توسعه سوپرآلیاژ پایه کبالت بدون تنگستن از طریق یادگیری ماشینی و روش های
Accelerated design of novel W-free high-strength Co-base superalloys with extremely wide ϒ/ϒʹregion by machine learning and CALPHAD method
سوپرآلیاژها، شامل آلیاژهای پایه نیکل، کبالت، آهن و آهن-نیکل، کاربردهای متعددی در زمینه های گوناگون مانند صنعت پتروشیمی، تجهیزات تولید برق، توربین های گازی، و صنعت هوا و فضا، دارند. امروزه، پیشرفت های جدید در زمینه دمای کاری این آلیاژها به صورت جدی توسط محققین پیگیری می شود تا به خواسته های موجود در صنعت پاسخ داده شود. معمولا اظهار می شود که سوپرآلیاژهای پایه نیکل به دلیل دمای سولیدوس پایین، به حد نهایی خود رسیده اند. در نتیجه، به مواد با دمای بالاتر نیاز خواهد بود. سوپرآلیاژهای پایه کبالت دارای دمای سالیدوس بالاتری نسبت به رقبای نیکلی هستند، اما استحکام دمای بالای ضعیفی دارند. بعلاوه، کم بودن فاز L12-ordered ϓʹ مسئول خواص مکانیکی ضعیف آلیاژهای پایه کبالت است که این فاز در سوپرآلیاژهای پایه نیکل به عنوان فاز استحکام دهنده شناخته می شوند. در نتیجه، به مدت بیش از پنجاه سال، محققین تلاش کرده اند که فاز ϓ را در سوپرآلیاژهای پایه کبالت وارد کنند تا استحکام دما بالای آن ها را تقویت کنند. اما تا کنون، انتظارها از این نوع آلیاژها برآروده نشده است که به دلیل اختلاف قابل توجهی شبکه ای بین زمینه و فاز استحکام دهی ϓ می باشد.
در سال 2006، سوپرآلیاژ ϓ-Co3(Al,W) توسط ایشیدا کشف شد و نشان دادند که اختلاف شبکه ای آلیاژ Co-Al-W نزدیک به سوپرآلیاژهای پایه نیکل است که می تواند از طریق افزودن عناصر آلیاژسازی اضافی مانند مولیبدن و تانتالیم، آن را اصلاح نمود. علاوه بر آن، سختی ویکرز آلیاژهای Co-Al-W بیشتر از سوپرآلیاژ Waspaloy (پایه نیکل) است. مطالعات بیشتر مشخص کرد که استحکام آلیاژ Co-Al-W وابستگی غیرعادی ای به دما دارد و دمای مربوط به استحکام بیشینه در محدوده دمایی غیرعادی بیشتر از دمای مورد نظر در فاز L12-ordered Ni3Al است. عناصر Ta, Mo, Rh, Ir, Pt, Ni, Nb و Ti نقش مثبتی در پایدارسازی فاز ϓ-Co3(Al, W) دارند. علاوه بر آن، معمولا آلیاژهای پایه کبالت تقویت شده با فاز ϓ اختلاف شبکه ای مثبتی دارند که با افزایش دما، کاهش می یابد و منجر به پایداری بهتر میکروساختار در دمای بالاتر می گردد. در عین حال، خواص مقاومت به خستگی خوب در سوپرآلیاژهای پایه کبالت تقویت شده با ϓ را می توان به قایقک های نوع N نسبت داد که در تست فشار تشکیل می شوند، در حالی که قایقک های نوع-P در تست کشش مشاهده می شوند. در نتیجه، توسعه سوپرآلیاژهای پایه کبالت تقویت شده با ϓ به موضوع پژوهش های فراوانی تبدیل شده است.
با این وجود، ناحیه باریک دوفازی ϓ/ϒ و دانسیتع جرمی بسیار بالا (حضور عنصر تنگستن) در سیستم Co-Al-W از کاربرد این سوپرآلیاژ در هوا و فضا جلوگیری می کند. همچنین، هنوز هم خواص مکانیکی دما بالای آلیاژهای پایه Co-Al-W باید افزایش یابد. تا کنون، فاز L12-ordered در سیستم های Co-Ga-W، Co-Ge-W، Co-Nb-V، Co-Ta-V، Co-Mo-Al، Co-Ti-Cr، Co-Ti-V و Co-V-Al مشاهده شده است. برای یافتن یک فاز ϓ جدید در سیستم های سه تایی، رابطه فازی در سیستم های سه تایی Co-V-X (X نشان دهنده Mo، Ti، Ta، Mn، و Al) بررسی شده اند. علاوه بر آن، ترکیب سه تایی –Co3(V,Al)ϓ در سیستم Co-V-Al، ترکیب سه تایی غنی از وانادیم در سیستم سه تایی Co-V-Ta در دمای 800 درجه، کشف شده اند. اخیرا، روش یادگیری ماشینی که یک مدل ریاضی برای توصیف رابطه بین ترکیب، میکروساختار، پارامترهای فرایند، و خواص مواد ایجاد می کند، پتانسیل بسیار خوبی در طراحی مواد نشان داده است و در پیش بینی خواص هزاران سیستم نیز موفق بوده است و مواد بسیاری از این طریق بهینه شده اند.
در این پژوهش که در مجله Acta Materialia منتشر شده است، به سوپرآلیاژهای پایه کبالت پرداخته شده است که تصور می شود بتوانند در دمای بالاتر از سوپرآلیاژهای پایه نیکل کار کنند. به این منظور، یادگیری ماشینی به کار رفته است تا وابستگی دمای solvus و مساحت فاز ϓ به ترکیب آلیاژ پیش بینی شود. در نتیجه، طراحی آلیاژهای Co-V-Ta تقویت شده با فاز ϓ، با سرعت بالایی انجام شد. در این حال، عناصر آلیاژی، تیتانیم و آلومینیوم، نیز به کار رفتند تا پایداری فاز ϓ و میکروساختار گاما/ ϓ پایدار شود. در این مقاله، از طریق الگوریتم یادگیری ماشینی و روش های CALPHAD، آلیاژ پایه Co-V-Ta بدون تنگستن توسعه یافته است که دارای دانسیته جرمی پایین، ناحیه ϒ/ϓ بسیار وسیع، دمای Solvus بالای فاز ϓ (تا 1044 درجه)، و استحکام بالایی است. نتایج پروب اتمی نشان داد که تیتانیم تشکیل دهنده بسیار قدرتمند فاز ϓ است و در نتیجه انتظار می رود که پایداری ترمودینامیکی فاز ϓ را بهبود دهد. بعلاوه، در کنار استحکام کششی بسیار بالای (18.7 گیگاپاسکال) فاز ϓ، که از طریق محاسبات اتمی بدست آمده است، استحکام آلیاژ دارای تیتانیم بسیار بیشتر از سوپرآلیاژهای پایه کبالت تقویت شده با ϓ می باشد. مشخصا، مقدار استحکام گزارش شده بسیار بالاتر از آلیاژ معروف Co-9Al-9W است (322 مگاپاسکال بیشتر)، که قابل قیاس با برخی از سوپرآلیاژهای تجاری پایه نیکل می باشد (در دمای 750 سانتیگراد). بنابراین، امکان تولید سیستم پایه Co-V-Ta به عنوان یک گزینه عملی برای توسعه سوپرآلیاژهای نوین پایه کبالت، به شدت توسعه می شود.
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (مترس – MatRes)
