دانلود مقاله آلیاژ های بکار رفته در پره های توربین

آلیاژهای بکار رفته در توربین گازی معمولاً از جنس سوپرآلیاژهای پایه نیکل (پره های متحرک) و پایه کبالت (پره های ثابت) می باشد. روشهای عمده تولید پره ها معمولاً ریخته گری و فورج می باشند نحوه ساخت پره های سوپرآلیاژها در سال 1940 شروع شد. و از آن به بعد پیشرفتهای قابل توجه در نحوه ساخت و افزایش استحکام صورت گرفت که ذوب در خلاء بصورت القایی (VIM) بصورت تجاری از سال 1950 و بعد از آن آلیاژهای پلی کریستالی از سال 1970 شروع به تولید شد.

از دهه 60، آلیاژهای پلی کریستال دارای نظم دانه ای خاصی شده بطوریکه انجماد جهت دار پره های توربین در سال 1980 پره های تک کریستالی وارد مرحله ای جدید از تولید شدند.

خلاصه از مشخصات سوپر آلیاژ های پایه نیکلی

سوپرآلیاژها، موادی هستند که در حرارتهای بالا (85% دمای ذوب آلیاژ) دارای استحکام مکانیکی بالا و مقاوم در برابر از بین رفتن سطح (مثلاً خوراکی) می باشند. سوپرآلیاژهای پایه نیکلی از مهمترین و پرکاربردترین آلیاژها در مقایسه با سوپرآلیاژ پایه کبالت و یا پایه آهن بشمار می روند وجود نیکل بعنوان فلز پایه می تواند باعث استحکام پذیری این آلیاژ با روشهای معمول (رسوب سختی) شود. با آلیاژ نمودن با کروم و آلومینیوم می توان پایداری سطح آلیاژ بدست آمده را جهت کاربردهای مختلف مهیا نمود.

ترکیبات شیمیایی سوپرآلیاژهای پایه نیکلی

ترکیبات شیمیایی بسیاری از سوپرآلیاژهای پایه نیکل که با بیش از 12 عنصر می‌باشند یکی از پیچیده ترین آلیاژها بشمار می روند. در عملیات ذوب ریزی عناصر مضری مثل سیلسیوم، فتقر، گوگرد، اکسیژن و نیتروژن کنترل و عناصر ناچیز مثل سلنیوم، بیموت و سرب در حد PPm (خصوصاً برای ساخت قطعات با شرایط بحرانی) نگهداشته

ایجاد و تشکیل کاربید های مفید می گردند. و از طرفی عناصر کرم و آلومینیوم باعث پایداری سطح می شوند و با ایجاد لایه اکسیدی محافظ ،  مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی را افزایش می دهند.

میکروساختارهای سوپرآلیاژهای پایه نیکل:

فازهای عمده ای در آلیاژهای پایه نیکل وجود دارد که عبارتند از:

فاز زمینه : این فاز بصورت پیوسته و غیر مغناطیسی می باشد این فاز در برگیرنده درصد بالایی از عناصر کبالت، آهن، کرم، مولیبدن و تنگستن می باشد. نیکل خالص معمولاً دارای خواص خزشی ضعیفی است در حالیکه سوپرآلیاژهای نیکل با داشتن فاز  دارای استحکام بالا در درجه حرارتهای زیاد می باشد.

فاز : وقتی مقدار کافی آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژ اضافه شود رسوبات با ترکیب Ti و  با شبکه f:c.c در زمینه  ایجاد می شود در فاز  ممکن است عناصری مثل Nb، Ta و Cr بطور محسوس وجود داشته باشند.

فاز  دارای ترکیب بین فلزی (Intermetalic compound) با شبکه f.c.c با شرایط (Super laftic) شبیه ساختار  بوده که دارای نظم پر دامنه می باشد، این فاز تا دمای ذوب خودش یعنی  پایداری خود را حفظ می کند،  بدلیل هم ساختار بودن با فاز زمینه  (f.c.c) یک سازگاری (Coherent) مناسبی را بوجود می آورد.

عناصری هم چون Ta، Nb، Ti سخت کننده های محلول جامد (Solid-solution hardeners) در دمای محیط بشمار می روند. W و Mo هم در دمای محیط و هم در دمای بالا باعث افزایش استحکام می شوند، در حالیکه Co بصورت محلول جامد باعث افزایش استحکام  نمی شود.

فاز : ترکیب فاز بصورت  با ساختار شبکه ای bct است که بیشتر در آلیاژ Ni-fe بوجود می آیند (مثل سوپرآلیاژهای IN-718, IN-706 این فاز در دمای پائین و میانی دارای استحکام خوبی است ولی در دمای بالا () ناپایدار می باشد. بر خلاف فاز ، فاز  بعلت نا هم خوانی و بی نظمی باعث ایجاد تنش برشی می کند. این فاز همراه با ممکن است در زمینه   رسوب کند.

