بخشی از مقاله
چكيده:
سوپرآلياژ - ٤٠ - X- ٣١ STELLITE در ساخت پرههاي رديف اول توربين مورد استفاده قرار ميگيرد. ريزساختار اين پرهها پس از كاركرد طولاني مدت، تغيير ميكند. تغيير ساختار به گونه اي است كه پرههاعملاً استحكام مطلوب خود را از دست ميدهند. با توجه به قيمت بالاي پره ها، بازيابي نسبي ريزساختار آن ها به وسيله عمليات حرارتي مفيد به نظر مي رسد.
هدف از اين پژوهش جمع آوري كليه اطلاعات لازم جهت دستيابي به شرايط عملي فرآيند بازيابي ريزساختار اين پره ها از طريق سيكل عمليات حرارتي مي باشد. ابتدا مطالعات گسترده اي در خصوص اين پارامترهاي موثر بر عمليات حرارتي در استانداردهاي مربوطه انجام گرفت. با مشخص شدن محدوده اين پارامترها، نسبت به انجام آزمايش هاي عملي اقدام گرديد.
نتيجه اين مطالعه منجر به دستيابي به سيكل بهينه براي ايجاد ساختار مطلوب اوليه شد. در اين مقاله تاثير عمليات حرارتي T6 بر ريز ساختار و خواص مكانيكي پره هاي رديف اول توربين مورد بررسي قرار گرفت. بررسي هاي ريزساختاري و خواص مكانيكي با استفاده از ميكروسكوپ نوري و انجام تست سختيسنجي صورت گرفت.
تصاوير متالوگرفي نشان داد كه عمليات حرارتي از يك سو باعث كاهش قابل توجهي در حجم كاربيدها شده و از سوي ديگر سبب از بين رفتن - انحلال - كاربيدهاي مرزدانه اي پيوسته شده است. همچنين نتايج تست مكانيكي، كاهش سختي تا حدود HRC ٣١ را نشان داد.
١. مقدمه
سوپر آلياژها بدليل خواص منحصر به فرد ميتوانند در پرههاي متحرك و ثابت توربينها مورد استفاده قرار گيرند. پرههاي متحرك و ثابت رديف اول از مهمترين قسمتهاي توربينها هستند. جنس پرههاي مذكور به ترتيب سوپر آلياژهاي پايه نيكل و پايه كبالت است. پرههاي ثابت رديف اول توربين يا نازلها كه گازهاي داغ حاصل از احتراق را به سمت پرههاي متحرك هدايت ميكنند به دليل قرارگيري در دماي بالا در معرض بيشترين آسيبها نسبت به ديگر اجزاء توربين قرار دارند و به دليل خواص ويژه سوپرآلياژهاي پايه كبالت اين قطعاتمعمولاً از اين نوع آلياژها ساخته ميشوند
اين قطعات به دو صورت ريختگي و آنيل شده هستند. در بعضي از موارد عمليات انحلالي و پيرسازي به منظور پايدارسازي كاربيدها بر روي آن ها اعمال ميگردد. در سوپرآلياژهاي پايه كبالت استحكام لازم بواسطه حضور عناصر ديرگدازي چون Ta و W كه تشكيل محلول جامد ميدهند و همچنين كاربيدهاي Cr ايجاد ميگردد
تعمير و بازسازي نازل هاي ثابت رديف اول توربين به عنوان راهكاري مناسب در مقايسه با استفاده از نازل هاي نو، از اهميت زيادي در صنعت هواپيمايي كشور برخوردار است. شرايط دما بالا و ساعات طولاني بهره برداري، سبب ايجاد تغييرات ريزساختاري در اين سوپرآلياژ، از جمله تشكيل فازهاي TCP و رسوب كاربيدهاي ثانويه در مرزدانه ها و زمينه آستنيتي مي شودهك نهايتاً به تشديد تخريب و كاهش كارايي نازل ها مي انجامد. انجام عمليات حرارتي حل سازي قبل از انجام جوشكاري تعميري، به منظور انحلال كاربيدها و فازهاي مذكور و بازيابي جوش پذيري و جلوگيري از ترك خوردگي فلز پايه نيز ضروري است.
١-١. متالورژي فيزيكي سوپر آلياژهاي پايه كبالت
سوپرآلياژها بر پايه سه عنصر كبالت، نيكل و آهن طراحي مي شوند و يكي از كاربردهاي عمدة آنها در ساخت قطعات داغ توربين هاي گازي، زميني و هوايي است كه البته قدمت كاربرد انواع پايه كبالت بيشتراست. سوپرآلياژهاي پايه كبالت طي دهه ١٩٤٠ ميلادي بعنوان مواد اصلي در ساخت توربوشارژرها و توربين هاي گازي مطرح شدند.
