بخشی از مقاله
چکیده
دما و زمان عملیات حرارتی انحلالی نقش مهمی را در اجرا و کیفیت عملیات جوان سازی پره های مستعمل توربین ایفا می کند. در این تحقیق سعی بر آن است تا اثر دما و زمان عملیات حرارتی انحلال کامل و ناقص در عملیات جوان سازی پره توربین مستعمل از جنس سوپرآلیاژ پایه نیکل IN738LC که 60000 ساعت کار کرده است، بر رشد رسوبات ' در حین حرارت دهی بلند مدت - شبیه سازی شرایط سرویس - مورد بحث قرار گیرد. پس از آماده سازی و عملیات جوان سازی، نمونه ها تحت حرارت دهی بلند مدت قرار گرفتند. این حرارت دهی در دو دمای 900 و 1000 درجه سانتی گراد و در بازه زمانی 500 تا 2500 ساعت انجام شد.
جهت مشخصه یابی رسوبات ' ، به عنوان تابعی ازدما و زمان میکرو ساختار نمونه ها در دماها و زمان های مختلف مورد بررسی های ریزساختاری قرار گرفتند. نتایج SEM نشان داد که پس از عملیات جوان سازی، با افزایش دما و زمان حرارتدهی بلند مدت در تمامی نمونه ها رسوبات ' درشت شده و رسوبات ' درشت تر با مورفولوژی شبه کروی در ساختار ظاهر میشوند. همچنین مشاهده شد که در اکثر نمونه ها با افزایش دمای حرارت دهی مقدار ' های ثانویه کاهش می یابد و این کاهش تا از بین رفتن کلی آنها ادامه می یابد. این تحقیق نشان داد که با کاهش دمای عملیات حرارتی انحلال در هر دو دمای حرارت دهی بلندد مدت، میزان رسوبات ' درشت شده افزایش می یابد؛ به عبارت دیگر دمای بالاتر عملیات انحلال، منجر به نرخ درشت شدن کمتر و اندازه کوچکتر رسوبات شد.
کلمات کلیدی: سوپرآلیاژ پایه نیکل، جوان سازی، حرارت دهی بلند مدت، رسوبات ' ، درشت شدن
مقدمه
سوپرآلیاژهای پایه نیکل از جمه مواد استراتژیک مورد استفاده در صنعت هستند که با توجه به ویژگی های منحصر به فردشان قابلیت سرویس دهی در دماهای بالاتر از دمای تبلورمجددشان را دارند.[1] ریز ساختار و خواص مکانیکی این آلیاژها چه دردمای بالا و چه در دمای پایین شدیدا به فرآیند اولیه تولید و فرآیندهای تکمیلی این آلیاژها وابسته است. یکی از این فرآیندهای تکمیلی، عملیات حرارتی است. عملیات حرارتی انحلالی تک مرحله ای و بعضا دو مرحله ای مقدمه پیر سازی یک یا چند مرحله ای است که در پی آن توزیع همگنی از رسوبات با مورفولوژی کروی یا مکعبی را در داخل دانه و گسستگی کاربیدها را در مرزدانه در پی دارد.[2] انجام هر چه بهتر عملیات حرارتی انحلالی منجر به بهبود عملیات رسوب گذاری فاز در زمینه می شود.
