بخشی از مقاله
چکیده: سوپرآلیاژ STELLITE 31 - X-40 - در ساخت پرههای ردیف اول توربین مورد استفاده قرار میگیرد. ریزساختار این پرهها پس از کارکرد طولانی مدت، تغییر میکند. تغییر ساختار به گونه ای است که پرههاعملاً استحکام مطلوب خود را از دست میدهند. با توجه به قیمت بالای پره ها، بازیابی نسبی ریزساختار آن ها به وسیله عملیات حرارتی مفید به نظر می رسد. هدف از این پژوهش جمع آوری کلیه اطلاعات لازم جهت دستیابی به شرایط عملی فرآیند بازیابی ریزساختار این پره ها از طریق سیکل عملیات حرارتی می باشد. ابتدا مطالعات گسترده ای در خصوص این پارامترهای موثر بر عملیات حرارتی در استانداردهای مربوطه انجام گرفت. با مشخص شدن محدوده این پارامترها، نسبت به انجام آزمایش های عملی اقدام گردید. نتیجه این مطالعه منجر به دستیابی به سیکل بهینه برای ایجاد ساختار مطلوب اولیه شد. در این مقاله تاثیر عملیات حرارتی T6 بر ریز ساختار و خواص مکانیکی پره های ردیف اول توربین مورد بررسی قرار گرفت. بررسی های ریزساختاری و خواص مکانیکی با استفاده از میکروسکوپ نوری و انجام تست سختیسنجی صورت گرفت. تصاویر متالوگرفی نشان داد که عملیات حرارتی از یک سو باعث کاهش قابل توجهی در حجم کاربیدها شده و از سوی دیگر سبب از بین رفتن - انحلال - کاربیدهای مرزدانه ای پیوسته شده است. همچنین نتایج تست مکانیکی، کاهش سختی تا حدود 31 HRC را نشان داد.
.1 مقدمه1
سوپر آلیاژها بدلیل خواص منحصر به فرد میتوانند در پرههای متحرک و ثابت توربینها مورد استفاده قرار گیرند. پرههای متحرک و ثابت ردیف اول از مهمترین قسمتهای توربینها هستند. جنس پرههای مذکور به ترتیب سوپر آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت است. پرههای ثابت ردیف اول توربین یا نازلها که گازهای داغ حاصل از احتراق را به سمت پرههای متحرک هدایت میکنند به دلیل قرارگیری در دمای بالا در معرض بیشترین آسیبها نسبت به دیگر اجزاء توربین قرار دارند و به دلیل خواص ویژه سوپرآلیاژهای پایه کبالت این قطعاتمعمولاً از این نوع آلیاژها ساخته میشوند .[1] این قطعات به دو صورت ریختگی و آنیل شده هستند. در بعضی از موارد عملیات انحلالی و پیرسازی به منظور پایدارسازی کاربیدها بر روی آن ها اعمال میگردد. در سوپرآلیاژهای پایه کبالت استحکام لازم بواسطه حضور عناصر دیرگدازی چون Ta و W که تشکیل محلول جامد میدهند و همچنین کاربیدهای Cr ایجاد میگردد .[2] تعمیر و بازسازی نازل های ثابت ردیف اول توربین به عنوان راهکاری مناسب در مقایسه با استفاده از نازل های نو، از اهمیت زیادی در صنعت هواپیمایی کشور برخوردار است. شرایط دما بالا و ساعات طولانی بهره برداری، سبب ایجاد تغییرات ریزساختاری در این سوپرآلیاژ، از جمله تشکیل فازهای TCP و رسوب کاربیدهای ثانویه در مرزدانه ها و زمینه آستنیتی می شود هک نهایتاً به تشدید تخریب و کاهش کارایی نازل ها می انجامد. انجام عملیات حرارتی حل سازی قبل از انجام جوشکاری تعمیری، به منظور انحلال کاربیدها و فازهای مذکور و بازیابی جوش پذیری و جلوگیری از ترک خوردگی فلز پایه نیز ضروری است.
.1-1 متالورژی فیزیکی سوپر آلیاژهای پایه کبالت
سوپرآلیاژها بر پایه سه عنصر کبالت، نیکل و آهن طراحی می شوند و یکی از کاربردهای عمده آنها در ساخت قطعات داغ توربین های گازی، زمینی و هوایی است که البته قدمت کاربرد انواع پایه کبالت بیشتراست. سوپرآلیاژهای پایه کبالت طی دهه 1940 میلادی بعنوان مواد اصلی در ساخت توربوشارژرها و توربین های گازی مطرح شدند. کاربرد بیشتر آلیاژهای پایه کبالت علیرغم برتری های نسبی سوپرآلیاژها به دلایل ذیل می باشد:
-1 دمای ذوب بالاتر نسبت به انواع پایه نیکل و پایه آهن دارند، -2 این آلیاژها به دلیل داشتن درصد کروم بالاتر نسبت به انواع پایه نیکل، مقاومت خوردگی داغ بهتری را نشان می دهند، -3 آلیاژهای کبالت، قابلیت جوش پذیری و ریخته گری مناسبی داشته ومعمولاً مقاومت به شوک حرارتی بیشتری نسبت به آلیاژهای پایه نیکل دارند 1]و.[3 ریزساختارسوپرآلیاژهای پایه کبالت شامل فاز زمینه بصورت محلول جامد آستینت می باشد. بدلیل عدم وجود فاز - فاز استحکام دهنده هم سیما - Ni3 - Al,Ti - - FCC در سوپر آلیاژهای پایه نیکل و نیکل- آهن - مهمترین فاز استحکام بخش درسوپرآلیاژهای پایه کبالت کاربیدها هستند. فازهای نامطلوب معمول دیگر، ممکن است به دلیل تغییرات در ترکیب، نحوه تولید و یا به دلیل کار در شرایط دما بالا وجود داشته باشند. این فازها عبارتند از فاز ، فاز ، لاوه و فاز . همچنین نیتریدها به طور معمول در این نوع آلیاژها مشاهده شده و بریدها نیز در برخی از آلیاژها وجود دارند .[4] همانطور که گفته شد کاربیدها مهمترین فاز در استحکام بخشی سوپر آلیاژهای پایه کبالت هستند. توزیع ظریف کاربیدها به مقدار چشمگیری در افزایش عملکرد این آلیاژها موثر است .[5] در آلیاژهای پایه کبالت، بسته به ترکیب آلیاژ، انواع مختلف کاربید تشکیل میشود. مقدار عناصر آلیاژی برای تشکیل و توزیع مناسب کاربید و پایدار کردن آن، که بهترین خواص مخصوصاً خواص خزشی دما بالا را ایجاد میکند، تنظیم میشود. عموماً دو دسته کاربید در سوپرآلیاژهای پایه کبالت وجود دارندکه شامل کاربیدهای غنی از کروم و کاربید های غنی از عناصر دیرگداز می باشد.
از طرفی خواص مکانیکی سوپرآلیاژهای پایه کبالت از جمله استحکام کششی و تنش گسیختگی، بطور مستقیم تابعی از درصد حجمی کاربید های موجود در ریزساختار آلیاژ - ناشی از مقدار کربن اولیه - و مورفولوژی آن ها است، بطوریکه توزیع پیوستهی کاربیدها به شدت منجر به کاهش استحکام در این آلیاژها میشود. عوامل مؤثر بر خواص خزشی سوپرآلیاژهای پایه کبالت عبارتند از:
-1 ذرات فاز دوم
-2 اندازه دانه
-3 ترکیب شیمیایی.
در میان انواع سوپرآلیاژهای پایه کبالت سوپرآلیاژهایی مثل X-40 و X-45 و نوع پیشرفته ای از آنها تحت عنوان FSX-414 که در سال 1968-69 میلادی از سوی کمپانی جنرال الکتریک معرفی شد همواره برای ساخت انواع نازلهای توربین های گازی مورد توجه بوده اند.
.1-2 عملیات حرارتی
به دلیل اینکه سوپرآلیاژهای پایه کبالت ریختگی توانایی ایجاد رسوبات استحکام بخش فاز را در ریزساختار خود ندارند و استحکام بخشی آن ها بواسطه ایجاد فاز کاربیدی می باشد لذا آلیاژهای پایه کبالت را می توان در همان حالت ریختگی استفاده نمود 9[-6] و معمولاً عملیات حرارتی انحلال و پیرسازی اغلب برای اصلاح توزیع، همگنی و پایدارسازی فاز ثانویه کاربیدی [8-6] مورد توجه قرار می گیرد. بر همین اساس عملیات حرارتی سوپر آلیاژهای پایه کبالت خیلی ساده تر از سوپر آلیاژهای پایه نیکل می باشد هر چند در خیلی از موارد به این واقعیت توجهی نمی شود .[10] عملیات حرارتی سوپر آلیاژهای پایه کبالت همان عملیات سختی رسوبی - Age Hardening - است که شامل عملیات انحلال جزیی در درجه حرارت های بالاتر و عملیات پیرسازی در دمایی پایین تر از درجه حرارت عملیات انحلال است، با عملیات انحلال قسمتی از کاربیدهای حالت ریختگی در زمینه سوپر آلیاژ حل شده و به دنبال آن با انجام عملیات پیرسازی آرایش جدیدی از کاربیدها را رسوب می دهند .[10] با توجه به اینکه درجه حرارت انحلال کاربید M23C6 در آلیاژهای پایه کبالت حدود 1040 œC می باشد [2]، انجام عملیات انحلالی در محدوده دمایی [2] 1150-1200 œC و 1150-1230 œC به مدت 4 ساعت [7] باعث حل شدن تعدادی از کاربیدهای درشت مرزدانه ای [2] و کولنی های یوتکتیک [7] انحلال کاربیدهای ریز و رسوب مجدد و همگن تر آن ها و بطور کلی افزایش میزان همگنی ریزساختار نسبت به حالت ریختگی می شود .[2] در واقع کلونی های یوتکتیکی پایداری خود را تا نزدیکی دمای انجماد حفظ می کنند. افزایش بی رویه و غیر منطقی درجه حرارت عملیات برای انحلال کامل کاربیدها به دلیل ذوب موضعی زود هنگام در اکثر آلیاژهای پایه کبالت تصمیمی نادرست و نامعقول است .[11]
سوپر آلیاژهای پایه کبالت ریختگی برای دستیابی به خواص مکانیکی بالا نیازی به کوئنچ سریع بعد از عملیات انحلال ندارند، زیرا با انجام عملیات رسوب سختی در آن ها، عملا کسر حجمی رسوبات کاربیدی افزایش نمی یابد بلکه توزیع آن ها اصلاح می شود .[7] البته ذکر این نکته لازم است که سرد کردن آهسته از درجه حرارت عملیات انحلالی تا درجه حرارت 930 œC در آلیاژ X-40 نیز باعث فراپیر شدن - Over Age - کاربیدهای ثانویه در اثر رشد بی رویه و آگلومره شدن آن ها می گردد [10]، هرچند در مورد عملیات حرارتی سوپرآلیاژ X-45 و FSX-414 با توجه به درصد کربن کمتر این دو آلیاژ نسبت به آلیاژ X-40 چنین مشکلی پیش نمی آید .[12] از آنجائیکه عملیات حرارتی سوپر آلیاژهای پایه کبالت عموماً نسبت به اتمسفر کوره حساس نیستند می توان آن ها را در اتمسفرهای معمولی عملیات حرارتی نمود .[8] اما برای حفاظت بیشتر و ممانعت از تغییر و تحولات احتمالی نامطلوب در قطعات پیشنهاد شده است که عملیات حرارتی آن ها در کوره خلأ انجام شود .[13] بطور نمونه برای بازیابی خواص مکانیکی و تجدید و اصلاح ساختار قطعات ساخته شده از آلیاژهای پایه کبالت که مدتی تحت سرویس قرار گرفته اند از کوره های خلأ ای استفاده شده است که توانایی ایجاد درجه حرارتهای بالاتر از 1300 œC و خلأ بیش از 10- 6 bar را داشته باشد .[14] در سوپر آلیاژهای پایه کبالت عملیات حرارتی حل سازی قبل از انجام جوشکاری تعمیری، به منظور انحلال کاربیدها و فاز های مذکور و بازیابی جوش پذیری و جلوگیری از ترک خوردگی فلز پایه نیز انجام می شود.
.2 مواد و روش تحقیق
برای بررسی عملیات حرارتی T6 بر آلیاژ STELLITE 31 پرههای ثابت ردیف اول یک موتور t56 ابتدا جدا و سپس پوششزدایی شدند.