بررسی مرز دانه ها:

با افزایش مقدار کمی بر و زیر کو نیم خواص خزشی سوپرآلیاژهای پایه نیکل بهبود یافته و یک چشم انداز قابل توجهی از پیشرفت در زمینه کاربردهای سوپرآلیاژها ایجاد نموده است. قابلیت فورج کاری (Forge ability) و ایجاد خواص برتر با افزودن (0.01-0.05) منیزیم میسر شده است عقیده بر این است که وجود منیزیم حرکت سولفور در مرز دانه که باعث ایجاد فاز تردی را می کند قفل می کند که هنوز مکانیزم عمل روشن نیست. وجود عناصری مثل بر و زیرکونیم در مرز دانه باعث سدی در برابر حرکت ترکه در مرز دانه خصوصاً در شرایط دما و تنش بالا می شود. تأثیر بر و زیرکونیم بیشتر در سوپرآلیاژهای دانه درشت باعث بهبود و خواص گسیختگی می شود.

بر هم چنین رسوب کاربیدها در مرز دانه را با کم کردن مقدار کربن، کاهش می دهد منیزیم هم چنین نقشی در آلیاژ دارد. بهر صورت این دسته عناصر باعث تغییر شکست از حالت مرز دانه ای (Intergranulas) به حالت درون دانه ای (Trarsganulay) می‌کند که این امر با افزایش داکتیلتی ذاتی در سوپرآلیاژ بوجود می آید.

کاربیدها:

نقش کاربیدها در سوپرآلیاژ بسیار حساس می باشد. کاربیدها اغلب در آلیاژهای پایه نیکل بر روی مرز دانه ها رسوب می کنند در حالیکه در سوپرآلیاژهای پایه کبالت و آهن در محلهای بین دانه ای (Intryranolas) راسب می شوند. طبق بررسیهای جدید بعمل آمده به نظر می رسد کاربیدهای مرزدانه ای بزی داکتیلیتی مضر بوده ولی بعضی از محققین عقیده دارند که کاربیدهای مجزا (مثل حالت منیزیم) باعث بهبود خواص استحکام گسیختگی در دمای بالا می شود. متداولترین کاربیدها در آلیاژهای پایه نیکل MC و  و  می باشند کاربید MC معمولاً بصورت درشت، راندم و حالت مکعبی یا شکل نقطه نستعلیقی است ساختار MC بصورت (F.c.c) بوده که در حین انجماد بوجود می آیند.

کاربیدهای MC معمولاً منبع کربنی برای واکنشهای فازهای ایجاد شده بعدی در حین عملیات حرارتی بشمار می روند.

در بعضی از آلیاژها مثل IN-901 و A286، لایه های MC در امتداد مرزدانه ها تشکیل می شوند که باعث کاهش داکتیلیتی می شوند. Tic و HFC در این دسته از پایدارترین کاربیدها بشمار می روند البته در صورت وجود Mo و W فعالیت کاربیدهای مثل Tic و HFC و Nbc کم شده و بجای Ti و Hf و Nb، عناصر Mo و W جایگزین می شود.

بعنوان مثال کاربید  در الیاژها udimet 500، M-252 و Rene 77 پیدا می‌شود که با اضافه کردن Mo یا W، نیروهای بین پیوندی کاربیدهای Mc کم شده و واکنشهای جدیدی بوجود می آید. اضافه کردن Nb و Ta اثرات تشکیل  و  در عملیات حرارتی یا پس از سرویس این کاربیدها را خنثی می کند. آلیاژهای اخیر که مقدار Ta و Nb آن بالاست کاربیدهای Mc به راحتی تحت عملیات حل کردن (Solution treat) در محدوده دمائی 1200-1260 خورد نمی شوند و از بین نمی روند.

کاربیدهای  براحتی در آلیاژهای با کرم متوسط با بالا ایجاد می شوند. این کاربیدها در محدوده دمائی  در حین عملیات حرارتی و در طی سرویس بوجود می آیند. این کاربید ممکن است از Mc و یا از کربن موجود در زمینه متولد شود.  ممکن است در مرزدانها، در راستای باندهای دوقلوئی (along twin bands)پهنه خطای انباشتگی (staching faults) و یا در انتهای دوقلوی (twin end) دیده شوند. کاربیدهای  دارای ساختار مکعبی کمپلکس بوده که اگر اتمهای کربن آنها حذف شوند دقیقاً به فاز  از ذرات  بوجود می آیند در صورت وجود W یا Mo ترکیب  بصورت  در می آید که مقدار محسوسی نیکل می تواند با C جایگزین شود، Co و آهن هم می توانند جایگزین کرم شوند.

