مصارف مهم نیکل

بوسیله t.javareshkian در تیر 22, 1398

مقدمه:

با توجه به رشد روز افزون بازار توربين هاي گازي در سطح دنيا ونياز به تعميرات قطعات توربينها باعث شد تا صنعت تعميرات به صورت جدي واصولي در ايران پي گيري شود و چون تعميرات قطعات داغ توربين ها كه جنس آنها از سوپر آلياژها مي باشند با مشكلاتي همراه مي‌باشد ويك سري دستورالعمل خاص خود را مي طلبد كه بايد با روشهاي استاندارد وكنترل شده اي تعميرات روي آنها صورت گيرد كه فعلا در ايران در شركت قطعات توربين شهريار به روش جوشكاري TiG انجام مي گيرد كه در آينده پيش بيني مي شود از پروسه جوشكاري ليزر نيز استفاده گردد.

در تمام سوپر آلياژهاي در توليد با مشكلاتي مواجه مي باشيم كه نياز را براي تعميرات ضروري نمود از آن جمله سوپر آلياژ IN738 مي‌باشد كه در اين پروژه به نكات مهم در جوشكاري اين سوپر آلياژ پرداخته ايم

فصل اول

1- مصارف مهم نيكل عبارتند از:

تهيه فولادهاي ضدزنگ، آلياژهاي ويژه (آلياژ نقره و نيكل جهت ساخت لوازم خانگي)، آب كاري كروم و ضرب مسكوك و نمك هاي نيكل مصارف شيميايي داشته و در برخي باتري ها كاربرد دارد.

2- تهيه فولادهاي نيكلي ضدزنگ و آلياژها:

در حدود 65% نيكل مصرف شده در جهان غرب براي ساخت فولاد ضد زنگ Austenitic استفاده شده است و 12% براي سوپرآلياژها (آلياژهاي مقاوم در برابر خوردگي مانند آلياژ نقره آلماني كه شامل آلياژ- Ni- Zn-Cu مي‌باشد) استفاده مي شود. فولاد نيكل براي صفحات حفاظتي (دفاعي) و گار صندوق هاي ضد سرقت استفاده مي شود.

اهميت نيكل در توانايي و قابليت هاي آن نهفته است كه به هنگام تركيب با ديگر عناصر براي ساختن آلياژ، مقاومت و استحكام فلز و نيز مقاومت در برابر خوردگي آن را در بازه گسترده اي از دما، افزايش مي‌دهد. اين فلز در صنعت آهن و فولاد ضروري است و آلياژهاي نيكل دار نقش كليدي را در توسعه مواد مورد نظر در صنايع هوافضا ايفا مي كنند. توليد ساليانه اين فلز از 103*20 تن در سال 1920 تا 103*750 در سال 1976 افزايش يافته است كه بطور متوسط ساليانه رشدي برابر با 3% داشته است. اما، در بين سالهاي 1976 تا 1986 هيچ تغيير محسوسي در توليد يا مصرف اين فلز رخ نداده است و مصرف جهاني نيكل در سالهاي 1981 و 1982 كاهش يافته و به 650000 تن در سال رسيده است. ذخيره تعيين شده نيكل بيش از مقدار مورد نياز است و ميتواند براي سالهاي متمادي همين سقف توليد را داشت.

توليد استيل بيش از 50 درصد نيكل را مصرف مي‌كند و آلياژهاي آهني و آلياژهاي مبتني بر پايه نيكل در مقام هاي بعدي مصرف نيكل جاي دارند. آبكاري تنها 11% از نيكل توليدي را مورد استفاده قرار مي‌دهد. محصولات حاصل از آن عبارتند از استيل كه در ظرفشويي ها، لباسشويي ها، ظروف آشپزخانه و نيز بخش هاي آبكاري شده با نيكل براي دوچرخه،موتور سيكلت، جواهر آلات، فريم عينك، وسايل موسيقي كه نيكل توليدي را مصرف مي كنند. مقاومت بالاي استيل نيكل دار، وزن سبك آنها و هزينه نگهداري اندك آنها منجر به رشد فزاينده مصرف آنها در تانكرها و قطارها در زمينه ساخت و ساز و ماشين آلات شده است.

در دهه هفتاد، مصرف نيكل در صنايع خودرو سازي به شدت افت كرد كه به علت كاهش مصرف ميانگين آن در اتومبيل ها از 2 كيلوگرم در سال 1970 به 5/0 كيلوگرم در سال 1985 بود. صنايع شيميايي چهارمين بازار بزرگ مصرف نيكل را دارد كه براي توليد استيل بكار مي رود.

صنعت ساخت و ساز، صنايع الكترونيك هر يك 6% مصرف نيكل سال 1987 را به خود اختصاص دادند. مصرف استيل در ساختمان سازي رو به افزايش است، زيرا در تجهيزات مربوط به به غذا و تجهيزات كنترل محيط زيست مصرف مي شوند نرخ رشد مصرف نيكل در صنايع الكترونيك بيش از 10 درصد در سال است. آلياژ 42، كه يك آلياژ- نيكل- آهن است، كاربرد فراواني در چهارچوبه هاي سربي دارد، حال آنكه، آلياژ مس- نيكل- قلع 72500 C، در فنرها، گيره كاغذ و پايانه ها مصرف مي شود.

امروزه آلياژهاي مس، نيكل با 75 درصد مس و 25 درصد نيكل كاربرد گسترده اي يافته اند، هرچند كه كانادا، هلند و جمهوري آفريقايي جنوبي هنوز از سكه هاي نيكل خالص استفاده مي كنند زيرا كه از دوام بيشتري برخوردار است.

در صنايع هوافضا، نيكل يك عنصر كليدي در ابر آلياژهاست كه در برابر تنش و خوردگي در دماي CO 1000 و بيشتر مقاومت مي‌كند. اين مواد در موتورهاي توربين گاز مورد استفاده قرار مي گيرند.

الف- انرژي الكتريكي و هسته اي:

در صنعت برق و توليد نيرو، استيل هاي نيكل دار كاربرد گسترده اي در نيروگاههاي هسته دارند و كاربرد روز افزوني در سيستم هاي زدايشگر براي زدايش دي اكسيد گوگرد از نيروگاههاي زغالي، نفتي و گازي دارند.

ب- كاتاليزور:

مواد شيميايي نيكل دار در توليد كاتاليزورهاي نيكل مصرف مي شوند كه در هيدروژنه كردن روغن نباتي، در تصفيه روغن هاي سنگين، تشديد كننده هاي سراميك و نمك نيكل در آبكاري بكار مي رود. نيكل در قطعات ريز تقسيم شده يك كاتاليزور براي نفت‌هاي هيدروژني است.

ج- حفاري:

مواد نيكل دار در صنعت نفت از سرمته حفاري تا لوله كشي و مخازن فرآوري طرح‌هاي پتروشيمي و ساخت سكوهاي نفتي دريايي ايفا مي كنند.

د- صنايع دريايي:

در صنايع دريايي، مواد نيكل دار در كشتي ها و پروژه هاي شيرين سازي آب شور دريا بكار مي روند.

هـ -كاربردهاي ديگر:

23% باقي مانده مصرف در باتريهاي شارژ مجدد (مانند باتريهاي هيدريد فلزي نيكل و باتريهاي كادميوم نيكل)، كاتاليزورها، آزمايشگاه هاي شيميايي در بوته ها. محصولات شيميايي ديگر، ضرب سكه و ريخته گري و آبكاري الكتريكي تقسيم شده است.

نيكل خاصيت مغناطيسي دارد و مي تواند با مقادير زيادي كبالت همراه شود و اين دو در آهن متئوريتي يافت مي شوند. اين فلز نفوذپذيري مغناطيسي بالايي دارد و براي نشان دادن ميدان هاي مغناطيسي استفاده مي شود مانند آلياژ Alnico در مغناطيس استفاده مي شود.

ضرب سكه در ايالات متحده و كانادا كه نيكلي كه در ساخت سكه هاي سنتي استفاده مي شود nickles مي گويند.

3- تاريخچه:

استفاده از نيكل مي تواند در بيشتر از (BC 3500 سال قبل از ميلاد) رديابي شود. برنز در جايي كه اكنون Syria نام دارد، محتواي نيكل بالاتر از 2% نشان مي‌دهد.

در بيشتر نسخه هاي خطي چيني، مس سفيد مشاهده شده است كه در مشرق زمين بين 1400 تا 1700 است. اما از آن جايي كه كانسارهاي نيكل به آساني با كانسارهاي نقره اشتباه گرفته مي شود پس از درك اين فلز و زمانهاي استفاده از آن ضروري مي‌باشد.

كانه هاي حاوي نيكل مانند Kupfernickle نيكلين يا مس دروغين يا كاذب بود كه ارزش آن بخاطر شيشه رنگي سبز بود.

در سال 1751، Baron Axel Fredrik Crostedt تلاش نمود تا مس را از Kupfernickle استخراج نمايد (كه حالا نيكوليت ناميده مي شود) و در عوض يك فلز سفيد بدست مي آيد كه نيكل نام دارد. سكه نيكل اوليه فلز خالصي بود كه در سال 1881 ايجاد شد.

تصور مي شود كه نيكل از واژه “kupfer Nickle” گرفته شده باشد كه معدنكاران قرون وسطاي ساكسون به كاني اي كه به اشتباه آنرا كانه مس مي پنداشتند ولي نمي توانستند از آن مس استحصال كنند اطلاق مي شد ولي اين كاني آرسنيد نيكل يا نيكوليت (NiAs) بود.

براي نخستين بار، كاني شناس سوئدي اكسل كرونستد در سال 1751، نيكل را بصورت يك فلز جدا كرد كه اين عمل در حين مطالعه گرسدورفيت (NiAsS) معدن Los سوئد اتفاق افتاد. موقعيت نيكل بعنوان يك عنصر مستقل در سال 1775 توسط توربرن برگمان و همكارانش تأييد شد اما اين مسئله تا سال 1804 كه جرميس ريشتر يك نمونه نسبتاً خالص از فلز را بدست آورد و خواص آنرا توصيف كرد، بطور جدي مطرح نشده بود.

آلياژهاي نيكل دار را مدتها پيش از كرونستد بكار مي بردند. چيني ها براي سده هاي متمادي از مس سفيد (40% مس، 32% نيكل، 25% روي و 3% آهن) كه ظاهري نقره‌اي داشت، استفاده مي كردند. اين مواد در اواخر قرن هيجده به مقدار كمي در اروپا استفاده مي شود. بعلت بهاي آن كه بهاي نقره است، اين آلياژ توانايي بالقوه اي دارد تا جانشين نقره شود. تا دهه 1830، آلياژهاي مس، نيكل، روي كه بنام نقره آلماني شهرت داشتند و پس از آن آلياژ نيكل نقره در حد تجاري و كلان در آلمان و انگلستان به ميزان فراواني توليد مي شدند. علاوه بر رنگ نقره اي آن، قالبگيري و كار كردن آن ساده بود، در برابر هوازدگي مقاومت مي كرد و توليد اقتصادي بود. تغيير و ابداع چشمگير بعدي در سال 1857 رخ داد كه در آن هنگام آمريكا سكه هاي مس، نيكل ضرب كرد (داراي 12% نيكل) و ديگر كشورها از آن تقليد كردند.

در اواسط دهه 1800، نيكل به ميزان كمي از كانه هاي سولفيدي معادن آلمان، نروژ، سوئد و روسيه توليد مي شد. هر چند كه نيكل فلزي خالص براي نخستين بار در سال 1838 در آلمان توليد شد، توليد جهاني نيكل تا سال 1876 كمتر از 1000 تن در سال بود.

در فاصله سالهاي 1880-1870، وقتيكه پاركز، ماربو و رايلي كاربرد آنرا در تهيه آلياژ نشان دادند و فلايت مان موفق به تهيه نيكل چكش خوار شد و آبكاري با نيكل با موفقيت انجام شد، تقاضا براي نيكل به يكباره افزايش يافت. اولين ورق زره فولاد نيكل در سال 1885 در فرانسه و پس از مدت كوتاهي در ايتاليا، انگلستان و آمريكا ساخته شد. در اوايل 1890 خصوصيات مناسب فولادهاي نيكل در نيروي دريايي منجر به تقاضاي شديد براي نيكل شد.

در سال 1863، پير گارنير، كانه هاي اكسيد نيكل نيوكالدونيا را كشف كرد و از سال 1875 اين جزيره فرانسوي، بزرگترين توليد كننده نيكل شد كه تا سال 1905 كه جزء كانادا شد، اين مقام را همچنان حفظ كرد. استخراج كانه هاي سولفيدي حوضه سادبري در اونتاريوي كانادا از سال 1886 آغاز گشت و اين پيكره هاي معدني، مهمترين ذخيره‌هاي نيكل جهان را براي عرضه به بازارهاي جهاني براي زمان طولاني از قرن بيستم در اختيار داشتند. حتي در سال 1950، منطقه سادبري 95% نيكل دنياي غرب را تأمين مي كرد. از آن زمان به بعد، جايگاه رفيع كانادا رو به افول نهاد و تا سال 1980، نيكل براي مدت طولاني در طول قرن بيستم از اين منطقه معدنكاري، ذوب و پالايش (خالص سازي) مي شد.

تا پايان جنگ جهاني اول، نيكل صرفاً براي مقاصد نظامي بكار مي رفت، اما پژوهش‌هاي فراوان بين دو جنگ جهاني، در زمينه استفاده هاي احتمالي صنعتي نيكل، به كار بردهاي نوين فراواني انجاميد. در دهه 1990، هزاران آلياژ نيكل مورد استفاده قرار مي گرفت كه ميزان نيكل آنها بين 99% تا 1% (براي سخت كردن فولاد) تغيير مي كرد.