كاربرد بيشتر آلياژهاي پايه كبالت عليرغم برتري هاي نسبي سوپرآلياژها به دلايل ذيل مي باشد:
١- دماي ذوب بالاتر نسبت به انواع پايه نيكل و پايه آهن دارند، ٢- اين آلياژها به دليل داشتن درصد كروم بالاتر نسبت به انواع پايه نيكل، مقاومت خوردگي داغ بهتري را نشان مي دهند، ٣- آلياژهاي كبالت، قابليت جوش پذيري و ريخته گري مناسبي داشته ومعمولاً مقاومت به شوك حرارتي بيشتري نسبت به آلياژهاي پايه نيكل دارند
ريزساختارسوپرآلياژهاي پايه كبالت شامل فاز زمينه بصورت محلول جامد آستينت مي باشد.
بدليل عدم وجود فاز γ′ - فاز استحكام دهنده هم سيما - Ni3 - Al,Ti - - FCC در سوپر آلياژهاي پايه نيكل و نيكل-آهن - مهمترين فاز استحكام بخش درسوپرآلياژهاي پايه كبالت كاربيدها هستند. فازهاي نامطلوب معمول ديگر، ممكن است به دليل تغييرات در تركيب، نحوه توليد و يا به دليل كار در شرايط دما بالا وجود داشته باشند. اين فازها عبارتند از فاز δ، فاز σ، لاوه و فاز .η همچنين نيتريدها به طور معمول در اين نوع آلياژها مشاهده شده و بريدها نيز در برخي از آلياژها وجود دارند
همانطور كه گفته شد كاربيدها مهمترين فاز در استحكام بخشي سوپر آلياژهاي پايه كبالت هستند. توزيع ظريف كاربيدها به مقدار چشمگيري در افزايش عملكرد اين آلياژها موثر است ]٥.[ در آلياژهاي پايه كبالت، بسته به تركيب آلياژ، انواع مختلف كاربيد تشكيل ميشود. مقدار عناصر آلياژي براي تشكيل و توزيع مناسب كاربيد و پايدار كردن آن، كه بهترين خواص مخصوصاً خواص خزشي دما بالا را ايجاد ميكند، تنظيم ميشود. عموماً دو دسته كاربيد در سوپرآلياژهاي پايه كبالت وجود دارندكه شامل كاربيدهاي غني از كروم و كاربيد هاي غني از عناصر ديرگداز مي باشد.
از طرفي خواص مكانيكي سوپرآلياژهاي پايه كبالت از جمله استحكام كششي و تنش گسيختگي، بطور مستقيم تابعي از درصد حجمي كاربيد هاي موجود در ريزساختار آلياژ - ناشي از مقدار كربن اوليه - و مورفولوژي آن ها است، بطوريكه توزيع پيوستهي كاربيدها به شدت منجر به كاهش استحكام در اين آلياژها ميشود. عوامل مؤثر بر خواص خزشي سوپرآلياژهاي پايه كبالت عبارتند از:
١- ذرات فاز دوم ٢- اندازه دانه ٣- تركيب شيميايي.
در ميان انواع سوپرآلياژهاي پايه كبالت سوپرآلياژهايي مثل X-40 و X-45 و نوع پيشرفته اي از آنها تحت عنوان FSX-414 كه در سال ١٩٦٨-٦٩ ميلادي از سوي كمپاني جنرال الكتريك معرفي شد همواره براي ساخت انواع نازلهاي توربين هاي گازي مورد توجه بوده اند.
شكل ١. ريز ساختار ريختگي سوپرآلياژ پايه كبالت .X-40
شكل ١ ساختار ريختگي متداول آلياژ X-40 و جدول هاي ١ و ٢ به ترتيب محدوده تركيب شيميايي اين آلياژ و خواص فيزيكي و مكانيكي آن را نشان مي دهد.