اندازه، کسر حجمی و پراکندگی رسوبات جهت کنترل مقاومت به خزش بسیار موثر است. ریز ساختار منتج شده از عملیات حرارتی می تواند در بر دارنده حد کافی استحکام، داکتیلیته و پایداری فاز حتی پس از قرار گرفتن در دمای بالا به مدت طولانی باشد. رفتار مکانیکی و خواص فیزیکی سوپرآلیاژها شدیدا به ریز ساختار آنها وابسته است.[3-7] ریز ساختار سوپرآلیاژها معمولا به مرور زمان با توجه به شرایط سرویس دهی - دما و تنش - تغییر می کند. در سال های اخیر جهت بهبود خواص کششی، خستگی و علی الخصوص خزش و رسیدن به تعادلی بین این خواص ذکر شده، توزیع، اندازه و مورفولوژی رسوبات را به وسیله عملیات حرارتی مدیریت میکنند.[8-11]
بدیهی است که خواص مکانیکی فلزات ارتباط تنگاتنگی با ریزساختار آنها دارد. در گذشته تحقیقات زیادی به منظور بررسی این ارتباط در مورد سوپر آلیاژ پایه نیکل IN738LC انجام شده است. با توجه به این که سوپرآلیاژها موادی گران قیمت هستند، استفاده از آنها نیازمند طراحی فرآیند تعمیری است که بتواند خواص اولیه را مجددا ارایه دهد و ساختار اولیه دوباره بعد از یک یا چند عملیات حرارتی به منظورصرفه اقتصادی قابل حصول باشد. فرآیند عملیات حرارتی سوپرآلیاژهای پایه نیکل منجر به تغییرات ریز ساختاری در این آلیاژها می شود که در نهایت بهینه کردن خواص مکانیکی و فیزیکی را در پی دارد.[6-12] این موضوع که عملیات های حرارتی گوناگون ساختارهای مختلفی را در پی دارد، بر اهمیت انتخاب صحیح پارامترهای عملیات حرارتی می-افزاید.
سوپر آلیاژ پایه نیکل ریختگی IN738LC به عنوان یک ماده مناسب برای تولید پره های ردیف اول توربین گازی مورد استفاده قرار می گیرد. این آلیاژ دارای عناصری از قبیل W، Cr و ... است که منجر به افزایش خوردگی داغ موضعی می شوند.[11] ریز ساختار نهایی این آلیاژ شامل زمینه با شبکه FCC، های اولیه و ثانویه، - یوتکتیک، کاربیدها و فازهای مضر TCP و لاوه است. درصد وزنی فاز در سوپرآلیاژ IN738LC بیشتر از شصت درصد است که بیانگر اهمیت این فازاست.[12] بنابراین، استحکام این آلیاژ در دمای بالا شدیدا به مشخصات رسوبات بستگی دارد. تحقیقات گذشته نشان دادند که فرآیند جوان سازی پره های کار کرده توربین منجر به افزایش دو الی سه برابری طول عمر نسبت به حالت اصلی آنها می شود.[13]
در این پژوهش سعی بر آن است که مناسب ترین و عملی ترین شرایط تعمیر و جوان سازی بعد از 60000 ساعت سرویس دهی برای بازیابی ساختار انتخاب گردد تا ریز ساختار نهایی حاصله پایداری بالایی را برای قرار گرفتن در معرض حرارت دهی بلند مدت داشته باشد.
مواد و روش تحقیق
ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژ پایه نیکل IN738LC مورد استفاده در این پژوهش در جدول 1 نشان داده شده است. قطعاتی مکعبی شکل با ابعاد 1cm2 از منطقه ای که بیشترین تخریب را در پره توربین داشت جدا شد. نمونه ها تحت سیکل رسوب سختی شامل دو مرحله آنیل انحلالی و یک مرحله پیرسازی در کوره خلا قرار گرفتند. شرایط عملیات حرارتی در جدول 2 نشان داده شده است. نمونه ها بعد از جوان سازی در شرایط گوناگون تحت دو دمای 900 C و 1000 C به مدت های 500، 1000،1500، 2000 و 2500 ساعت در معرض حرارت دهی قرار گرفتند.
جهت ارزیابی ریزساختار و بررسی درشت شدن رسوبات ، همه نمونه ها پس از عملیات حرارتی تحت آماده سازی سطحی قرار گرفتند و برای بررسی ریز ساختاری نمونه ها توسط محلول 10%H3PO4+90%H2O در زمان 4 الی 6 ثانیه تحت اختلاف پتانسیل 3-4V و شدت جریان mA/cm2 120 مورد حکاری الکتریکی قرار گرفتند.[14] نتایج این اقدامات در بخش بعدی ارائه و بررسی می گردد.. ریز ساختار نمونه ها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - روی حالت الکترون ثانویه مورد بررسی قرار گرفت. برای بدست آورن کسر حجمی و قطر رسوبات از نرم افزارهای کلمکس استفاده شد.
نتایج و بحث
تصویر ریز ساختار قسمت میانی ایر فول پره کار کرده در شکل 1 الف نشان داده شده است. در این تصویر کسر حجمی بالای رسوبات بین و درون دندریت ها به وضوح نشان داده شده است. در این تصویر به خوبی