4- مشخصات:

تصور مي شود كه نيكل از واژه آلماني Kupfernickel به معناي مس سفيد گرفته شده است. نماد عنصر نيكل Ni بوده و با عدد اتمي 28 مي‌باشد. نيكل بيستمين عنصر فراوان در پوسته زمين است و فراواني نيكل در پوسته زمين 020/0% مي‌باشد. نيكل فلز سفيد- نقره اي رنگي است كه داراي صيقل (جلا) است. اين فلز در گروه آهن بوده و سخت، قابل انعطاف و شكل پذير است.

5- كاني هاي نيكل:

نيكل در طبيعت به طور خالص يافت نمي شود برخي كانيهاي نيكل دار موجود در معادن نيكل نسبتاً كمياب هستند و از اين ميان فقط پنتلانديت، گارنيريت و ليمونيت نيكل دار اهميت اقتصادي دارند. واژه گارنيريت را معمولاً به مخلوطي از سيليكاتهاي نيكل دار با ميزان متفاوتي از نيكل اطلاق مي كنند و مي تواند مخلوط كلوئيدي از سيليس و هيدروكسيد نيكل باشد. ليمونيت نيكل دار واژه اي است كه براي تعريف اكسيدهاي آهن نيكل دار اندكي متبلور شده بكار مي رود كه مهمترين جزء آنها گوتيت (Feo.OH-a) است.

پيروتيت جزء كانيهاي نيكل بحساب نمي آيد، چون كه يك سولفيد آهن است و نيكل در تركيب و ساختمان آن جايكاه مهمي را بخود اختصاص نمي دهد. تركيب پيروتيت كانسارهاي مختلف از Fes تا Fe7S8 تغيير مي‌كند. مقدار كمي نيكل ميتواند جانشين آهن شود و در نتيجه برخي پپروتيت ها را نيكل دار مي‌كند (بدون در نظر گرفتن ذرات احتمالي پنتلانديت كه ممكن است در بلور وجود داشته باشند.

نيكل با آرسنيك تلفيق مي شود و كاني نيكوليت را به وجود مي آورد.
نيكل با سولفور تلفيق مي شود و كاني ميلريت Millerite را به وجود مي آورد.
نيكل با آرسنيك و سولفور تلفيق مي شود و نيكل درخشان را به وجود مي آورد.

الف) كانه هاي سولفيدي

كانه هاي سولفيد نيكل اساساً عبارتند از پپروتيت نيكل دار، پنتلانديت (9S8(NiFe و كالكوپپريت). (CuFeS2 كانيهاي ديگر كه به ميزان كم اما با اهميت يافت مي‌شوند عبارتند از مگنتيت (Fe3O4) ايلمنيت (FeTiO3) پپريت (FeS2)، كوبانيت (CuFe2S3) و ويولاريت. كانه هاي سولفيدي معمولاً 2-4/0 درصد نيكل، 2-2/0 درصد مس، 30-10 درصد آهن و 20-5 درصد گوگرد دارند. سيليس، منيزيم، آلومينا و اكسيد كلسيم نقش توازن بار الكتريكي را بعهده دارند.

كالكوپپريت كه مهمترين كاني مس دار است و نيز كوبانيت كه اغلب به ميزان كمتري وجود دارد، از كانيهاي نيكل دار بحساب مي آيند.

نيكوليت(NiAs)
پنتلانديت (Ni, Fe) 9S8

پنتلانديت متداولترين كاني سولفيدي، احتمالاً منبع 60% نيكل جهان بحساب مي‌آيد.

پپروتيت نيكل دار

پپروتيت نيكل دار معمولاً فراوانترين فاز كانه نيكل است كه داراي نيكل بصورت انحلال جامد- Ni5/0- 2/0% علاوه بر پنتلانديت هاي بسيار دانه ريز بصورت انكلوزيون است.

كلوآنتيت (NiAs2)
ميلريت (NiS)
برايت اوپتيت (NiSb)
مورنوسيت (7H2o)
آنابرژيت (Ni(AsO4)2.8H2o)
گارنيريت ((Ni,Mg)6Si4O10(OH)8
مكيناويت
براويت
پاركريت

6) معرفي و كاربرد سوپر آلياژها

سوپرآلياژها در واقع آلياژهايي مقاوم در برابر حرارت، خوردگي و اكسيداسيون مي‌باشند كه به لحاظ تركيب شيميايي شامل سه گروه پايه نيكل، نيكل- آهن و پايه كبالت مي باشند. اولين استفاده از سوپر آلياژها در ساخت توربين هاي گازي، طرح هاي تبديل ذغال سنگ، صنايع شيميايي و صنايعي كه نياز به مقاومت حرارتي و خوردگي داشته‌اند بوده است.امروزه تناژ وسيعي از قطعات مصرفي در توربين هاي گازي از جنس سوپر آلياژها مي باشند. در ذيل به بعضي از مصارف اين قطعات اشاره شده است:

توربين هاي گازي هواپيما
توربين هاي بخار نيروگاه هاي توليد برق
ساخت قالب هاي ريخته گري و ابزارهاي گرمكار
مصارف پزشكي و دندانپزشكي
فضاپيماها
تجهيزات عمليات حرارتي
سيستم هاي نوتروني و هسته اي
سيستم هاي شيميايي و پتروشيمي
تجهيزات كنترل آلودگي
تجهيزات و كوره هاي نورد فلزات
مبدل هاي حرارتي تبديل ذغال سنگ

به منظور انتخاب سوپر آلياژها جهت مصرف در كاربردهاي فوق لازم است خواص فني نظير شكل پذيري، استحكام، مقاومت خزشي، استحكام خستگي و پايداري سطحي در نظر گرفته شوند.

تقسيم بندي سوپرآلياژها بر حسب روش توليد

با توجه به نحوه توليد مي توان سوپرآلياژها را به چهار گروه كلي تقسيم بندي نمودكه عبارتند از:

1)سوپرآلياژهاي كارپذير

سوپرآلياژهاي كارپذير در حقيقت گروهي از سوپرآلياژها هستند كه قابليت كار مكانيكي دارند و از روش هاي مكانيكي مي توان به آنها شكل داد. به منطور توليد مقاطع معيني از سوپرآلياژهاي كارپذير، اولين گام آن است كه شمش هاي سوپرآلياژها به دليل حضور عناصر فعال (عناصري كه سريع در مجاورت هوا اكسيد مي شوند) در شرايط خاصي تهيه شوند.

فرايندهاي ذوب در خلاء در مورد تهيه سوپرآلياژهاي پايه نيكل و پايه آهن جزء ضروريات مي‌باشد. اما در مورد سوپرآلياژهاي پايه كبالت امكان ذوب در هواوجود دارد. اين فرايند به طور خلاصه شامل ذوب القائي تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الكتريكي در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرايندهاي ترمونكانيكي و متالورژي پودر مي باشند. پس از تهيه شمس آلياژهاي كارپذير به يكي از روش هاي فوق عمليات شكل دهي صورت مي گيرد. عمليات شكل دهي سوپرآلياژها نيز مي تواند توسط عمليات متداول كليه آلياژهاي فلزي انجام پذيرد. سوپر آلياژهاي پايه آهن، كبالت و نيكل را مي توان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سيم و اشكال ديگر توسط فرايندهاي نورد، اكستروژن و آهنگري توليد نمود. معمولاً عمليات شكل دهي در دماي بالا صورت مي گيرد و تعداد كمي از سوپرآلياژها را مي توان به صورت سرد شكل دهي نمود.

ساختارهاي يكنواخت و ريزدانه اي كه از شكل دهي سرد حاصل مي شود نسبت به ساختارهاي شكل دادن گرم ارجحيت دارند.

عمليات ترموديناميكي بر روي سوپرآلياژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتي گراد انجام مي شود كه به اين ترتيب در حين شكل دادن عمليات حرارتي نيز صورت مي گيرد.

2)سوپرآلياژهاي متالورژي پودر

بسياري از انواع آلياژهاي كارپذير از طريق فرايندهاي متالورژي پودر توليد مي گردند. امروزه قطعات متالورژي پودر از جنس سوپرآلياژ با دانسيته كامل از طريق روش هاي اكستروژن يا پرسكاري ايزواستاتيك گرم (HIP) توليد مي گردند. مهمترين اين قطعات قيچي ها و سوزنهاي جراحي مي باشند.

فرايندهاي متالورژي پودر به دليل داشتن مزاياي زير بر فرايندهاي ريخته گري ترجيح داده مي شوند هر چند كه معايبي را نيز به همراه خواهند داشت:

يكنواختي در تركيب شيميايي و ساختار كريستالي
ريز بودن اندازه دانه هاي كريستالي
كاهش جدايش ها
راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد

اما مشكلاتي نظير حضور گاز باقيمانده، آلودگي كربني و آخال هاي سراميكي باعث مي‌گردد كه در برخي موارد نيز فرايندهاي شمش ريزي و ترمومكانيكي متداول صورت پذيرند.

3)سوپر آلياژهاي پلي كريستال ريختگي

وجودمحدوديت هاي تكنولوژيكي سبب محدود شدن رشد صنعت سوپر آلياژ مي گردد و بنابراين با پيدايش فرايندهاي جديد توليد، اين صنعت نيز روز به روز توسعه مي يابد. تعداد زيادي از فرايندها را مي توان در توليد قطعات سوپرآلياژ با اندازه نزديك به قطعه نهايي مورد استفاده قرار داد اما اساساً اين قطعات توسط فرايند ريخته گري دقيق توليد مي گردند.

محدود تركيب شيميايي سوپرآلياژهاي ريختگي بسيار گسترده تر از سوپرآلياژهاي كارپذير بوده و بنابراين خواص متنوع تري نيز از اين طريق قابل حصول خواهند بود هرچند كه انعطاف پذيري و مقاومت به خستگي در فرآيندهاي كار مكانيكي بهتر از ريخته گري خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآيندهاي جديد ريخته گري و انجام عمليات حرارتي متعاقب، خواص سوپر آلياژهاي ريختگي نيز افزايش يافته است.

4)سوپر آلياژهاي تك كريستالي انجماد جهت دار

به منظور توسعه توربين هاي گازي مصرفي در هواپيماها و افزايش دماهاي كاري و كارآيي موتورها، به طور مداوم روش هاي توليد سوپر آلياژها در حال بهبود است.

قسمت هاي بحراني توربين ها معمولاً شامل پره هاي تحت فشار بالا، هواكش ها و ديسك ها مي باشند. در طول 15 سال گذشته تحقيقات بسياري در زمينه افزايش راندمان توربين ها صورت گرفته است و عمده اين تحقيقات بر امكان افزايش دماي ورودي، فشار كاري و كاهش هزينه هاي توليد استوار بوده است. توسعه فرايند انجماد جهت دار به منظور توليد تك كريستالي هاي ريختگي سبب شده تا بتوان از اين طريق پره هاي توربين را با دانه هاي جهت دار در راستاي اعمال تنش توليد نمود و به اين ترتيب علاوه بر خواص پايدار حرارتي، استحكام خستگي، استحكام خزشي و انعطاف‌پذيري نيز افزايش يابند.

با توسعه اين تكنولوژي، امروزه در توربين هاي مصرفي در نيروگاه هاي برق نيز از قطعات تك كريستال از جنس سوپرآلياژها استفاده به عمل مي آيد.

در سال هاي اخير شركت هواپيمايي PWA يكي از پيشگامان توليد سوپرآلياژها مي‌باشد و توليد آلياژهاي PWA 1480 به صورت تك كريستال توسط اين شركت، سبب افزايش عمركاري هواپيماي جنگي F-100 گرديده است.

مطالب مرتبط

مذهب و اخلاق

گنهكاران و قدرت بر توبه

کشاورزی

مبارزه با حشرات

روانشناسی

دوستی هایی با وعده ازدواج …

فناوری اطلاعات

هوش مصنوعی

قبلی بعدی 1 از 218

تقسيم بندي سوپرآلياژها بر حسب تركيب شيميايي

به طور كلي اين آلياژها شامل سه گروه پايه نيكل، پايه آهن و پايه كبالت مي باشند كه بسته به درجه حرارت كاربردي مورد استفاده قرار مي گيرند.

الف)سوپر آلياژهاي پايه نيكل

امروزه آلياژهاي نيكل در حالت هاي «تك فازي»، «رسوب سختي شده» و «مستحكم شده توسط رسوبات اسيدي و كامپوزيت ها» در مصارف صنعتي مختلف مورد استفاده قرار مي گيرند.

سوپرآلياژهاي پايه نيكل پيچيده ترين تركيباتي مي باشند كه در قطعات دماي بالا به كار مي روند. در حال حاضر 50 درصد وزن موتورهاي هواپيماهاي پيشرقته از جنس اين آلياژها مي‌باشد. خصوصيات اصلي آلياژهاي نيكل، پايداري حرارتي و قابليت مستحكم شدن مي‌باشد.

بسياري از اين آلياژها حاوي 10 الي 20 درصد كرم، حداكثر 8 درصد آلومينيوم و تيتانيم، 5 تا 15 درصد كبالت و مقادير كمي موليبدن، نيوبيم و تنگستن مي باشند.

دو گروه اصلي از آلياژهاي آهن- نيكل كه ميزان نيكل آنها بيشتر از مقدار آهن است عبارت از گروه Incoloy 706 و Inconel718 مي باشند.

اين آلياژها معمولاً حاوي 3 تا 5 درصد نيوبيم مي باشند و در رديف آلياژهاي پايه نيكل قرار مي گيرند. آلياژهاي پايه نيكل معمولاً تا دماي 650 درجه سانتي گراد استحكام خود را حفظ مي كنند. اما در دماهاي بالاتر به سرعت استحكام خود را از دست مي دهند.

ب)سوپر آلياژهاي پايه آهن

سوپرآلياژهاي پايه آهن نشأت گرفته از فولادهاي زنگ نزن آستينتي مي باشند كه داراي زمينه اي از محلول جامد آهن و نيكل بوده و براي پايداري زمينه نياز به حداقل 25 درصد نيكل است.

گروه هاي متعددي از اين آلياژها تا كنون مشخص گرديده اند كه هر يك با مكانيزم‌هاي خاصي مستحكم مي شوند. برخي از اين آلياژها نظير 57-V و 286-A حاوي 25 تا 35 درصد وزني نيكل مي باشند و استحكامشان به دليل حضور آلومينيوم و تيتانيم مي‌باشد.
گروه دوم الياژهاي پايه آهن كه آلياژهاي X750 و Incoloy901 نمونه هاي آن مي‌باشند، حداقل 40 درصد وزني نيكل داشته و همانند گروه هاي با نيكل بالاتر استحكام بخشي توسط سختي رسوبي صورت مي گيرد.
گروه ديگر اين آلياژها بر پايه آهن- نيكل- كبالت مي باشند و استحكام اين گروه در محدوده 650 درجه سانتي گراد مناسب بوده و ضريب انبساط حرارتي آنها پايين مي‌باشد. اين آلياژها شامل Incoloy با شماره هاي 903،907،909، 1-1-CTX Pyromet و 3-CTX Pyromet و غيره مي باشند.

ج)سوپرآلياژهاي پايه كبالت

سوپرآلياژهاي كارپذير پايه كبالت بر خلاف ساير سوپرآلياژها مكانيزم استحكام بخشي متفاوتي دارند و خواص حرارتي خوبي در دماي حدود 1000 درجه سانتي گراد خواهند داشت.

سوپرآلياژهاي پايه كبالت حاوي كُرم، مقاومت به خوردگي و اكسيداسيون خوبي داشته و هم چنين قابليت جوشكاري و مقاومت به خستگي حرارتي آنها نسبت به آلياژهاي پايه نيكل بالاتر مي‌باشد. از طرف ديگر امكان ذوب و ريخته گري اين آلياژ، در هوا با اتمسفر آرگون مزيت ديگري نسبت به ساير سوپرآلياژها كه نياز به خلاء دارند مي‌باشد.

سه گروه اصلي آلياژهاي پايه كبالت را مي توان به صورت ذيل در نظر گرفت:

آلياژهايي كه در دماهاي بالا در محدوده 650 تا 1150 درجه سانتي گراد مورد استفاده قرار مي گيرند كه شامل آلياژهاي S-816، HAYNES25، 188HAYNES، 25556HAYNES، 50UMCO مي باشند.
آلياژهايي كه تا حدود 650 درجه سانتي گراد به كار مي روند نظير MPTN3، MP159
آلياژ مقاوم به سايش Stellite B6
آلياژ 2525 HAYNES بيشترين كاربرد را در ميان آلياژهاي كارپذير پايه كبالت داشته است و در ساخت قطعات گرمكار نظير توربين هاي گازي، اجزاء راكتورهاي هسته اي، ايمپلنت هاي جراحي و غيره مورد استفاده قرار گرفته اند.
آلياژهاي گروه پايه كبالت كه شامل كرم- تنگستن-كربن مي باشند معروف به آلياژهاي satellite بوده كه به شدت مقاوم به سايش مي باشند.

اين گروه معمولاً در مواردي كه مقاومت سايشي در درجه حرارت هاي بالا مورد نياز باشد به كار مي روند. در واقع سختي اين مواد در دماي بالا حفظ شده و در مواقعي كه نمي توان در حين كار روغنكاري انجام داد به خوبي مورد استفاده قرار مي گيرند.

7- بازار سوپرآلياژها

شايد بتوان گسترش بازار سوپرآلياژها را در دنيا مربوط به صنايع هوا-فضا در نظر گرفت كه با توجه به رشد روزافزون اين صنعت و قطعات يدكي آن در سطح جهان پيش بيني مي گردد كه تنها بازار قطعات يدكي هواپيماها بالغ بر 5.‌4 ميليارد دلار باشد، بررسي ها حاكي از آنست كه تا سال 2015 تعداد 16000 فروند هواپيماي جديد با موتورهاي توربين گازي وارد بازار مي شوند كه نيمي از وزن اين موتورها از جنس سوپرآلياژ خواهد بود.

بر اساس آمارهاي تخميني موجود در ايرن، سوپر آلياژها سالانه به ميزان 80 ميليون دلار در سه وزارت خانه نفت، نيرو و دفاع مورد استفاده مي گيرند.

فصل دوم

1- آلياژهاي بكار رفته در پره هاي توربين

آلياژهاي بكار رفته در توربين گازي معمولاً از جنس سوپرآلياژهاي پايه نيكل (پره هاي متحرك) و پايه كبالت (پره هاي ثابت) مي باشد. روشهاي عمده توليد پره ها معمولاً ريخته گري و فورج مي باشند نحوه ساخت پره هاي سوپرآلياژها در سال 1940 شروع شد. و از آن به بعد پيشرفتهاي قابل توجه در نحوه ساخت و افزايش استحكام صورت گرفت كه ذوب در خلاء بصورت القايي (VIM) بصورت تجاري از سال 1950 و بعد از آن آلياژهاي پلي كريستالي از سال 1970 شروع به توليد شد.

از دهه 60، آلياژهاي پلي كريستال داراي نظم دانه اي خاصي شده بطوريكه انجماد جهت دار پره هاي توربين در سال 1980 پره هاي تك كريستالي وارد مرحله اي جديد از توليد شدند.

2- خلاصه اي از مشخصات سوپرآلياژهاي پايه نيكلي

سوپرآلياژها، موادي هستند كه در حرارتهاي بالا (85% دماي ذوب آلياژ) داراي استحكام مكانيكي بالا و مقاوم در برابر از بين رفتن سطح (مثلاً خوراكي) مي باشند. سوپرآلياژهاي پايه نيكلي از مهمترين و پركاربردترين آلياژها در مقايسه با سوپرآلياژ پايه كبالت و يا پايه آهن بشمار مي روند وجود نيكل بعنوان فلز پايه مي تواند باعث استحكام پذيري اين آلياژ با روشهاي معمول (رسوب سختي) شود. با آلياژ نمودن با كروم و آلومينيوم مي توان پايداري سطح آلياژ بدست آمده را جهت كاربردهاي مختلف مهيا نمود.

3- تركيبات شيميايي سوپرآلياژهاي پايه نيكلي

تركيبات شيميايي بسياري از سوپرآلياژهاي پايه نيكل كه با بيش از 12 عنصر مي‌باشند يكي از پيچيده ترين آلياژها بشمار مي روند. در عمليات ذوب ريزي عناصر مضري مثل سيلسيوم، فسفر، گوگرد، اكسيژن و نيتروژن كنترل و عناصر ناچيز مثل سلنيوم، بيموت و سرب در حد PPm (خصوصاً براي ساخت قطعات با شرايط بحراني) نگهداشته مي‌شوند. كه در اين جا فقط به تركيبات شيميايي سوپرآلياژ IN-738 مي پردازيم.

عناصر

آلياژ

1.75

0.001

0.10

0.90

3.4

1.75

2.6

0.2

8.3

61.6

IN-738

وجود عناصري همچون موليبدن، نيوبيم و تنگستن علاوه بر افزايش استحكام، باعث ايجاد و تشكيل كاربيدهاي مفيد مي گردند. و از طرفي عناصر كرم و آلومينيوم باعث پايداري سطح مي شوند و با ايجاد لايه اكسيدي محافظ ، مقاومت به اكسيداسيون و خوردگي را افزايش مي دهند.
4- ميكروساختارهاي سوپرآلياژهاي پايه نيكل:
فازهاي عمده اي در آلياژهاي پايه نيكل وجود دارد كه عبارتند از:
فاز زمينه : اين فاز بصورت پيوسته و غير مغناطيسي مي باشد اين فاز در برگيرنده درصد بالايي از عناصر كبالت، آهن، كرم، موليبدن و تنگستن مي باشد. نيكل خالص معمولاً داراي خواص خزشي ضعيفي است در حاليكه سوپرآلياژهاي پايه نيكل با داشتن فاز داراي استحكام بالا در درجه حرارتهاي زياد مي باشد.
فاز : وقتي مقدار كافي آلومينيوم و تيتانيوم به آلياژ اضافه شود رسوبات با تركيب Ti و با شبكه f:c.c در زمينه ايجاد مي شود در فاز ممكن است عناصري مثل Nb، Ta و Cr بطور محسوس وجود داشته باشند.
فاز داراي تركيب بين فلزي (Intermetalic compound) با شبكه c.c با شرايط (Super laftic) شبيه ساختار بوده كه داراي نظم پر دامنه مي باشد، اين فاز تا دماي ذوب خودش يعني پايداري خود را حفظ مي كند، بدليل هم ساختار بودن با فاز زمينه (f.c.c) يك سازگاري (Coherent) مناسبي را بوجود مي آورد.
عناصري هم چون Ta، Nb، Ti سخت كننده هاي محلول جامد (Solid-solution hardeners) در دماي محيط بشمار مي روند. W و Mo هم در دماي محيط و هم در دماي بالا باعث افزايش استحكام مي شوند، در حاليكه Co بصورت محلول جامد باعث افزايش استحكام نمي شود.
فاز : تركيب فاز بصورت با ساختار شبكه اي bct است كه بيشتر در آلياژ Ni-fe بوجود مي آيند (مثل سوپرآلياژهاي IN-718, IN-706 اين فاز در دماي پائين و مياني داراي استحكام خوبي است ولي در دماي بالا () ناپايدار مي باشد. بر خلاف فاز ، فاز بعلت نا هم خواني و بي نظمي باعث ايجاد تنش برشي مي كند. اين فاز همراه با ممكن است در زمينه رسوب كند.
5- بررسي مرز دانه ها:
با افزايش مقدار كمي بُر و زير كو نيم خواص خزشي سوپرآلياژهاي پايه نيكل بهبود يافته و يك چشم انداز قابل توجهي از پيشرفت در زمينه كاربردهاي سوپرآلياژها ايجاد نموده است. قابليت فورج كاري (Forge ability) و ايجاد خواص برتر با افزودن (01-0.05) منيزيم ميسر شده است عقيده بر اين است كه وجود منيزيم حركت سولفور در مرز دانه كه باعث ايجاد فاز تردي را مي كند قفل مي كند كه هنوز مكانيزم عمل روشن نيست. وجود عناصري مثل بر و زيركونيم در مرز دانه باعث سدي در برابر حركت تركها در مرز دانه خصوصاً در شرايط دما و تنش بالا مي شود. تأثير بر و زيركونيم بيشتر در سوپرآلياژهاي دانه درشت باعث بهبود و خواص گسيختگي مي شود.
بر هم چنين رسوب كاربيدها در مرز دانه را با كم كردن مقدار كربن، كاهش مي دهد منيزيم هم چنين نقشي در آلياژ دارد. در هرصورت اين دسته عناصر باعث تغيير شكست از حالت مرز دانه اي (Intergranulas) به حالت درون دانه اي (Trarsganulay) مي‌كند كه اين امر با افزايش داكتيلتي ذاتي در سوپرآلياژ بوجود مي‌آيد.
6- كاربيدها:
نقش كاربيدها در سوپرآلياژ بسيار حساس مي باشد. كاربيدها اغلب در آلياژهاي پايه نيكل بر روي مرز دانه ها رسوب مي كنند در حاليكه در سوپرآلياژهاي پايه كبالت و آهن در محلهاي بين دانه اي (Intryranolas) راسب مي شوند. طبق بررسيهاي جديد بعمل آمده به نظر مي رسد كاربيدهاي مرزدانه اي براي داكتيليتي مضر بوده ولي بعضي از محققين عقيده دارند كه كاربيدهاي مجزا (مثل حالت منيزيم) باعث بهبود خواص استحكام گسيختگي در دماي بالا مي شود. متداولترين كاربيدها در آلياژهاي پايه نيكل MC و و مي باشند كاربيد MC معمولاً بصورت درشت، راندم و حالت مكعبي يا شكل نقطه نستعليقي است ساختار MC بصورت (c.c) بوده كه در حين انجماد بوجود مي آيند.
كاربيدهاي MC معمولاً منبع كربني براي واكنشهاي فازهاي ايجاد شده بعدي در حين عمليات حرارتي بشمار مي روند.
در بعضي از آلياژها مثل IN-901 و A286، لايه هاي MC در امتداد مرزدانه ها تشكيل مي شوند كه باعث كاهش داكتيليتي مي شوند. Tic و HFC در اين دسته از پايدارترين كاربيدها بشمار مي روند البته در صورت وجود Mo و W فعاليت كاربيدهاي مثل Tic و HFC و Nbc كم شده و بجاي Ti و Hf و Nb، عناصر Mo و W جايگزين مي شود.
بعنوان مثال كاربيد در الياژها udimet 500، M-252 و Rene 77 پيدا مي‌شود كه با اضافه كردن Mo يا W، نيروهاي بين پيوندي كاربيدهاي Mc كم شده و واكنشهاي جديدي بوجود مي آيد. اضافه كردن Nb و Ta اثرات تشكيل و در عمليات حرارتي يا پس از سرويس اين كاربيدها را خنثي مي كند. آلياژهاي اخير كه مقدار Ta و Nb آن بالاست كاربيدهاي Mc به راحتي تحت عمليات حل كردن (Solution treat) در محدودة دمائي 1200-1260 خورد نمي شوند و از بين نمي روند.
كاربيدهاي براحتي در آلياژهاي با كرم متوسط يا بالا ايجاد مي شوند. اين كاربيدها در محدوده دمائي در حين عمليات حرارتي و در طي سرويس بوجود مي آيند. اين كاربيد ممكن است از Mc و يا از كربن موجود در زمينه متولد شود. ممكن است در مرزدانها، در راستاي باندهاي دوقلوئي (along twin bands)پهنه خطاي انباشتگي (staching faults) و يا در انتهاي دوقلوي (twin end) ديده شوند. كاربيدهاي داراي ساختار مكعبي كمپلكس بوده كه اگر اتمهاي كربن آنها حذف شوند دقيقاً به فاز تبديل مي شوند، در حقيقت فاز از ذرات بوجود مي آيند در صورت وجود W يا Mo تركيب بصورت در مي آيد كه مقدار محسوسي نيكل مي تواند با C جايگزين شود، Co و آهن هم مي توانند جايگزين كرم شوند.
كاربيد بطور قابل ملاحظه اي بر روي خواص سوپرآلياژها تأثير مي گذارند. با حضور ذرات جدا از هم بوسيله مكانيزم ممانعت كنندگي لغزش مرزدانه (grain-boundry sliding) استحكام گسيختگي بهبود مي يابد. بهرحال انهدام و زوال قطعه ممكن است در اثر شكست ذرات و يا خرد شدن فصل مشترك كاربيد با زمينه، شروع شود. اين موضوع در ساختار سلولي يا خانه خانه اي كاربيد نيز بوجود بيايد و در نهايت باعث زوال ناگهاني قطعه شود، البته با عمليات حرارتي و يا فرآيندهاي كنترل شده اي از اين تخريب مي توان جلوگيري كرد.
كاربيد داراي ساختار مكعبي پيچيده اي است اين كاربيد در محدوده دمائي با وجود مقدار 6-8% Mo يا w بوجود مي آيند. انواع كاربيد با در آلياژهاي Rene 80, 41، AF1753 بوجود مي آيند فرمولهاي عمده بصورت و در محدوده وسيعي از هاستلوي X ديده مي شود، بهرحال كاربيدهاي در اثر جايگزيني و يا بجاي كروم Cr، كاربيدها بوجود مي آيد. (خصوصاً كاربيدهاي ) بدليل پايداري بيشتر كاربيد نسبت به اين كاربيد جهت ايجاد رسوبات مرز دانه اي و كنترل اندازه دانه براي آلياژهاي كار شده اهميت بيشتري دارد.
– واكنشهاي كاربيدي:
كاربيد از عمده ترين منابع كربن در بسياري در آلياژهاي پايه نيكل در دماي پائين تر از مي باشد بهرحال كاربيد MC در طي عمليات حرارتي و حين سرويس به آهستگي تجزيه و باعث آزاد شدن كربن جهت انجام چند واكنش مهم مي‌شود. نتيجه كلي اين واكنشها تشكيل كاربيد مي باشد.
كاربيد هم با اين مكانيزم تشكيل مي شود.
با واكنش و كه ممكن است وابسته به نوع آلياژ، يكي از آنها بوجود بيايد.
بعنوان مثال در آلياژ Rene 41 و M-252 در طي عمليات حرارتي ابتدا فازهاي MC و توليد شده و با افزايش زمان به فاز تبديل شوند اين واكنشها باعث ايجاد رسوبات كاربيدي در محلهاي مختلف خصوصاً در مرزدانه مي شود. از سودمندترين اثر واكنش ها جهت كاربرد مقاومت بالاي خزش) كنترل نمودن عمليات حرارتي در واكنش (1) مي باشد. هم فازهاي كاربيد و بوجود آمده در جلوگيري از لغزش مرزدانه بسيار مفيد هستند. در بسياري از موارد ايجاد شده، بر روي كاربيد مي نشيند و حالت پوششي به خود مي گيرد كه در اين حالت مرزدانه نسبتاً حالت داكتيلتي پيدا نموده و يك منطقه مقاوم به خزش محسوب خواهد شد.

