Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός με τεχνικές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας υπερκραμάτων νικελίου
Authors: Αλεξανδράτου Αναστασία 
Published: May 2023

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά λεπτομερώς τη μικρο- και νανοδομή και αξιολογεί τη μηχανική συμπεριφορά του πρόσφατα αναπτυγμένου υπερκράματος Ni Haynes® 282®, κατόπιν υποβολής του σε θερμικές κατεργασίες που αποσκοπούν στην αντιμετώπιση των προκλήσεων που προκύπτουν από τις ολοένα αυξανόμενες ανάγκες της αεροναυπηγικής βιομηχανίας και της βιομηχανίας παραγωγής ενέργειας. Με γνώμονα την ανάπτυξη του κράματος για παρατεταμένη έκθεση σε υπερκρίσιμες συνθήκες λειτουργίας (Advanced Ultra-Supercritical conditions, A-USC), αφενός αξιολογήθηκε η θερμική του σταθερότητα και αφετέρου, σχεδιάστηκαν εναλλακτικές θερμικές κατεργασίες, μέσω κατάλληλης τροποποίησης της πρότυπης θερμικής κατεργασίας που ορίζει η κατασκευάστρια εταιρεία Haynes International. Πιο συγκεκριμένα, το κράμα υπεβλήθη, αρχικά, στην πρότυπη θερμική κατεργασία ομογενοποίησης και γήρανσης 2 σταδίων, ώστε να πραγματοποιηθεί ο πλήρης χαρακτηρισμός της μικρο- και νανοδομής, καθώς και των μηχανικών του ιδιοτήτων και να προσδιοριστεί η επίδραση του εκάστοτε σταδίου της θερμικής κατεργασίας στη διαμόρφωση των ανωτέρω. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές θερμικής σταθερότητας, μέσω υποβολής του Haynes® 282® σε υπεργηράνσεις 100, 500 και 1000 ωρών στη θερμοκρασία των 788°C, η οποία αποτελεί τη θερμοκρασία του δεύτερου σταδίου γήρανσης της πρότυπης κατεργασίας κι επίσης, εμπίπτει στο θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας του κράματος στις προαναφερθείσες εφαρμογές. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η τροποποίηση του πρότυπου σταδίου της ομογενοποίησης και συγκεκριμένα, η μεταβολή του ρυθμού απόψυξης, ώστε να προσδιοριστεί η επίδρασή του στη διαμόρφωση της νανοδομής και της μηχανικής συμπεριφοράς του κράματος. Τέλος, διενεργήθηκε τροποποίηση των πρότυπων συνθηκών γήρανσης, μέσω αντικατάστασης των δύο σταδίων, από ένα μόνο, με στόχο το σχεδιασμό μιας νέας, απλούστερης, λιγότερο χρονοβόρας και ταυτόχρονα, οικονομικότερης θερμικής κατεργασίας, η οποία όχι μόνο δύναται να βελτιστοποιήσει την παραγωγική διαδικασία σύνθετων και ευμεγεθών εξαρτημάτων, αλλά και εν δυνάμει να βελτιώσει τις ιδιότητες του κράματος, εδραιώνοντάς το ως το πλέον κατάλληλο υλικό για εφαρμογή στη βιομηχανία παραγωγής ενέργειας. Η επίδραση των ανωτέρω θερμικών κατεργασιών στην εξέλιξη της μικρο- και νανοδομής του H282 προσδιορίστηκε μέσω τεχνικών Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης και Διερχόμενης Δέσμης Ηλεκτρονίων, σε συνδυασμό με μεθόδους Φασματοσκοπίας Ακτίνων Χ Διασποράς Ενέργειας και Απώλειας Ενέργειας Ηλεκτρονίων, καθώς και Περιθλασιμετρίας Ακτίνων Χ. Η συσχέτιση των μικροδομικών χαρακτηριστικών με τη μηχανική απόκριση του κράματος κατέστη δυνατή, πραγματοποιώντας δοκιμές σκληρομέτρησης και μονοαξονικής εφελκυστικής καταπόνησης σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μέσω της διερεύνησης που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, εντοπίστηκαν και ερμηνεύθηκαν για πρώτη φορά φαινόμενα διάχυσης, μετασχηματισμοί φάσεων και αντιδράσεις κατακρήμνισης, με σημαντική επίδραση στις ιδιότητες που καθιστούν το H282 κατάλληλο για παρατεταμένη έκθεση σε απαιτητικές συνθήκες λειτουργίας. Επιπλέον, η παραμετροποίηση της πρότυπης θερμικής κατεργασίας επέφερε θετικά αποτελέσματα, προσδιορίζοντας τις βέλτιστες συνθήκες μέσω των οποίων επιτυγχάνεται 50% μείωση του συνολικού χρόνου της κατεργασίας και ταυτόχρονα, κατάλληλη διαμόρφωση της μικρο- και νανοδομής του H282, ώστε οι μηχανικές ιδιότητές του να διατηρούνται αμετάβλητες ή/και να βελτιώνονται.