کاربید  بطور قابل ملاحظه ای بر روی خواص سوپر آلیاژ ها تأثیر می گذارند. با حضور ذرات جدا از هم بویلر مکانیزم ممانعت کنندگی لغزش مرزدانه (grain-boundry sliding) استحکام گسیختگی بهبود می یابد. بهرحال انهدام و زوال قطعه ممکن است در اثر شکست ذرات و یا خرد شدن فصل مشترک کاربید با زمینه، شروع شود. این موضوع در ساختار سلولی یا خانه خانه ای کاربید  نیز بوجود بیاید و در نهایت باعث زوال ناگهانی قطعه شود، البته با عملیات حرارتی و یا فرآیندهای کنترل شده ای از این تخریب می توان جلوگیری بعمل آورد.

کاربید  دارای ساختار مکعبی پیچیده ای است این کاربید در محدوده دمائی  با وجود مقدار 6-8% Mo یا w بوجود می آیند. انواع کاربید  با  در آلیاژهای Rene 80, 41، AF1753 بوجود می آیند فرمولهای عمده  بصورت  و  در محدوده وسیعی از هاتسلوی X دیده می شود، Cr، کاربیدها بوجود می آید. (خصوصاً کاربیدهای ) بدلیل پایداری بیشتر کاربید  نسبت به  این کاربید جهت ایجاد رسوبات مرز دانه ای و کنترل اندازه دانه برای آلیاژهای کار شده اهمیت بیشتری دارد.

واکنشهای کاربید:

کاربید  از عمده ترین صنایع کربن در بسیاری در آلیاژهای پایه نیکل در دمای پائین تر از  می باشد بهرحال کاربید MC در طی عملیات حرارتی و حین سرویس به آهستگی تجزیه و باعث آزاد شدن کربن جهت انجام چند واکنش مهم می‌شود. نتیجه کلی این واکنشها تشکیل کاربید  می باشد.

یا

کاربید  هم با این مکانیزم تشکیل می شود.

با واکنش  و  که ممکن است وابسته به نوع آلیاژ، یکی از آنها بوجود بیاید.

بعنوان مثال در آلیاژ Rene 41 و M-252 در طی عملیات حرارتی ابتدا فازهای MC و  تولید شده و با افزایش زمان به فاز  تبدیل شوند این واکنشها باعث ایجاد رسوبات کاربیدی در محلهای مختلف خصوصاً در مرزدانه می شود. از سودمندترین اثر واکنش ها جهت کاربرد مقاومت بالای خزش) کنترل نمودن عملیات حرارتی در واکنش (1) می باشد. هم فازهای کاربید و  بوجود آمده در جلوگیری از لغزش مرزدانه بسیار مفید هستند. در بسیاری از موارد  ایجاد شده، بر روی کاربید می نشیند و حالت پوششی به خود می گیرد که در این حالت مرزدانه نسبتاً حالت داکتیلتی پیدا نموده و یک منطقه مقاوم به خزش محسوب خواهد شد.

عملیات حرارتی سوپرآلیاژهای پایه نیکل:

بعد از عملیات ماشین کاری و تهیه قطعات کار شده (Wrought) ابتدا عملیات انحلال (Solution treated) جهت انحلال  و کاربیدهای پایدار MC بر روی آنها صورت می‌گیرد عملیات انحلال ثانوی در دمای پائین تر صورت می گیرد.

مقداری از فاز  ممکن است در طی عملیات سرد شدن در هوا در عملیات انحلال ایجاد شود. سپس مرحله پیر کردن (Aging) در چند مرحله صورت می گیرد که نتیجه آن تشکیل فاز  درشت و هم چنین رسوب های اضافی در زمینه می باشد. عملیات پیر کردن معمولاً در دو مرحله صورت می گیرد. در مرحله اول  به مدت 24 ساعت و سپس مرحله دوم در دمای پائین تر مثلاً دمای  به مدت 16 ساعت خواهد بود که در نهایت تمام  رسوب در فاز زمینه رسوب خواهند نمود.  که در مرحله دوم ایجاد می شود ریزتر بوده که این ریز بودن باعث بهبود و افزایش طول عمر گسیختگی قطعه می شود. سرد شدن هر دو عملیات انحلال و پیر کردن در هوا صورت می پذیرد.

توزیع کاربید هم توسط عملیات حرارتی قابل کنترل می باشد. بهینه کردن عملیات حرارتی مربوط به تشکیل  یکی از راههای جلوگیری از ایجاد مشکلات احتمالی کاربیدها بر روی مرزدانه ها می باشد.