7- عمليات حرارتي سوپرآلياژهاي پايه نيكل:

بعد از عمليات ماشين كاري و تهيه قطعات كار شده (Wrought) ابتدا عمليات انحلال (Solution treated) جهت انحلال و كاربيدهاي پايدار MC بر روي آنها صورت مي‌گيرد عمليات انحلال ثانوي در دماي پائين تر صورت مي گيرد.
مقداري از فاز ممكن است در طي عمليات سرد شدن در هوا در عمليات انحلال ايجاد شود. سپس مرحله پير كردن (Aging) در چند مرحله صورت مي گيرد كه نتيجه آن تشكيل فاز درشت و هم چنين رسوب هاي اضافي در زمينه مي باشد. عمليات پير كردن معمولاً در دو مرحله صورت مي گيرد. در مرحله اول به مدت 24 ساعت و سپس مرحله دوم در دماي پائين تر مثلاً دماي به مدت 16 ساعت خواهد بود كه در نهايت تمام در فاز زمينه رسوب خواهند نمود. كه در مرحله دوم ايجاد مي شود ريزتر بوده كه اين ريز بودن باعث بهبود و افزايش طول عمر گسيختگي قطعه مي شود. سرد شدن هر دو عمليات انحلال و پير كردن در هوا صورت مي پذيرد.
توزيع كاربيد هم توسط عمليات حرارتي قابل كنترل مي باشد. بهينه كردن عمليات حرارتي مربوط به تشكيل يكي از راههاي جلوگيري از ايجاد مشكلات احتمالي كاربيدها بر روي مرزدانه ها مي باشد.
بعنوان مثال عمليات انحلال Rene41 در دماي باعث تشكيل رسوب توأم با تأخير كاربيد در مرزدانه شده كه در نهايت باعث اثرات مضري بر روي خواص مكانيكي مي شود. با كاهش دماي عمليات انحلال به حدود مي توان باعث ريز شدن دانه و توزيع مناسب در آلياژ مي شود در هر صورت در مواقعي كه آلياژها تحت عمليات شش دهي به طريقه نفوذي يا روكشي هستند بايد به مسئله تشكيل فازهاي مناسب تحت عمليات حرارتي توأم با عمليات پوشش دهي دقت كافي نمود.

8- تأثير عناصر آلياژي بر پايداري سطحي سوپرآلياژهاي پايه نيكل:

تأثير عناصر آلياژي بر خوردگي دماي پائين:
جهت بالا بردن مقاومت به خوردگي سوپرالياژهاي پايه نيكل در دماي پائين، اضافه كردن مقدار قابل توجهي Cr مي تواند مفيد باشد يكسري از آلياژهاي هاستلوي و اينكونل جهت اين موضوع كاربري فراواني دارد. هاستلوي C داراي 5%Cr و 17Mo% و اينكونل 600 داراي 15.5%Cr و 8% Fe هستند كه اين عناصر باعث افزايش مقاومت به خوردگي در دماي پائين اين آلياژها شده است ديگر آلياژهاي دسته هاستلويها كه در حدود Mo 28% و در مواقعي داراي مقادير كمي W هستند نيز آلياژهاي مناسبي براي اين مورد مي باشند.

9- تأثير عناصر آلياژ بر خوردگي داغ و اكسيداسيون:

در دماي بالا مقاومت به اكسيداسيون سوپرآلياژها وابسته به تشكيل لايه هاي محافظ و مي باشد.
بنابراين آلياژهاي پايه نيكل بايستي هر دو عنصر Cr و Al را تا حد امكان و تا جائي كه بر روي استحكام تأثير نگذارد، دارا باشد. بعنوان مثال هاستلوي يكي از آلياژهاي مهم مقاوم در برابر اكسيداسيون و خوردگي مي باشد كه در حدود Cr%22 و Mo%9 و Fe%5 دارد ولي پس از در معرض قرار گرفتن در سرويس تحت عمليات انحلال قرار گرفته و رسوبات كاربيدي در آن ايجاد مي شود كه در مقايسه با سوپرآلياژهاي حاوي رسوبات استحكام دهنده و ضعيفتر است.
بخاطر كاهش استحكام دماي بالاي توسط Cr، سوپرآلياژهاي جديد داراي Cr كمتري هستند. كاهش استحكام دماي بالاي قبلاً در شكل آورده شده است بنابراين مقدار Cr از %20 به حدود %90 در سوپرآلياژهاي جديد كاهش يافته است. براي جبران مقاومت به خوردگي از پوشش دادن استفاده مي شود. بايد توجه نمود كه لايه اكسيدي در دماي بالاتر به تجزيه شده كه اكسيدي ضعيف و قدرت حفاظت كنندگي كمي دارد. جهت كاهش مشكلات احتمالي ايجاد در دماهاي خيلي بالا مقدار Al در آلياژ را زياد كرده بطوريكه اين مقدار مي تواند اوليه بنمايد. البته بايد توجه نمود كه لايه در مقايسه با در شرايط سولفيداسيون كمتر قدرت حفاظت كنندگي دارد كه بهمين دليل ضرورت عمليات پوشش در پره‌هاي توربين گازي را مشخص مي كند.
ديگر عناصري كه به بالا بردن مقاومت به اكسيداسيون و خوردگي داغ كمك مي كند مي توان به Ta، yr، La(Lanthanum) اشاره نمود. عناصر ناياب باعث چسبندگي بهتر لايه اكسيدي و در نتيجه باعث افزايش مقاومت به اكسيداسيون سوپرآلياژها مي نمايد. هنوز مكانيزم Ta در بهبود خواص مقاومت به خوردگي مشخص نشده است Yr بطور وسيعي در پوششهاي روكشي نوع Nicraly كاربرد دارد.
وجود عناصر Mo و W معمولاً باعث كاهش مقاومت به خوردگي مي شوند. در حاليكه اين عناصر جهت افزايش استحكام سوپرآلياژها به نظر ضروري مي رسند ولي جهت پايداري سطح منافات دارند. دو عنصر مفيد و برجسته كه هم مقاومت به خوردگي و هم استحكام را بالا مي برند Al، Ta مي باشد.

فصل سوم

1- ارزيابي جوش پذيري آلياژهاي جنس In738Lc و Rene 80

آلياژهاي نيكل رسوب كه بوسيله تركيبات بين فلزي استحكام دهي شده اند بطور وسيعي در توليد اجزاء داغ توربين هاي گازي استفاده شده اند براي اطمينان از ساختار و حفظ خواص استحكام در سطح با لا براي مدت طولاتي آلياژهاي نيكل معمولاً با عناصري كه فاز از نوع پراكنده شده تشكيل مي دهند آلياژ مي شوند.
مقدار كل عناصر تشكيل دهندة در چنين آلياژي %10-8 درصد يا بيشتر است.
بخش حجمي فاز پراكنده شده استحكامي مي تواند به ميزان 65%-60 درصد باشد.
در حين سرويس، بخشهايي از اين آلياژها، نظير پره هاي متحرك و پره هاي ثابت در معرض انواع متعددي از حرارت، تنش هاي مكانيكي و شيميايي كه باعث ترك خوردن و يا از دست رفتن ماده شود، قرار مي گيرد. به دليل اقتصادي اين قطعات كه گرانقيمت هم هستند ترجيحاً با جوشكاري بايد بازسازي شوند.
چنين آلياژهايي يك قابليت جوش پذيري محدودي دارند، از آنجائيكه استحاله فازي در طي اتصال هاي مستحكم جوش باعث بوجود آمدن تنش هاي موقتي و پس ماند جوشكاري مي گردد كه از اختلاف خصوصيات بين زمينه و فاز ناشي مي شود اين امر يكي از علل ترك خوردن در طي جوشكاري ذوبي است. در پره هاي متحرك توربين فيلر متلهاي با مقدار ناچيز فاز مي تواند بكار رود اگرچه جلوگيري از ترك در طي جوشكاري با چنين فيلر متابهايي ممكن مي شود، ولي اتصال جوش استحكام پايين تري خواهد داشت از طرفي مواردي وجود دارد كه آلياژ با استحكام جوش بالا ضروري است كه لازم است مقدار زيادي فاز و خواص استحكامي داشته باشد.

2- مواد و روش هاي آزمايشي

تحقيق در خصوص جوش پذيري آلياژهاي مقاوم به حرارت In738LC و Rene 80 كه تركيب شيميايي آنها در جدول داده شده انجام پذيرفته است.
اين آلياژها شامل فاز استحكامي در حدود %3 و 47.3 هستند.
جوش پذيري با استفاده از يك دستگاه تست كه كرنش طولي را با ملاحظه به جهت جوش فراهم مي كرد ارزيابي شد. اين دياگرام قابل قبول بود بدين علت كه تركهاي گرم در جوش (كه توسط جوش TiG)آلياژهاي مورد تحقيق تشكيل شده اغلب بصورت عرضي قرار گرفتند.
تحقيقات در پليت هاي ريختگي و پره آلياژهايي به اندازه انجام گرفت شرايط جوشكاري در طي آزمايش بصورت زير بود.
جوشكاري به روش TiG، بدون فيلر انجام گرفت. درجه حرارت حوضچه انجماد و سرعت خنك كاري آن بطور اتوماتيك اندازه گيري شد.
آناليز خصوصيات استحكام و چكش خواري فلز در درجه حرارت انجماد و خنك كاري بعدي جوش ها، اطلاعات پايه وسيعي از جوش پذيري را فراهم مي كند.

