, D. Devarasiddappa, Development of ANN modelling for estimation of weld strength and integrated optimization for GTAW of Inconel 825 sheets used in aero engine components, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 42 (2020) 1-16.
[16] O. Ojo, N. Richards, M. Chaturvedi, Study of the fusion zone and heat-affected zone microstructures in tungsten inert gas-welded INCONEL 738LC superalloy, Metallurgical and materials transactions A, 37 (2006) 421-433.
[17] A. Kermanpur, N. Varahraam, E. Engilehei, M. Mohammadzadeh, P. Davami, Directional solidification of Ni base superalloy IN738LC to improve creep properties, Materials science and technology, 16(5) (2000) 579-586.
[18]Franke MM, Hilbinger RM, Konrad CH, Glatzel U, Singer RF, Numerical determination of secondary dendrite arm spacing for IN738LC investment castings, Metallurgical and Materials Transactions A, 42 (2011) 1847-1853.
[19] B. Lim, H. Chen, Z. Chen, N. Haghdadi, X. Liao, S. Primig, S.S. Babu, A.J. Breen, S.P. Ringer, Microstructure-property gradients in Ni-based superalloy (Inconel 738) additively manufactured via electron beam powder bed fusion, Additive Manufacturing, 46 (2021) 102121.
[20] A.B. Hardness, Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials, ASTM Committee: West Conshohocken, PA, USA, 384 (1999) 399.
[21] "Investigation of Measurement and Calculation of Residual Stresses in Welded Structures Using the Hole-Drilling Strain Gauge Technique and Finite Element Method," Ministry of Science, Research, and Technology - Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic) - Faculty of Mechanical Engineering, 2008. (in persian)
[22] N. Tabrizi, P. Raisi, A.M. Kalagar, M. Cheraghzadeh, A. Ranjbarnoodeh, Investigation of the susceptibility to strain-aging cracking in TIG-welded IN738LC superalloy without filler metal using numerical modeling, Metallurgical Engineering, 24(4) (2021) 286-297.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 56، شماره 12
1403
صفحه 1593-1608

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار