برای موتورهای توربین گازی صنعتی، نیروی محرکه پیوسته برای بهبود بازده، عملکرد و کاهش هزینه ها به مصرف گسترده مواد با ظرفیت های دمای بالا و استحکام زیاد نیاز است، مثل سوپرآلیاژهای پایه نیکل. این مواد باید ظرفیت جوش پذیری خوبی داشته باشند تا نیازهای طراحی قطعات و مهندسین ساخت را برآورده کنند. جوش پذیری توانایی یک فلز یا ترکیبی از فلزات برای جوشکاری تحت شرایط تولید به یک ساختار طراحی شده خاص است تا ظیفه درست در شرایط سرویس را برآورده کند، این تعریف توسط انجمن جوشکاری آمریکا ارائه شده است. بسیاری از سوپرآلیاژهای پایه نیکل جوش پذیری ضعیفی دارند. مقادیر نسبتا زیاد از آلومینیوم و تیتانیوم برای مکانیزم استحکام دهی مواد (تشکیل دهنده فاز γ́) است که مشکل جدی در فرایند اتصال دهی با روش های جوشکاری مرسوم است. پیرسازی در منطقه متاثر از حرارت باعث ترک خوردن پیرکرنشی می شود. به دلیل کاربرد گسترده جوشکاری برای ساخت و تعمیر قطعات بخش داغ موتورهای توربین گازی صنعتی و هوایی، جوش پذیری سوپرآلیاژهای پایه نیکل مقاوم به حرارت اهمیت زیادی دارد.

بر اسا س مقدار عنصر آلیاژی، جوش پذیری آلیاژهای پایه نیکل با هم متفاوت است. آلیاژهای استحکام دهی شده با محلول جامد (مثل هاستلوی x و 625IN) قابل جوشکاری هستند و بدون مشکل با روش های جوشکاری قوسی تنگستن-گاز (TIG) یا لیزر جوشکاری می شوند. البته به شرط آن که فرایندهای جوشکاری مطلوب و عملیات حرارتی مناسب پس از جوشکاری استفاده شود. آلیاژهای رسوب سختی با کسر حجمی کم رسوب (مثل 718IN و واسپالوی) به ترک خوردن حساس هستند و در حالت محلول سازی شده جوشکاری می شوند. به هر حال، این آلیاژها جوش پذیر هستند. آلیاژهای با کسر حجمی زیاد فاز γ́ (مثل 939IN، 738IN و 247 M-MAR) غیرقابل جوشکاری هستند یا جوشکاری آن ها به سختی انجام می شود. این ها آلیاژهای عملکرد بالاتری دارند و در قطعات مسیر گاز داغ استفاده می شوند به نحوی که انعطاف پذیری در ساخت یا تعمیر آن ها با جوشکاری یا ساخت بسیار مفید است.

بر اساس محدوده دمایی ترک خوردن، فرایند ترک خوردن در سوپرآلیاژهای پایه نیکل به گروه های مختلف تقسیم می شود. ترک خوردن سرد معمولا با فرایند جوشکاری و ناخالصی ها (مثل شکست هیدروژنی در دمای اتاق) در ارتباط است. در منطقه متاثر از حرارت (منطقه ذوب حین فرایند جوشکاری چند پاس)، پدیده ترک گرم، شامل ترک خوردن پیرکرنشی و ترک خوردن در اثر شیب انعطاف پذیری  در دمای بالا اتفاق می افتد، اما نیاز به حضور فاز مذاب نمی باشد. بنابراین، آن ها همچنین به ترک خوردن حالت جامد نیز شناخته می شوند. ترک خوردن گرم در دماهای بالا اتفاق می افتد که شامل حضور فازهای مذاب است، و امکان تشکیل ترک در منطقه مذاب و منطقه متاثر از حرارت وجود دارد.

 

ترک خوردن انجمادی

ترک خوردن انجمادی به ترک خوردن خط مرکزی جوش شناخته می شود و در مجموعه ترک خوردن گرم قرار دارد، زیرا مستقیما بعد از جوشکاری اتفاق می افتد. مکانیزم ترک خوردن انجمادی در شکل 1 نشان داده شده است. ترک خوردن انجمادی به دقت به عنوان یک اصطلاح کلی استفاده می شود، زیرا مکانیزم ترک خوردن خاصی است. فلز جوش تازه رسوب گذاری شده از اطراف حوضچه جوش به سمت مرکز آن منجمد می شود و خط مرکزی آخرین منطقه ای است که منجمد می شود. لایه مذاب توسط تنش های کرنشی ایجاد شده با انقباض انجمادی جدا شده، یک ترک در مرکز منطقه مذاب جوش ایجاد می شود.