3- نتايج آزمايش

نتايج بدست آمده رنج درجه حرارت تردي براي آلياژهاي In38LC و Rene80 با استفاده از دستگاه تست varestaint بنابراين، دو محدوده تردي وجود داشت يعني
BTR=Britlle temperature range
DTR=Ductility- dip temperature range
كه شرايط تشكيل انجماد و ترك تعيين مي شود مقدار كرنش بحراني، Ecr كه بالاتر از آن تركهاي انجماد (BTR) تشكيل مي گيرد، براي Rene 80 بيشتر از آلياژ In738 است اين نكته اشاره مي كند به حساسيت كمتر Rene 80 به ترك انجماد، اين حقيقت مي تواند به محدوده باريكتر درجه حرارت انجماد اين آلياژ نسبت داده شود.
اين مقادير به پارامترهاي فولادهاي پر آلياژ نيكل- كرم آسنتي با يك ساختار پايدار آستني نزديك است. كه حساسيت به ترك انجماد مناسب جوش ها در آلياژهاي In738Lc و Rene 80 را نشان مي دهد.
مقدار كرنش بحراني، Ecr براي شكل گرفتن تركها (DTR) براي هر دو آلياژ خيلي كمتر از فولادهاي آستيني كروم- نيكل مي باشد. اين امر بر حساسيت بالاي جوش به اين ترك در آلياژهاي In738Lc و Rene 80 دلالت مي كند چنين تركهايي با افزايش شديد عوامل استحكام و حالت هاي تحت تنش جوش در درجه حرارتهايي شبيه به فرآيند پيرسازي رخ مي دهد، افزايش مي يابد. چگونگي گسترش تركها در تست، آلياژ In738 با استفاده از تست Varestaint در شكل نشان داده شده است همچنين تست آلياژ Rene 80 گسترش ترك مشابه مشاهده شد.
در متالوگرافي نشان مي دهد كه تركهاي گرم در امتداد مرزدانه ها گسترش يافته است بررسي ساختار سطوح ترك گرم در حدود DTR با استفاده از SEM عدم وجود شكست فلز جوش را در حالت جامد- مايع نشان مي دهد و درك اصول تشكيل ترك‌هاي (DTR) را ثبات مي كند اين امر همچنين با درجه حرارت وابسته به تغييرات استحكام و چكش خواري In738Lc و Rene 80 پس از عمليات انحلال تأئيد مي شود كه خصوصيات داكتيل آلياژها در دماي اتاق تا درجه حرارت باقي مي ماند. افزايش درجه حرارت بيش از اين مقدار، كاهش داكتيلتي را كه مي تواند به پديده مكانيزم تردي نسبت داده شود را كه به سمت ترك (DTR) هدايت مي‌شود. افزايش بيشتر درجه حرارت با افزاشي شديد داكتيلته همراه است در مقايسه با مقدار اوليه در درجه حرارت اتاق عدم انحلال فاز شروع مي شود و تردي فلز در اين درجه حرارت‌ها غير ممكن مي شود.
افزايش بيشتر درجه حرارت تست باعث ذوب اجزاء ساختاري آلياژها شده و افت داكتيلته تكرار مي شود اين حالت جايي است كه فرآيند شكست ترد رخ مي دهد، و فلز در حالت جامد- مذاب (ترك انجماد) قرار مي گيرد.
بررسي ها بيان مي كند كه تردي فلز جوش در جوشكاري و آزمايشات مكانيكي در DTR توسط يك مكانيزم مشابه رخ مي دهد. تست فلز با ساختار آستيني فرآيند تغيير شكل پلاستيك باعث افزايش جدايش مرز دانه‌اي مي شود كه تحقيق مكانيزم تردي را تحت شرايط مشخص پيش مي برد.
در اين حالت يك مكانيزم تردي در DTR تحقق مي يابد در اثر عكس العمل نابجايي‌هاي متحرك با اتمهاي ناخالص و با دو فرآيند حرارتي كه با هم در رقابت هستند مشخص مي شوند يعني تغييرات انرژي پيوند اتمها با نابجايي ها (رابطه عكس با درجه حرارت) و حركت نفوذي اين اتمها (رابطه خطي مستقيم).
دامنه حرارتي كه توسط انرژي بالاي پيوند بين اتمهاي ناخالص و نابجايي ها و افزايش ترك آنها كه از افزايش پارامترهاي نفوذ ناشي مي شود دامنه DTR است. اين مورد اخير باعث تغيير در نسبت استحكام بين خود دانه و مرزهاي آن و در نتيجه شكست بين دانه اي فلز مي شود. براي آلياژهاي نيكل، عناصري كه باعث افت داكتيلته مي‌شوند در مرحله اول اكسيژن و سولفور هستند.

4- نتيجه گيري

1-آلياژهاي In738LC و Rene 80 فلزاتي هستند كه يك حد جوش پذيري در طي جوش ذوبي دارند.
2-دو محدوده حرارتي تردي كه با امكان ترك گرك مشخص شده اند وجود دارد.
براي ترك انجماد اين دامنه بين – مي باشد.
براي ترك DTR اين دامنه بين – مي باشد.
3-ترك ناشي از جوش معمولاً در خودجوش يا با ناحيه HAZ اتفاق مي افتد در طي جوشكاري- عمليات حرارتي پس از جوشكاري- در حين سرويس
4-ميكروترك در HAZ بوجود مي آيد و Center line crock يا hot vraek در (fusion zone)fz بوجود مي آيد و اين دو نوع ترك معمولاً در آلياژهايي كه مجموع مقادير AL و Ti آنها بيشتر از 6% درصد باشند بوجود مي آيد.
5-يك مكانيزم شكست (تردي) ممكن است در دامنه حرارتي (DTR)، واكنش نابجايي‌هاي متحرك و بعضي اتمهاي ناخالص اكسيژن و سولفور بوجود آيد كه جدايش آنها را در طول مرزدانه ها باعث مي شود و موجب شكست بين دانه اي مي شود.
6-قبل از عمليات حرارتي پس از جوشكاري سختي در منطقه جوش از 340 ويكرز تا 425 ويكزر متغير بوده و در فلز پايه سختي از 410 ويكزر تا 455 ويكزر متغير بوده است. پس از عمليات حرارتي (Post-weld H.T) سختي در ناحيه جوش از 395 تا 440 ويكزر و در فلز پايه از 410 تا 455 ويكزر متغير بوده است بنابراين عمليات حرارتي پس از جوش (T) توزيع سختي را در منطقه جوش يكنواخت مي سازد.
7-اندازه در فلز پايه (400 تا 300 از فصل مشترك) از 27/0 تا 3/0 تغيير مي‌كند و انداز در ناحيه HAZ(200 تا 100 از فصل مشترك) 11/0 بوده و اندازه در جوش 15/0 بوده است. افت اندازه در منطقه HAZ به انحلال مجدد اين فاز در اثر حرارت ناشي از جوشكاري نيست داده مي شود بنابراين توزيع غير يكنواخت اندازه در عرض فلز پايه به فلز جوش بستگي دارد. عمليات حرارتي انحلالي، توزيع يكنواخت اندازه را در عرض فلز پايه تا جوش ايجاد مي‌كند اما سايز افزايش مي يابد.
8-سختي فلز پايه به منطقه ذوب افزايش مي يابد يعني
fusion zone > HAZ > Base metal سختي
فلز پايه > منطقه متأثر حرارت > منطقه ذوب
5- مشكلات موجود در جوشكاري سوپرآلياژها
الف)ترك ناحيه ذوب و ترك ناحيه HAZ
ب)ترك عمليات حرارتي پس از جوش
ج)تأثير آلودگي در كيفيت
د)ترك خستگي حرارتي

الف)ترك ناحيه ذوب و ترك ناحيه HAZ:

عناصر استحكام دهنده از طريق محلول جامد (كبالت- كروم-موليبدن-تنگستن- آلومينيوم و تيتانيم) تأثير مضري را بر روي اين آلياژها نشان نمي دهند- اضافه كردن عناصري كه در مرزدانه ها جدايش مي يابند (بور، كربن، منگنز، و زيركونيم) مي تواند تأثير منفي زيادي در مقاومت ماده به ترك ناحيه ذوب و ترك HAZ داشته باشند اين عناصر براي كار گرم و خزش و داكتيليته شكست خزش و بنابراين استحكام در دماي بالاي مواد ضروري است. حداقل يك و يا چند تا از تركيب اين عناصر در اكثر اين آلياژها موجود مي‌باشد بطور انفرادي حضور 005/0% وزني بور و زيركونيم در حدود 020/0% و منگنز در حدود 025/0% عموماً تأثير مضري بر روي مقاومت به ترك ناحيه ذوب و ترك HAZ ندارند. مقادير بالاي اين سطوح باعث ميكروترك در ناحيه ذوب و HAZ مي‌شوذ حدود افزودن اين عناصر وقتي كه دو يا تعداد بيشتري از اين عناصر با همديگر در تركيب موجود باشند كاهش مي يابد مقدار كربن افزوده شده در تركيب با هر يك از سه عنصر ديگر حساسيت به ترك را در منطقه HAZ و به يك مقدار كمتري در ناحيه ذوب افزايش مي دهند.
ترك HAZ در بيشتر اين آلياژها، با اندازه دانه عجين شده است، فلزات با اندازه دانه ريز (اندازه دامنه كمتر از ASTM#5) به ميكروترك ناحيه HAZ حساس هستند اندازه دانه درشت براي خزش در دماي بالا و استحكام شكست خزش مطلوب است. اين امر مي تواند نتيجه شود كه درجه حرارت نهائي كار گرم فلز در دامنه حرارتي دانه درشت شدن است با درجه حرارت هاي آنيل نهايي در رنج حرارت آنيل انحلالي درشت دانگي باشد.
اندازه دانه هاي ريز با پائين آوردن درجه حرارت نهايي كار گرم تا يك درجه حرارت باز بلوري و يا انتخاب دقيق درجه حرارت هاي آنيل نهائي بعدي توليد مي شود. بعلاوه براي تهيه فلزات ريزدانه، فرآيند ترمومكانيكي مي توان با حفظ انرژي كرنش در ماده براي افزايش چشمگير استحكام بعضي از آلياژها استفاده شود. سيكل حرارتي جوشكاري اين بازيابي و باز بلوري را در منطقه HAZ نتيجه خواهد داد و بنابراين استحكام ماده در منطقه HAZ جوش را كاهش مي‌دهد.
حساسيت ترك ناحيه ذوب مي تواند بطور منفي تحت تأثير عناصر جزئي نظير گورگرد و فسفر و سولفور در حد 01/0% وزني و فسفر در حد 025/0% وزني قرار گيرد تأثير اين عناصر در كنار همديگر تشديد مي شود.

ب)ترك عمليات حرارتي پس از جوش (PWHT)

ترك عمليات حرارتي پس از جوش (ترك پيركرنش) مسئله ايست كه با آلياژهاي قابل پير سختي همراه است. افزايش مقادير آلومينيوم و تيتانيم (حجم موجود) حساسيت به ترك پس از جوش را افزايش مي‌دهد. ضمن اينكه ترك ناحيه ذوب و ترك ناحيه HAZ همانطور كه قبلاً ذكر شد يك طبيعت ميكرو دارند، ترك عمليات حرارتي پس از جوش مي تواند خيلي وسيعتر باشد و مي تواند فوايد قطعات فابريك را از بين ببرد. حداقل دو عامل وجود دارد كه قطعه را به سمت ترك خوردن پيش مي برد. تنش هاي پس مانده در حد استحكام تسليم كه از سيكل عمليات حرارتي جوش حاصل مي شود در فلزات با مقاومت خزش بالا با سرعت كافي در طي عمليات حرارتي آزاد نمي شود تا از شكست ناشي از تنش كوتاه مدت جلوگيري نمايد. علاوه بر تنش پس ماند، تنش رسوب سخت گاما پرايم در زمينه گاما، فقط مشكل را زياد مي‌كند.
روش هاي گوناگوني براي عمليات حرارتي اوليه فلزات جهت جوشكاري و جلوگيري از مشكل ترك پير كرنش استفاده شده است. اين عمليات حرارتي با مسئله over aging ماده درگير است. در نتيجه كاهش مقاومت خزشي آن صورت مي گيرد و اجازه مي‌دهد تا آن روي تنش راحت تر صورت بگيرد. عمليات جوشكاري با يك عمليات حرارتي انحلالي و پيرسختي كه كشش مطلوب و استحكام خزشي را بازيابي كند دنبال مي شود.
براي فلزات با حجم بالاي گاماپرايم، نظير In 718c ريختگي، توليد كننده ها درجه حرارت پيش گرم را در حد درجه حرارت رسوب درشت دانه كردن گاماپرايم با كمي بيشتر از آن بكار برده اند. درجه حرارت پيشگرم در تمام عمليات جوشكاري حفظ مي شود و تا درجه آنيل انحلالي افزايش مي يابد بدون اينكه قطعه اجازه يابد تا درجه حرارت اتاق سرد شود. آنيل انحلالي با يك عمليات حرارتي پيرسازي دنبال مي شود. بطور خلاصه ترك PWHT در سوپرآلياژها يك مسئله جدي است. اگرچه اين مسئله از روشهاي مختلف مي تواند كاهش يابد. اولين و بيشترين آن استفاده از آلياژ In818 است كه جهت كاهش ترك PWHT توسعه يافته است. راههاي ديگر از جمله حرارتي هاي مختلف قبل از جوشكاري يا پس از جوشكاري جهت كاهش حادثه ترك وجود دارد.

ج)تأثير آلودگي در كيفيت جوش

ترك ناحيه ذوب مي تواند مشكلي باشد كه از آلودگي در اتصال جوش يا در مجاورت اتصال جوش ناشي شود. ترك ناحيه HAZ در بعضي از موارد وقتي كه مس بطور سهوي در سطح فلز در منطقه HAZ باشد بوجود مي آيد. اگر مس در منطقه HAZ جوش قرار گيرد، مسي ذوب خواهد شد و منجر به ترك خوردن ناشي از تنش فلز مذاب بين دانه اي مي شود ابزار مس يك خاصيت فرونشاندن حرارت عالي را فراهم مي كنند و معمولاً براي فيكسچر و ابزار در جوش هاي مكانيزه بكار مي رود.ضمن اينكه توليد و رسيدن سرب به اتصال جوش منطقي به نظر نمي رسد، تعدادي از شواهد نشان مي‌دهد در جاهائيكه يك چكش سربي جهت ميزان كردن و تنظيم اتصال بكار رفته باشد باعث يكي يا هر دو ترك ناحيه ذوب و ناحيه HAZ شده است مشكلات مشابه مي تواند با بكار بردن چكش هاي برنجي يا مسي نيز بوجود آيد.سولفور نيز بايد قبل از جوشكاري حذف شود تا از مسائل ترك ناحيه ذوب جلوگيري شود. كربن كه در سطح بصورت آلودگي وجود دارد، سطوحي از تخلخل را ايجاد مي‌كند.