جدول ١. تركيب شيميايي سوپرآلياژ پايه كبالت
١-٢. عمليات حرارتي
به دليل اينكه سوپرآلياژهاي پايه كبالت ريختگي توانايي ايجاد رسوبات استحكام بخش فاز γ′ را در ريزساختار خود ندارند و استحكام بخشي آن ها بواسطه ايجاد فاز كاربيدي مي باشد لذا آلياژهاي پايه كبالت را مي توان در همان حالت ريختگي استفاده نمود ]٩[-٦ و معمولاً عمليات حرارتي انحلال و پيرسازي اغلب براي اصلاح توزيع، همگني و پايدارسازي فاز ثانويه كاربيدي ]٦-٨[ مورد توجه قرار مي گيرد. بر همين اساس عمليات حرارتي سوپر آلياژهاي پايه كبالت خيلي ساده تر از سوپر آلياژهاي پايه نيكل مي باشد هر چند در خيلي از موارد به اين واقعيت توجهي نمي شود
عمليات حرارتي سوپر آلياژهاي پايه كبالت همان عمليات سختي رسوبي - Age Hardening - است كه شامل عمليات انحلال جزيي در درجه حرارت هاي بالاتر و عمليات پيرسازي در دمايي پايين تر از درجه حرارت عمليات انحلال است، با عمليات انحلال قسمتي از كاربيدهاي حالت ريختگي در زمينه سوپر آلياژ حل شده و به دنبال آن با انجام عمليات پيرسازي آرايش جديدي از كاربيدها را رسوب مي دهند
با توجه به اينكه درجه حرارت انحلال كاربيد M23C6 در آلياژهاي پايه كبالت حدود °C ١٠٤٠ مي باشد ]٢[، انجام عمليات انحلالي در محدوده دمايي °C ١١٥٠-١٢٠٠ ]٢[ و °C ١١٥٠-١٢٣٠ به مدت ٤ ساعت ]٧[ باعث حل شدن تعدادي از كاربيدهاي درشت مرزدانه اي ]٢[ و كولني هاي يوتكتيك ]٧[ انحلال كاربيدهاي ريز و رسوب مجدد و همگن تر آن ها و بطور كلي افزايش ميزان همگني ريزساختار نسبت به حالت ريختگي مي شود ]٢.[ در واقع كلوني هاي يوتكتيكي پايداري خود را تا نزديكي دماي انجماد حفظ مي كنند. افزايش بي رويه و غير منطقي درجه حرارت عمليات براي انحلال كامل كاربيدها به دليل ذوب موضعي زود هنگام در اكثر آلياژهاي پايه كبالت تصميمي نادرست و نامعقول است
سوپر آلياژهاي پايه كبالت ريختگي براي دستيابي به خواص مكانيكي بالا نيازي به كوئنچ سريع بعد از عمليات انحلال ندارند، زيرا با انجام عمليات رسوب سختي در آن ها، عملا كسر حجمي رسوبات كاربيدي افزايش نمي يابد بلكه توزيع آن ها اصلاح مي شود ]٧.[ البته ذكر اين نكته لازم است كه سرد كردن آهسته از درجه حرارت عمليات انحلالي تا درجه حرارت °C ٩٣٠ در آلياژ X-40 نيز باعث فراپير شدن - Over Age - كاربيدهاي ثانويه در اثر رشد بي رويه و آگلومره شدن آن ها مي گردد ]١٠[ ، هرچند در مورد عمليات حرارتي سوپرآلياژ X-45 و FSX-414 با توجه به درصد كربن كمتر اين دو آلياژ نسبت به آلياژ X-40 چنين مشكلي پيش نمي آيد
از آنجائيكه عمليات حرارتي سوپر آلياژهاي پايه كبالت عموماً نسبت به اتمسفر كوره حساس نيستند مي توان آن ها را در اتمسفرهاي معمولي عمليات حرارتي نمود ]٨.[ اما براي حفاظت بيشتر و ممانعت از تغيير و تحولات احتمالي نامطلوب در قطعات پيشنهاد شده است كه عمليات حرارتي آن ها در كوره خلأ انجام شود ]١٣.[ بطور نمونه براي بازيابي خواص مكانيكي و تجديد و اصلاح ساختار قطعات ساخته شده از آلياژهاي پايه كبالت كه مدتي تحت سرويس قرار گرفته اند از كوره هاي خلأ اي استفاده شده است كه توانايي ايجاد درجه حرارتهاي بالاتر از °C ١٣٠٠ و خلأ بيش از bar ١٠-٦ را داشته باشد در سوپر آلياژهاي پايه كبالت عمليات حرارتي حل سازي قبل از انجام جوشكاري تعميري، به منظور انحلال كاربيدها و فاز هاي مذكور و بازيابي جوش پذيري و جلوگيري از ترك خوردگي فلز پايه نيز انجام مي شود.
٢. مواد و روش تحقيق
براي بررسي عمليات حرارتي T6 بر آلياژ STELLITE 31 پرههاي ثابت رديف اول يك موتور t56 ابتدا جدا و سپس پوششزدايي شدند.