 

شکل 1: توضیح مکانیزم ترک خوردن انجمادی در جوش

 

عناصر استحکام بخش مرزدانه ای (مثل بور، کربن و زیرکونیوم) موجب افزایش احتمال ترک خوردن انجمادی می شوند، زیرا این عناصر بعد از ذوب به مناطق بین دندریتی جدایش می یابند و لایه مذاب با نقطه ذوب کم تشکیل می شود. فسفر و گورد تاثیر مشابهی دارند و باید تا حد امکان در کمترین مقدار نگه داشته شوند، زیرا آلیاژ از این عناصر مزیتی نمی برد. عناصر آلیاژی اضافی که گستره انجماد را افزایش می دهند در تسهیل ترک خوردن انجمادی موثر هستند. بنابراین، عناصر حل شونده نفوذی یک عامل مضر و مهم در بحث ترک خوردن انجمادی هستند، زیرا بر گستره دمای انجماد در فصل مشترک جامد/مذاب و تشکیل فازهای یوتکتیکی موثر هستند. وجود یک گستره دمایی انجمادی باعث تشکیل منطقه جامد+مذاب می شود که به منطقه خمیری موسوم است. در منطقه خمیری که لایه مذاب نهایی تشکیل می شود، ترک انجمادی به راحتی گسترش می یابد. منطقه خمیری بزرگ تر، شانس ترک خوردن انجمادی را افزایش می دهد. بنابراین، نرخ انجماد بالاتر می تواند مانع از فرایند ترک خوردن انجماید شود، اما به شدت تابع نرخ نفوذ عناصر آلیاژی است. بر اساس یک قانون کلی، سوپرآلیاژهای پایه نیکل با گستره دمای انجمادی بیشتر، به شدت حساس به ترک خوردن انجمادی هستند.

 

ترک خوردن ذوبی

یک نوع دیگر از ترک خوردن گرم، ترک خوردن ذوبی است که در فصل مشترک جوش-منطقه متاثر از حرارت در مرزدانه ها اتفاق می افتد. ترک خوردن ذوبی HAZ در منطقه ذوب جزئی واقع شده است، معمولا به PMZ نشاخته می شود، برخلاف ترک خوردن انجمادی جوش است که در منطقه ذوب جوش رُخ می دهد. این منطقه در HAZ و نزدیک به منطقه ذوب است. ترک خوردن ذوبی هنگامی اتفاق می افتد که حرارت از جوش موجب ذوب شدن فازهای با نقطه ذوب کم در مرزدانه ها در منطقه متاثر از حرارت می شود. یک لایه مذاب در مرزدانه ها تشکیل می شود که سپس با تنش های حرارتی کششی انجماد جوش جدا می شود. در سوپرآلیاژهای پایه نیکل، فازهایی وجود دارد که احتمالا ذوب می شوند و شامل کاربیدهای MC و C6M، فاز لاویز و σ است .حرارت ورودی کمتر می تواند عرض HAZ را کاهش دهد، بنابراین قرارگیری کمتر ماده در برابر دما و تنش موجب کاهش ترک خوردن ذوبی می شود. این عومل می توانند در کاهش این نوع ترک خوردن موثر باشند. عامل دیگر در حساسیت ماده به ترک خوردن ذوب ساختار دانه است. در HAZ، ساختار درشت دانه موجب افزایش احتمال ترک خوردن ذوبی می شود، زیرا مرزدانه های حاوی عناصر جدایش یافته بیشتری هستند و احتمال تشکیل فازهای با دمای ذوب کم وجود دارد. ریزساختارهای ریزدانه کمتر مستعد به ترک خوردن ذوبی هستند، مثل آن هایی که در شرایط کار شده هستند یا با روش تولید افزایش تولید شده اند. فرض بر این است که اضافه کردن منیزیوم و منگنز موجب کاهش ترک خوردن ذوبی می شود. عناصری مثل کربن، بور، زیرکونیوم، فسفر و گوگرد در آلیاژ 939IN تقریبا احتمال تشکیل فازهای با نقطه ذوب کم را افزایش می دهد.