د)ترك خستگي حرارتي

نياز براي بازسازي توسط جوش اغلب بدليل ترك خستگي حرارتي است كه از سيكل حرارتي كه موتور در حين سرويس تحمل مي‌كند ناشي مي شود. با اين نوع مشكل بيشتر در شيت متالهايي كه اطراف موتور هستند مواجه مي شويم. بازسازي با برش مقطع آسيب ديده و خارج كردن آن و جوشكاري يك مقطع جديد در آن ناحيه انجام مي گيرد.
سايش و اكسيداسيون مشكلي است كه در بخشهاي توربين وجود دارد وقتي كه شكاف بين سطوح افزايش مي يابد بازده موتور كاهش پيدا مي‌كند اين قطعات با تكنيكهاي مختلف كه شامل جوش ذوبي مي شود بازسازي مي شوند.
بخشهاي آسيب ديده با ماده جديد جايگزين مي شود و فلز اضافي در سطح قطعه قرار مي گيرد تا دوباره در اثر ماشينكار به تلرانس مطلوب برسد.
در شيت متالها آسيب ديده از خستگي حرارتي تمام قسمتها، آسيب ديده بايد خارج شود، علاوه بر خستگي حرارتي، شرايط سرويس مي تواند منجر به نيتريداسيون، كربوريزاسيون، اكسيداسيون و يا سولفيداسيون يا هدايت كردن بمست رسوب فازهاي با داكتيلته پائين نظير، سيگما، لايه هاي كاربيد بين دانه اي مي شود.
6-معرفي اجمالي متالوژي سوپرآلياژها:
آلياژهاي پايه نيكل استحكام دهي انحلال بوسيله عناصري نظير كروم، تنگستن و موليبدن بيشتر براي sheet fabrication استفاده مي شود. آلومينيوم و تيتانيم به سوپرآلياژهاي پايه نيكل استحكام يافته انحلالي 20% كروم اضافه مي شوند جهت توليد سوپرآلياژهاي سختي پذيري رسوبي اين عناصر تركيب بين فلزي را بوجود مي‌آورند كه اين گاما پرايم باعث دستيابي به حداكثر استحكام براي اين آلياژها مي شود. امروزه اگرچه آلومينيوم بطور معمولتري جهت رسيدن به درجه بالايي از سختي رسوبي استفاده مي شود، تيتانيم، تانتاليم و كادميوم نيز براي دستيابي به خواص بهينه براي استفاده هاي مخصوص بكار مي رود كبالت براي تعديل كردن انحلال و كروم براي مقاومت به اكسيداسيون/ خوردگي اضاقه مي شود. عناصر با مقادير پائين نظير كربن، زيركونيم و بور براي خصوصيات ويژه مرزدانه اضافه مي شوند. كه خصوصيات ويژه داكتليته و كارپذيري را بهبود مي بخشد.
از آنجائيكه سوپر آلياژها گروهي از مواد با تركيبات گوناگوني هستند بايد قابليت جوشكاري مشخص را براي اين گروه تعميم داد.
تركيبات سوپرآلياژهاي اوليه، آلياژهاي نيكل- كروم- آهن بودند و نقطه مقابل آن پايه كبالتي ها است.
داشتن يك شبكه C.C يا فازهاي مرزدانه اي پائين، جوش پذيري آنها معمولاً عالي بود عناصر استحكام دهنده مرز دانه اي و عناصر تشكيل دهنده ، مقدمه اي شدند تا جوش پذيري در جهت منفي پيش رود. بخصوص آلياژهاي پايه نيكل و حتي آلياژهاي پايه كبالت استحكام بالا براي جوشكاري نيستند. كاهش جوش پذيري ناشي از تشكيل كاربيد مرزدانه اي مسئله اي است كه معمولاً در پايه كبالتي ها با آن مواجه مي شويم. همه سوپرآلياژهايي كه مي توانند كاربيدهاي كروم را توسعه دهند.
از آنجائيكه يك عمليات حرارتي معمولي قبل از جوشكاري اين كاربيدها را حل مي‌كند، فقط چند سوپرآلياژ كربن بالا نظير نياز به عمليات حرارتي ويژه جهت اطمينان دادن به خاصيت جوش پذيري دارند.
تأثير گاماپرايم (Ti، ) در خاصيت جوش پذيري بعنوان يك تابع غلظت آلومينيوم و تيتانيم در آلياژها، جوش پذيري از گروه 1 به گروه 4 كاهش پيدا مي‌كند.
گروه 4 آلياژهايي هستند كه تحت شرايط نرمال مستعد براي جوشكاري هستند، و از فيلر متالهاي شناخته شده استفاده مي شود.
گروه 2 آلياژهايي هستند كه جوش پذير هستند، اگر عمليات حرارتي مناسب قبل از جوش و بعد از جوش انجام گيرد.
گروه 3- آلياژهايي هستند كه مي تواند خيلي از مشكلات ترك در آن مطرح شود. نوع ترك مي تواند از نوع عمليات حرارتي پس از جوش يا ميكروترك يا هر دوي اينها باشد.
گروه 4-آلياژهاي هستند كه تحت شرايط نرمال، هميشه ميكروترك را در ناحيه HAZ دارند دهند ميكروترك ها را مي توان بدقت كنترل كرد.
براي گروههاي سه و چهار فيلر متالهاي داكتيل مورد نياز است: اگر با فيلر متالهاي شناخته شده جوش نشوند، ترك ناشي از جوش بوجود خواهد آمد، و زيانهاي بزرگ غير قابل قبولي حاصل مي شود، به قولي جوشكاري ليزر مي تواند اين مشكل را برطرف سازد. اما عملاً استفاده از اين پروسه، هنوز بايد بنا نهاده شود.
با استفاده از عمليات حرارتي مناسب قبل از جوش و روش جوشكاري كنترل شده با دقت، مي توان از عمليات حرارتي پس از جوش جلوگيري نمود.
همانطور كه در بالا اشاره شد براي اين گروه نمي توان از وجود ميكروترك در ناحيه HAZ جلوگيري نمود اما بهرحال مي توان با استفاده از روش جوشكاري مناسب، اندازه تركها را به حداقل رساند.
فيلر متالهاي جوش داكتيل در مقايسه با فلز پايه اصلي استحكام خزش كمتري دارند. اين امر جوشكاري را براي آلياژهاي گروه يك 3 و 4 به نواحي كه تنش گريز از مركز در آنها پايين باشد محدود مي سازد، اين تنشها بايد مورد به مورد محاسبه شود از اطلاعات خزشي فيلر متال جوشكاري مي تواند بعنوان اطلاعات ورودي استفاده نمود، وقتي اين روش به دقت دنبال شود، ميكروترك HAZ فلز پايه بر روي استحكام، مقاومت خزشي و استحكام قطعات، تأثير نمي گذارد بازسازي به خوبي و يا حتي بهتر از فلز نو است.

نكات مهم در جوشكاري سوپرآلياژها:

براي بازسازي قطعات با سطوح نيازمند جوشكاري زياد (حجم جوشكاري بالا) از روش Mig استفاده مي شود. مزيت Mig بعلت سرعت جوشكاري بالا و دماي ورودي كم ميزان تابيدگي كم مي شود.
براي جريان هاي تا 80 آمپر قطر الكترود مي بايست6mm باشد. بالاتر از 80 آمپر الكترود مي بايست 2.4mm باشد- براي ساخت لبه پره ها معمولاً جرياني در حدود 10 الي 50 آمپر مورد استفاده قرار مي گيرد.
جوشكاري پره هاي متحرك (پايه نيكل) در كابين جوشكاري بايد انجام گيرد.
از آنجا كه فاز گاماپرايم روي قابليت جوشكاري سوپرآلياژهاي پايه نيكل تأثير قابل ملاحظه اي مي گذارد، سيم جوشهاي مورد استفاده براي جوشكاري اين آلياژها فقط مقدار كمي عناصر تشكيل دهنده رسوبات گاما پرايم از قبيل نيوبيم يا تانتانيوم دارند.
عمليات حرارتي انحلالي قبل از جوشكاري انجام مي گيرد و در قطعات فورج شده (مثل X-750) پس از جوشكاري نيز عمليات حرارتي نياز است تا قطعه ترك نخورد، ولي در قطعات ريختگي نياز به اين كار نيست.
در آلياژهاي پايه كبالت از آنجا كه در حين جوشكاري لايه اكسيد كلفتي ايجاد نمي‌نمايند لذا مي توان بدون استفاده از اتمسفر محافظ اين آلياژها را جوشكاري نمود
آلياژهاي پايه كبالت در حين جوشكاري سخت نخواهند شد بنابراين هيچگونه عمليات حرارتي بعد از جوشكاري مورد نياز نمي باشد.
پايه نيكل الف) بيش از 5% آلومينيوم و تيتانيم نمي توان فاز گاماپرايم را بوسيله عمليات حرارتي قبل از جوشكاري به منظور بهبود انعطاف پذيري حل نمود- در عين حال دماي بالا ورودي در حين جوشكاري TiG باعث تركهاي ميكروسكوپي در منطقه HAZ مي شود كه با بريز از بين مي روند زيرا فاز گاماپرايم حل شده و دوباره رسوب نموده است
ب)بيش از 3 تا 5% آلومينيوم و تيتانيممثل Nimonic 90 و Nimonic 80A در اين آلياژها فاز گاماپرايم مي تواند قبل از جوشكاري بوسيله عمليات حرارتي و كوئيخ سريع حل مي شود اين آلياژها معمولاً بريز نمي خواهند.
در پايه نيكل بعلت واكنش دهي بالاي سيم جوش و فلز پايه جوشكاري فقط مي‌بايست در كابين جوشكاري انجام گيرد (چمپر)، سيم جوش داراي استحكام خزشي كمتري نسبت به فلز پايه مي‌باشد بدين دليل براي قطعات متحرك يك حد جوشكاري تعريف شده است.
در انجام وصله (جوشكاري) فاصله بين وصله و فلز پايه مي بايست هم اندازه ضخامت فلز اصلي باشد.

8- محدوديت هاي جوشكاري

جوشكاري رايج ترين روش تعمير در تعمير ترك ها و يا افزودن مواد به قطعات توربين است. جوشكاري TIG مهمترين پوسه بين المللي در جوشكاري و تعميرات تجاري است.
قطعات داغ توربين كه در محدوده درجه حرارت تا كار مي كنند داراي محدوديت هاي جوش به دلايل زير هستند.
a)مقدار تنش در منطقه اي از قطعه كه جوشكاري مي شود.
b)درجه حرارت منطقه جوشكاري
c)ضخامت ديواره منطقه جوشكاري
d)نوع ماده اي كه جوشكاري مي شود
e)ساختار ماده و مقدار تخريب قطعه اي كه جوشكاري مي شود
تخريب هاي موجود در قطعات از جنس سوپرآلياژ را مي توان با فرآيندهاي جوشكاري و بريزينگ تعمير و بازسازي نمود ولي اين فرايند با محدوديتهايي همراتس و از لحاظ تكنيك جوشكاري بسياري از سوپرآلياژها بدون ايجاد ميكروترك در ضخامت هاي بالاي قطعه غير ممكن است. اين محدوديت جوش براي مناطقي از قطعه كار است كه تحت اعمالي بالاي قرار مي گيرند. محدوديت ديگر جوشكاري استحكام خزشي مواد پر كننده مورد استفاده مي‌باشد. پر كننده هاي فلزي از استحكام خزشي پايين تري نسبت به سوپرآلياژ پايه دارا مي باشند. جوشكاري بخش بالايي (tip area) پره هاي متحرك به دليل تنش هاي جانب مركز بوجود آمده از حركت گردشي محدود مي شود. اثرات تركيبي اين محدوديت ها با توجه به نوع پره و پر كننده بكار رفته در جوشكاري محاسبه مي شود.
تشكيل ترك در سوپرآلياژ پايه نيكل مي تواند در طول جوشكاري با انقباضي كه در طول سرد شدن به وجود مي آيد رخ دهد. به دليل اينكه رسوب كه به عنوان فاكتور مهم قابليت جوشكاري است تشكيل مي شود.
عمليات حرارتي بر روي سوپرآلياژهاي پايه نيكل به سختي انجام مي گيرد. بجز بعضي از سوپرآلياژهاي ريخته گري شده پايه نيكل كه ساختار غير همگن دارد عمليات حل سازي پيش از جوش و عمليات HIP تأثير مثبتي روي همگن كردن ساختار -دارد. فقط تعداد بسيار كمي از سوپرآلياژهاي پايه نيكل مانند d21 مي باشند كه عمليات حرارتي حل سازي پيش از جوش فازهاي شكننده مانند اتا، سيگما و لاوس را از بين مي برد و قابليت جوشكاري افزايش پيدا مي‌كند.
تعداد زيادي از سوپرآلياژهاي تجاري تابعي از مقدار عناصر Ti، Al، Cr، Co مي باشند.
عموماً مي توان گفت كه مقدار Al+Ti بالا سختي بيشتري براي جوشكاري سوپرآلياژهاي پايه نيكل بهمراه دارد. به دليل اينكه رسوبات خيلي سريع تشكيل مي شوند به سختي مي توان مقدار انقباض و تشكيل ترك را خارج ساخت. افزايش كرم و كبالت سرعت رسوب گذاري را كاهش مي‌دهد. بنابراين پيرسختي
(aging response) كاهش پيدا مي‌كند و قابليت جوشكاري اين آلياژها افزايش پيدا مي‌كند. در يك سرعت سرد شدن معين در طول جوشكاري، ماكزيمم سختي در جوش و منطقه HAZ براي آلياژهايي همانند In738 و U700 ايجاد مي شود. سختي بهينه براي دو آلياژ فوق در اندازه حدود مي‌باشد كه بستگي به سرعت بهينه خنك شدن پس از جوشكاري و قابليت جوش پذيري دارد. دانش ما در مورد فاكتورهاي مذكور مي تواند بر روي قابليت جوشكاري سوپرآلياژهاي پايه نيكل محتوي تأثير بگذارد و مي تواند در حل مسائل پيچيده جوشكاري بسيار مفيد باشد.
بريزينگ نيز معمولاً بر روي تركها انجام مي گيرد. انواع مختلفي از مواد بريز كننده پيشرفته براي درزهاي پهن (wide gap) بكار گرفته مي شوند. شركت البار مواد بريز مانند Elniment براي بازيابي سطوح ناشي از خسارت و كندگي بكار برده مي شوند. مقدار خزشي اين مواد بريز شده در همان رنج سوپرآلياژ است. البته اين مواد به دليل بوريدهاي محتويشان شكننده مي باشند. رفتار خستگي آنها نيز در همان حيطه سوپرآلياژ قرار دارد ولي قابليت شكنندگي و استحكام برخورد در مقابل FOD كمتر است در نتيجه ضخامت بريز محدود مي شود.

9-محدوديت هاي كاربردي پره هاي متحرك

در اين شكل محدوديت هاي تعمير پره هاي متحرك رديف اول توربين گازي صنعتي جنرال الكتريك مدل MS7000 Model B را نشان مي‌دهد. ماده پره متحرك از نوع ريخته گري شده آلياژ In738 است. اين آلياژ محتوي بالاست و در طراحي شركت‌هاي زيمنس، ABB، وستينگهاوس بكار گرفته شده است. در پروسيجر تعمير به يك عمليات حرارتي حل سازي قبل از جوشكاري بر روي پره ها احتياج است و در صورت نياز براي بهبود جوشكاري از يك عمليات حرارتي پيش پيرسازي (Aging pretreatment) بعنوان عمليات حرارتي پس از حل سازي انجام مي گيرد. سيكل HIP نيز مي تواند بعنوان عمليات انتخابي پس از جوش اعمال شود.PWHT و سه مرحله سيكل (آنيل حل سازي و دو مرحله پيرسازي) مورد نياز است. توسعه اين فرايندهاي حرارتي توسط (International Nickle) براي آلياژهاي پيشنهاد شده است. حد فاصله 0/5 اينچ از نوك پره براي همه نوع شكل هندسي جوش نشان داده شده است. بنابراني تنها فيلر جوش قابل اعمال IN625، IN677 و يا Haynes 230 است. استحكام خزشي و كششي اين فيلرها بطور قابل ملاحظه اي كمتر از آلياژ پايه پره متحرك است. فيلرها داكتيليته بيشتري دارند و همه اين فيلرها محلول جامد استحكام يافته اند. در اين ميان IN625 بيشترين استفاده را از لحاظ عملي داراست.
پره هاي متحرك پوشش دار رديف اول و رديف دوم توربين گازي وستينگهاوس W501 نوع ماده پره متحرك از آلياژ U dimet 520 فورج شده است كه u dim et520 آلياژي با پايين است. وستيگنهاوس در مدل هاي W501 به بالا و قبل از D5s از آن استفاده كرده است.(بعدها واحدها براي رديف اول از In738 استفاده كرده اند). محدوده آزاد جوشكاري اينچ زير نوك پره متحرك كه اندكي بيشتر از مدل GE است، عمليات حرارتي اين پره شبيه متحرك GE است و براي آن يك آنيل حل سازي قبل از جوش نياز است. مرحله پيرسازي ثانويه براي آن بكار برده نمي شود.(بدليل اينكه استحكام افزايش يافته و از دست رفتن داكتيليته رخ دهد). عمليات HIP بصورت انتخابي پس از جوش انجام مي شود. عمليات حرارتي PWHT مورد نياز است و توسعه دهنده هاي اين آلياژ سه مرحله سيكل (حل سازي و دو مرحله پيرسازي) را پيشنهاد داده اند. فيلرهاي جوش قابل اعمال، همان آلياژهاي محلول جامد استحكام يافته اي هستند كه براي پره متحرك In738 امكان پذير مي باشند.

10-قابليت جوش پذيري سوپرآلياژ Inconel 738

توزيع درجه حرارت و توزيع تنش را براي پره متحرك رديف اول GEF 5001 در وضعيت عملكرد نرمال از تنش و درجه حرارت، عمر خزشي تقريباً در وسط پره مي‌نيمم مي‌باشد. درجه حرارت روي قطعه با خواص خزشي فيلرهاي رايج مقايسه مي‌شود. در چنين شرايطي فقط مناطق بالايي را مي توان با اين فزلر جوشكاري نمود. در واقع محدوديت هاي صحيحي براي نوع پره و فيلر قابل محاسبه است.
ماكزيمم تنش براي پر كننده ها كه در درجه حرارت كاري توربين براتي عمر خزشي ساعت در نظر گرفته شده است بدين قرار است:
محدوديت دوم تشكيل ترك ها در منطقه HAZ مي‌باشد. شكل ترك هاي جوش در سوپرآلياژهاي پايه نيكل نشان داده شده است. درون HAZ ترك ها كوچك هستند و در خارج از منطقه HAZ تركها بزرگترند، ترك هاي جوش در سوپرآلياژها به صورت زير جمع بندي مي شود. ترك ها با افزايش مقدار عناصر آلياژي Al، Ti، B، Zrافزايش مي يابند.

نوع ترك ها

منطقه HAZ كوچك
خارج از منطقه HAZتركها بزرگترند
ترك گرم براي تمام سوپرآلياژها عموميت دارد كه در جوشكاري هاي ذوبي اتفاق مي‌افتد.
در شكل زير يك ترك گرم را در جوش سوپر آلياژ نشان مي‌دهد. در اين شكل مشاهده مي شود كه اين ترك عمدتاً در ناحيه HAZ جوش رخ مي‌دهد.
پديده ترك گرم فقط مختص سوپرآلياژهاست و علت و راه علاج ترك گرم در سوپرآلياژها عموماً با ديگر آلياژها متفاوت نيست اما در خصوصيات بعضي تفاوت هايي وجود دارد ترك گرم همچنين مي تواند در فلز جوش سوپرآلياژ نيز پيدا شود. اگرچه معمولاً تركهاي فلز جوش با استفاده از موارد عملي جوش مناسب از جمله طراحي و انتخاب سيم جوشي و تميزي قابل حل است، بنابراين بيشتر مطالعات اين بخش به علت و جلوگيري ترك گرم ناحيه HAZ معطوف مي گردد.
بعنوان يك مقدمه، بازنگري مختصري از برخي از فاكتورهاي حرارتي مرتبط با جوش بعنوان يك منبع حرارتي متمركز كه در طول پليت گذر مي كند، انجام مي گيرد.
در چنين فرآيندي منبع حرارت باعث يك موج حرارتي با يك شيب تند در جلوي پاس در فلز مي شود. نزديك مركز جائيكه منبع حرارتي شديدترين مقدار را دارد، فلز مجاور جوش ذوب مي شود. بطور همزمان ناحيه مجاور منطقه ذوب شده نيز با سرعت زيادي به حداكثر درجه حرارت مي رسد و سپس با نرخ سرعت بسيار بالايي سرد مي شود در جلوي منحني BC گرم شدن رخ مي‌دهد و در پشت اين منحني سردشدن اتفاق مي‌افتد. همانطور كه مي توان ديد، نواحي در منطقه HAZ كه به خط ذوب نزديكتر هستند درجه حرارت ماكزيمم را كه نزديك به ناحيه ذوب است تجربه مي كنند (تحمل مي كنند) كه بطور اسمي اين درجه حرارت ماكزيمم است. اين درجه حرارتهاي ماكزيمم كمتر از 2 ثانيه بطور مي‌انجامد و پس يك نرخ سريع سرد شدن اتفاق مي‌افتد. در اثر سيكلهاي سريع حرارتي ميكروساختار ناحيه HAZ صورت مي گيرد.
پيك درجه حرارت باعث تغيير قابل توجهي در ريز ساختار HAZ نشده است در پيك درجه حرارت مقداري حل نشده داريم كه تا درجه حرارت ادامه دارد كه اين درجه حرارت عدم انحلال خشن را نشان مي‌دهد. همچنين در پيك حرارتي شروع واكنش فازي در يك مرزدانه قابل رؤيت است در اين واكنش مرزدانه اي مي تواند بطور گسترده تري ديده شود و بعنوان پديده ذوب جزئي شناخته مي شود.
توجه كنيد كه در پشت زمينه (bon ground) هنوز شواهدي از در نواحي بين دانه‌اي وجود دارد كه مستحكم باقي مي ماند و تمايل به مقاومت به دفرمگي را دارد. مناطق HAZ جوش در اثر ناهمگني حرارت ورودي و صلبيت قابل توجه سرتاسر جوش را بطور ويژه اي تحت كرنش قرار مي گيرد.
حركت گراديان حرارتي در چند اينچ بر دقيقه باعث دفرمگي پلاستيك موضعي مي‌شود كه در HAZ رخ مي‌دهد. كه مقدار زيادي كرنش در اين ناحيه رخ مي‌دهد كه در نواحي نزديك جوش نخستين تركها مشاهده مي شود كه ناشي از سيكل حرارتي شديد و ناگهاني كرنش كه از اين حرارت موضعي بوجود مي آيد كه اين پديده ها، پديده هايي هستند كه باعث ترك خوردن ناحيه HAZ مي شوند علت آن اينست كه در مرزدانه ها تر شوندگي مذاب نمي توانند كرنش ها را بپذيرند و در خود جاي دهند و در نتيجه جدايش ايجاد شده به سمت ترك خوردن سوق مي يابد.
سولفيدها و فسفريدهاي فولادها و بعضي وقتها سيلسيدها در فولادهاي زنگ نزن اغلب سبب پديده ترك گرم كه در اين نوع از مواد رخ مي دهد، هستند. سوپرآلياژها با درصد خلوص بالائي توليد مي شوند و سطح عناصر ناخالصي نظير سولفور، فسفر و ديگر عناصر مضر در سطح پائيني نگهداشته مي شود.
بطور خلاصه، ترك خوردن در جوشكاري سوپرآلياژها مشكلي است كه جهت حل كردن، ترك گرم در مقياس بزرگ هم تا حدي كه با چشم يا بازرسي با مواد نافذ قابل رؤيت باشد مي تواند اتفاق بيفتد. اگر چه، حتي وقتي قطعه جوش از اين بازرسي هاي معمول بگذرد اغلب تركهاي ريز در بازرسي متالوگرافي HAZ پيدا مي شود. بنابراين توليد يك جوش عاري از هرگونه ميكروترك در سوپرآلياژهاي با استحكام بالا مشكل است.
براي جوشكاري مواد با آلياژ بالا بعضي وقتها، از سيم جوشهايي با مقادير كمتر آلياژ نظير Hastel loyx، Inconell 725 و Inco 62 استفاده مي شود. اين فيلر متالها نسبتاً داكتيل ضعيف هستند و ممكن است نياز به استحكام خيلي بالا را فراهم نكنند اما بهر جهت مي توانند بطور مؤثري در كاهش وقوع ترك HAZ استفاده شوند، در ناحيه جوشكاري، پارامترهايي نظير بكار بردن حداقل ميزان انرژي ورودي در كاهش ترك گرم مؤثر است. كاهش انرژي ورودي و حجم جوش پائينHAZ را كه انقباض را در طي جوشكاري تحمل مي‌كند كاهش مي‌دهد. بنابراين كرنش كه در حين سرد كردن حاصل مي شود كمتر و در نتيجه ترك خوردن كاهش مي يابد.
زمان بوجود آمدن ترك
1-ترك هاي داغ هنگام جوشكاري
2-ترك هاي بوجود آمده از عمليات حرارتي پس از عمليات حرارتي PWHT

11-مكانيزم هاي بوجود آورنده ترك

1-تشكيل فاز مايع در امتداد مرز دانه
2—تشكيل انقباض شامل
الف- انبساط
ب- رسوب فاز گاماپريم
بعضي از تركها به طور مستقيم هنگام جوشكاري شكل مي گيرند و ديگر ترك ها پس از عمليات حراراتي جوشكاري، يكي از مكانيزم هاي تشكيل ترك، تشكيل فاز مايع در امتداد مرزدانه است. اين ذوب اوليه در محتويات آلياژ شامل عناصر بور (boron)، آلومينيوم، تيتانيوم با تشكيل مقدار بالاي زگرگاسيون در طول فرآيندهاي ريخته گري در پره هاي متحرك رخ مي‌دهد. پره هاي متحرك مدرن در مقابل اين مشكل دوام نمي آورند.
مكانيزم ديگر، انقباض است. انقباض (shrinkage) طبيعي در نتيجه انبساط حرارتي كه باعث تنش هاي بالا مي شود بوجود مي آيد. مواد با ابعاد بزرگتر مشكل بيشتري دارند ترك هايي كه در طول سرد شدن شكل مي گيرند در خارج از منطقه HAZ رشد بيشتري دارند. تشكيل اين ترك بستگي به نوع ماده پايه، ابعاد قطعات كه بايستي جوش داده شوند و پارامترهاي جوشكاري دارد.
مكانيزم سوم، انقباض ناشي از رسوب فاز مي باشد، آقاي Matthy مقدار تشكيل فاز گاماپرايم را در IN738 محاسبه كرده است. در نتيجه تشكيل فاز گاماپرايم انقباض (shrinkage)بوجود آمده و تنش هاي دوبعدي را نتيجه مي‌دهد و در جاهايي كه اين تنش ها بالاتر از تنش گسيختگي آلياژ IN738 هستند اين نوع مكانيزم ترك رخ مي‌دهد. اين بدان معناست كه تشكيل گاماپرايم تابعي از سرعت سرد شدن است.مقدار فاز گاماپريم ثابت است و حتي اگر سرعت سرد شدن به برسد فقط اندازه فاز گاماپريم تغيير مي‌كند. شكل 10 سختي را بعنوان تابعي از اندازه ذرات گاماپريم نشان مي‌دهد. اين شكل نشان مي‌دهد كه سختي بهينه اي در اندازه دانه (اندازه ذرات براي آلياژ IN738) بوجود مي آيد. اين مقدار بهينه با ماكزيمم استحكام همراه است، اما مسأله مهم اين است كه داكتيليته پايين سختي بالايي در سرعتهاي سرد شدن حدود بوجود آورده و حساسيت بالا به ترك را نتيجه مي‌دهد.
عملاً ثابت شده كه امكان جوش بدون ترك در IN738 در سرعت سرد شدن پايين تر وجود دارد در حالي كه ترك هاي محدوده بحراني هميشه وجود دارند اگر پايه اي غير از IN738 نيز باشد همين پديده مشاهده مي شود.