ترک خوردن پیرکرنشی

ترک خوردن پیرکرنشی (SAC) یک پدیده خاص در آلیاژهای رسوب سختی پایه نیکل است. این یک نوع ترک خوردن سرد یا ترک خوردن حالت جامد است. این پدیده هنگامی که ماده جوشکاری می شود، اتفاق نمی افتد، اما زمانی که مجددا گرم می شود تا عملیات حرارتی پس از جوشکاری کامل شود، اغلب به عنوان ترک خوردن گرمایش مجدد یا ترک خوردن با عملیات حرارتی پس از جوشکاری شناخته می شود. SAC معمولا در HAZ مشاهده می شود و ترک ها اغلب بین دانه ای هستند. در اوایل دهه 1960 و 70 میلادی، مکانیزم کلی SAC توسط محققین زیادی بررسی شده است. به هر حال، محققین معمولا موافقت کردند که این ترک ها به دلیل تنش های اضافی رسوب γ́ تشکیل شده اند که نمی تواند در مرزدانه  دفع شود. هنگامی که γ́ در زمینه γ رسوب می کند، تنش های ایجاد شده با عدم انطباق بین پارامترهای شبکه ایجاد می شود. تنش های پسماند از فرایند جوشکاری می تواند تنش ها را تشدید کند و ریزساختار انعطاف پذیری خود را از دست بدهد که به دلیل رسوب کاربید در مرزدانه ها است.

بر اساس نظریه های Dupont و همکاران، حساسیت به SAC به دلیل رسوب با کسر حجمی زیاد فاز γ́ است. آلیاژهای با مقدار Al+Ti بیشتر از %6 وزنی در این گروه قرار دارند. معیار کیفی از حساسیت به SAC، جمع مقدار تیتانیوم و آلومینیوم است (شکل 2). در آلیاژهایی که رسوب γ́ با سرعت بیشتری تشکیل می شود، بیشتر به پیرکرنشی حساس هستند. فاز γ˝ عامل استحکام دهی آلیاژهایی مثل 718IN است که در نرخ آرام تر رسوب می کند و کمتر به SAC حساس هستند. در حقیقت آلیاژ 718IN برای حل مشکل بیان شده ابداع شده است.

 

 شکل 2: تاثیر تیتانیوم و آلومینیوم بر حساسیت به ترک خوردن پیرکرنشی

 

ترک خوردن در اثر شیب انعطاف پذیری

ترک خوردن ناشی از شیب انعطاف پذیری (DDG) یک پدیده ترک خوردن حالت جامد است که اغلب در آلیاژهای آستنیتی اتفاق می-افتد. به هر حال، برای سوپرآلیاژهای پایه نیکل متداول نمی باشد. همچنین، مواد با مقادیر کم گوگرد، فسفر و بور در برابر انجماد مقاومت می کنند. ترک خوردن مذابی یک ترک خوردن بین دانه ای است. در فلز جوش یا منطقه متاثر از حرارت، هنگامی که ماده مجددا گرم می شود، به عنوان مثال، در جوشکاری چند پاس، این پدیده اتفاق می افتد. بسیاری مواد در دماهای نزدیک به نقطه ذوب انعطاف-پذیری بالایی دارند که با کاهش دما کم می شود. به هر حال، برخی مواد شیب انعطاف پذیری دارند، یعنی گستره ای از دما بین Tm6/0 و Tm9/0 که انعطاف پذیری آن ها به طور قابل توجهی کم است. ترک خوردن ناشی از شیب انعطاف پذیری هنگامی اتفاق می افتد که دمای ماده به سمت این محدوده کاهش انعطاف پذیری برود. این محدوده دمایی بین 800 و °C 1150 برای سوپرآلیاژهای پایه نیکل است، به دلیل این DDC با لغزش مرزدانه ای اتفاق می افتد، مقاومت در برابر DDC با مرزدانه های زیگزاگ یا مورفولوژی مرزدانه-ای دندانه دار یا ریزساختارهای مرزدانه ای حاوی رسوب زیاد بهبود می یابد.