پوشش دهي

1- تأثير پارامترهاي پوشش دهي بر كيفيت پوشش كرومايزينگ سوپر آلياژ IN738LC
پوششهاي غني از كرم مورد استفاده در پره هاي توربين گازي امروزه يكي از پيشرفته ترين سيستمهاي محافظ در برابر حمله خوردگي داغ و اكسيداسيون است. بويژه پوششهاي نفوذي كرم ايجاد شده بوسيله تكنيكهاي پودري كاربرد وسيعي پيدا كرده‌اند. در اين جا تأثير پارامترهاي درجه حرارت، زمان و همچنين تركيب پودر پوشش بر ساختار و كيفيت پوشش كرومايدي مورد مطالعه و بررسي قرار مي گيرد. براي اين منظور نمونه هايي از جنس IN738LC در داخل مخلوط پودر پوشش حاوي پودر Cr خالص، پر كننده و فعال كننده قرار داده شدند. پس از انجام عمليات كرومايزينگ، پوششها به كمك ميكروسكوپ الكتروني (SEM) مجهز به سيستم آناليز EDX و ميكروسكوپ نوري مورد مطالعه قرار گرفتند. نتايج حاصل از آزمايشات متالوگرافي و بررسيهاي ميكروسكوپ الكتروني نشان داد كه در پوشش گرومايزينگ رسوبات غني از Al و رسوبات سوزني شكل غني از Ti ايجاد مي شوند و با افزايش غلظت كرم در پودر پوشش، ضخامت پوشش تغيير چنداني نداشته و درصد كرم سطح افزايش مي يابد. همچنين با افزايش زمان پوشش دادن، ضخامت پوشش افزايش يافته ولي درصد كرم سطح كاهش مي يابد.

2- مقدمه

به منظور افزايش بازدهي و قابليت كاري توربينهاي گازي، لازم است كه درجه حرارت ورودي توربين افزايش يابد. براي اين منظور بايد درصد بعضي از عناصر آلياژي در قطعات داغ نظير پره هاي توربين بالا باشد، تا امكان افزايش استحكام خزشي در دماهاي بالا فراهم گردد. ولي جهت ممانعت از تشكيل فازهاي فاز، بايستي افزايش عناصر آلياژي همراه با كاهش مقدار كرم موجود در آلياژ باشد. همچنين در سوپرآلياژهاي پايه نيكلي با افزايش مقدار كرم، درجه حرارت حلاليت كاهش يافته و لذا در درجه حرارتهاي بالا ميزان بعنوان فاز استحكام دهنده كاهش مي يابد. به همين دليل افزايش ميزان كرم محدوديت داشته و اين مسئله باعث كاهش مقاومت به خوردگي داغ و اكسيداسيون خواهد شد. از طرف ديگر كرم مناسبترين عنصر آلياژي در مقابل خوردگي داغ در درجه حرارت بوده و آلياژهاي مقاوم به خوردگي داغ داراي حداقل 20 تا 30 درصد كرم مي باشند. حتي در موارديكه خواص مكانيكي آلياژ كمتر اهميت داشته باشد مقدار كرم را مي توان به 80 تا 90 درصد افزايش داد.
بنابراين با توجه به موارد مذكور آلياژهايي نظير IN38LC كه شامل 12 تا 16 درصد كرم مي باشند، با روشهاي ديگري نظير پوشش دادن در مقابل خوردگي داغ مقاوم مي‌شوند.
پوششهاي غني از كرم مورد استفاده براي افزايش عمر كاركرد پره هاي توربين گازي امروزه يكي از پيشرفته ترين سيستمهاي محافظ در برابر حمله خوردگي درجه حرارت بالاست. اين پوششها از واكنش مستقيم محيط و پره جلوگيري كرده و با كاهش سرعت خوردگي، باعث افزايش عمر آنها مي شوند. مكانيزم محافظت چنين پوششهايي مشابه سوپرآلياژهاي غني از كرم بوده و بستگي به ميزان تراكم و چسبندگي پوشش ايجاد شده بصورت پوسته اكسيدي مقاوم و متراكم بعنوان يك سد نفوذي در برابر اكسيداسيون يا سولفيداسيون دارد. شكل (1) تأثير كرم بر سرعت اكسيداسيون آلياژهاي Ni-Cr را نشان مي‌دهد. مهمترين نقش كرم در اين آلياژها، جلوگيري از فلاكسينگ بازي است.
به منظور غني سازي سطح قطعه از كرم، روش كرمايزينگ يا نفوذ كرم از طريق سمانتاسيون پودري يك روش مؤثر به شمار مي آيد. در اين روش قطعات در داخل جعبه اي حاوي مخلوطي از پودرهاي ذيل به نسبتهاي معين قرار گرفته و تا درجه حرارتهاي بالاي حرارت داده مي شوند.
1-پودر كرم خالص يا كرم آلياژي
2-پودر پر كننده خنثي مثل پودر آلومينا كه از چسبيدن ذرات به يكديگر جلوگيري مي‌كند.
3-پودر فعال كننده مناسب نظير كه وظيفه اش توليد فاز گازي و انتقال كرم به سطوح فلز پايه است.
با حرارت دادن اين مجموعه در يك اتمسفر خنثي نظير آرگون، كرم و فعال كننده بصورت زير با يكديگر واكنش داده و گازي تشكيل مي دهند كه در تماس با سطح قطعه، سطح را از كرم غني مي سازد. به دليل اينكه اكتيويته Cr در سطح قطعه كمتر از فاز گازي بوده و همچنين فشار بخار گاز بالا است، كرم در سطح قطعه رسوب مي‌كند و در نتيجه اكتيويته كرم در سطح افزايش مي يابد. بعد
از اين مرحله كرم راسب شده در سطح به داخل قطعه نفوذ كرده و باعث تشكيل پوشش نفوذي مطلوب مي شود. در اثر آن غلظت كرم در سطح به تدريج كاهش يافته و بنابراين عمل رسوب بر روي سطح مي تواند ادامه پيدا كند. بطور كلي درجه حرارت، سرعت رسوب و زمان، ضخامت پوشش را كنترل مي‌كند.

3- روش آزمايش

ابتدا نمونه هايي به ابعاد 2/0*1*1 سانتيمتر از جنس IN738LC از ريشه پره بريده شده و عمليات سمباده زدن و پوليش به منظور حذف لايه هاي اكسيدي صورت گرفت. جهت زدودن چربيها و آلودگيهاي سطحي، نمونه ها به مدت 10-5 دقيقه در استن قرار داده شدند. سپس مخلوط پودر كرومايزينگ با دو تركيب متفاوت (20%كرم+4% كلريد آمونيم+ بقيه آلومينا) و (10% كرم+2% كلريد آمونيم+بقيه آلومينا) تهيه گرديد. عمليات پوشش دهي در دماي و در سه زمان مختلف 2 و 6و 12 ساعت به روش سمانتاسيون پودري انجام گرفت. بعد از عمليات پوشش دهي نمونه ها تحت آزمايشات متالوگرافي و SEM قرار گرفتند.

4- نتايج و بحث

بررسيهاي انجام شده توسط ساير محققين نشان داده است كه پوششهاي كرومايزينگ حاصل از دو لايه تشكيل شده اند لايه بيروني حاوي كرم، آهن و نيكل همراه با غلظتهاي كم عناصر Co، W و Mo است. اين لايه به ناحيه رشد معروف بوده كه شامل يك زمينه با غلظت 60 الي 70 درصد كرم و نيكل بوده و با پيشروي بطرف سطح پوشش كاهش اندكي در غلظت كرم ايجاد شده است. لايه بعدي ناحيه نفوذ را تشكيل داده كه در آن با حركت بطرف داخل، غلظت كرم بطور يكنواخت كاهش مي يابد. در ناحيه مجاور به سطح فاز اصلي، مقداري كاربيد كرم، و رسوب كاربونيتريد تيتانيم ممكن است مشاهده شود.
تصوير ميكروسكوپ نور نمونه اي كه در شرايط تركيب 20% كرم و زمان 12 ساعت كرومايزينگ شده است، را نشان مي‌دهد.
در اين تصوير دو ناحيه مذكور تا حدودي مشخص است و پوشش حاصل شامل دو نوع رسوب كاملاً مجزا است. با توجه به تصوير ميكروسكوپ الكتروني شكل (3) و رسوبات بلوكي شكل غني از Al و رسوبات سوزني شكل غني از Ti است به احتمال خيلي زياد رسوبات غني از Al، بوده كه در اثر اكسيداسيون داخلي آلياژ بوجود مي آيد و همچنين رسوبات سوزني شكل از جنس TiN است. تغييرات عناصر كرم، آهن (ناشي از فرايند پوشش) و نيكل از سطح پوشش تا داخل فلز پايه در شكل(4) نشان داده شده است. همچنين شكل (5) توزيع اين عناصر در پوشش نمونه با 20% كرم و زمان 6 ساعت را نشان مي‌دهد. با توجه به شكلهاي (4 و 5) غلظت آهن در نواحي مجاوز به سطح پوشش(به ضخامت 10 الي 20 ميكرون) در ناحيه رشد بالا بوده و در انتهاي ناحيه رشد بعلت پايين بودن ضريب نفوذ آهن بطور ناگهاني كاهش مي يابد. همچنين غلظت كرم در ناجيه رشد بالا بوده كه با پيشروي بطرف فلز پايه در ناحيه نفوذ بتدريج غلظت آن كاهش مي يابد. برعكس، با پيشروي بطرف فلز پايه غلظت نيكل افزايش يافته و در مناطق غني از Al، غلظت نيكل پايين است.
نتايج مربوط به دو تركيب در زمانهاي مختلف در جدول(2) آورده شده است. براي هر زمان مشخص، با افزايش غلظت كرم در پودر، ضخامت پوشش تغيير چنداني نداشته و درصد آهن و كرم سطح افزايش و برعكس درصد نيكل سطح كاهش يافته است. علت اين امر وجود غلظت بالا و در نتيجه اكتيويته بالاي كرم در سطح نمونه مي‌باشد.
براي هر تركيب مشخص، با افزايش زمان، ضخامت پوشش و درصد آهن سطح پوشش افزايش يافته و برعكس درصد كرم كاهش يافته است. اين مسئله با مقايسه شكلهاي (5 و 6) كاملاً واضح است. بعلاوه با افزايش زمان رسوبات غني Alبزرگتر شده و نيز بطرف فلز پايه پيشروي نموده اند. افزايش زمان پوشش دادن با يك تركيب مشخص پودر باعث مي شود كه اكتيويته كرم در فاز گازي به تدريج كاهش يافته و در نتيجه مقدار كرم رسوب يافته بر روي سطح به تدريج كاهش مي يابد. از سوي ديگر عمق نفوذ و مقدار كرم نفوذ يافته با مرور زمان بيشتر مي شود. بنابراين با افزايش زمان از درصد كرم سطح كاسته مي شود شكل(7). بعلت كم بودن ضريب نفوذ آهن در نيكل با گذشت زمان، آهن بيشتري در سطح پوشش متمركز مي شود. همچنين زمان بيشتر باعث افزايش اكسيداسيون داخلي آلياژ شده و در نتيجه باعث بزرگتر شدن اندازه رسوبات غني از Al مي شود.

5- نتيجه گيري

1-با توجه به اينكه پوشش كرومايزينگ با روش سمانتاسيون پودري يك روش مؤثر براي افزايش مقاومت به خوردگي داغ سوپر آلياژهاي Ni-Cr است، در اين تحقيق اين نوع پوشش بر روي سوپرآلياژ پايه نيكل IN738LC ايجاد شد.
2-در پوشش كرومايزينگ ايجاد شده بيشتر دو نوع رسوب كاملاً مجزا از هم مشاهده مي شود.يكي رسوبات بلوكي شكل غني از Al و ديگري رسوبات سوزني شكل غني از Ti.
3-در يك زمان مشخص با افزايش غلظت كرم در پوشش، ضخامت پوشش تغيير محسوسي نداشته، درصد كرم و آهن سطح پوشش افزايش يافته و برعكس درصد نيكل كاهش مي يابد.
4-در يك تركيب مشخص پودر كرومايزينگ، با افزايش زمان، ضخامت پوشش و درصد آهن سطح و نيز اندازه رسوبات غني از Al افزايش يافته و برعكس درصد كرم سطح كاهش مي يابد.

منابع و مراجع

1-S.P.Cooper, A.Strong, “High temperature stability of pack aluminide coating on IN738LC”, High temperature alloys for gas turbines, 1982, pp.249-260.
2-R.Jaffe, “Turbines and industrial application”, source book on materials for elevated- temperature applications, ASM, 1979, pp.19-33
3-E.F.Bradley, Superalloys-A technical guide, ASM International, 1988.
4-F.Faber, “The role of chromium in corrosion and oxidation resistant alloys and coating”, “high temperature alloys for gas turbines, 1978, pp.69.
5-G.William Goward, proceedings on the Electrochemical society, Vol. 77-1 pp.369-384
6-R.Bauer, H.W.Grunling and K. Schneider, “Hot-Corrosion behavior of chromium diffusion coatings”, Materials and coating to resist high temperature corrosion, pp.369-387.
7-R.Bianco, M.A.Harper and R.A.Rapp, “Co-depositing elements by halide activated pack cementation”, J.of metals, Nov. 1991, pp.68-73.
8-Henry M.J.Mazille, “Chemical Vapour deposion of chromium on to Nickle”, Thin solid film, 65, 1980, pp.67-74

ادامه مطلب

مصارف نیکل