بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، اثر کاهش اندازه ذرات آلومینیوم موجود در راکتور شیمیایی سمنتاسیون پودری بر ایجاد نانو حفرات کیرکندال حین تشکیل پوشش های نفوذی بین فلزی آلومینایدی بر روی ابر آلیاژ پایه نیکل مورد بررسی قرار گرفت. از مزیت های ایجاد حفرات کیرکندال در ابعاد نانو، بهبود خواص دما بالای پوشش های نفوذی آلومینایدی مانند مقاومت به اکسیداسیون میباشد. فرآیند سمنتاسیون پودری جهت تشکیل پوشش نفوذی آلومینایدی دو مرحله ای در کوره تیوپی تحت اتمسفر گاز آرگون ابتدا در محدوده دمایی 700 تا 840 درجه سانتیگراد با بازه زمانی بین 3 تا 5 ساعت با نرخ گرمایش 10 تا 30 درجه سانتیگراد بر دقیقه انجام و پس از سرد شدن تا دمای اتاق و خروج نمونه ها از راکتور، در محدوده دمایی 1000 تا 1100 با بازه زمانی 1 تا 3 ساعت با همان نرخ گرمایش مرحله دوم انجام گرفت. جهت مشخصه یابی تاثیر کاهش اندازه ذرات آلومینیوم بر پوشش های ایجاد شده از ریزنگار الکترونی روبشی نشر میدانی - FESEM - به همراه آنالیز عنصری EDS استفاده شد. از نتایج این پژوهش میتوان به مشخصه یابی نانو حفرات کیرکندال با دو نوع ریختشناسی کروی منفرد و غیر کروی تجمع یافته در پوشش نفوذی ایجاد شده، اشاره کرد.
واژه های کلیدی: آلومینیوم، نانو حفرات کیرکندال، پوشش نفوذی بین فلزی آلومینایدی، سمنتاسیون پودری، راکتور شیمیایی.
مقدمه
در توربین های گازی، بازدهی در اثر افزایش دما بهبود می یابد به همین دلیل تجهیزات مورد استفاده در توربین مانند تیغه های متحرک و ثابت باید قابلیت کارکرد در دماهای بالا را داشته باشند و در صورت تخریب، تعمیر و بازسازی روی آنها صورت بگیرد. در بخش های اصلی صنایع بالا دستی از قبیل تولید و فرآوری مواد، انرژی، حمل و نقل هوایی-فضایی این امر اهمیتی ویژه دارد. مواد دما بالا مانند ابرآلیاژ بطور معمول در محیط هایی شامل ترکیبی از پدیده های اکسیداسیون، خوردگی، سایش، فرسایش، انتقال حرارت و جرم کار میکنند.انواع تکنیک های اعمالی جهت ایجاد پوشش های نفوذی تعمیری مانند پاشش حرارتی1، رسوب دهی شیمیایی و فیزیکی از فاز بخار2، غوطه وری گرم3، اسپری سرد4، دوغابی5 و فرآیند سمنتاسیون6 که به نوعی رسوب دهی ترموشیمیایی از فاز بخار و جامد میباشد، مورد استفاده قرار میگیرند.[3-1]
محلولهای جامد وترکیبات بین فلزی نظیر آلومینایدها دسته ای ازموادپیشرفته هستند که تلفیقی از خواص فلزی و سرامیکی را دارند. گروه آلومینایدهای نیکل ازجمله محلولهای جامد بین فلزی هستند که جهت ارتقاء خواص خوردگی، اکسیداسیون ومکانیکی دردماهای بالامورداستفاده قرارمیگیرند. فرآیندهای پوشش دهی و اصلاح سطح مختلفی جهت ارتقاءاین خواص وجود دارندکه اکثریت آنها برای ابرآلیاژهای پایه نیکل قابل استفاده هستند. از جمله پرکاربردترین روش میتوان به فرآیند سمنتاسیون پودری اشاره نمود دراین فرآیند که ازرسوب شیمیایی از فاز بخار و جامد دردمای بالاو درمحیط خلأیا اتمسفر کنترل آرگون حاصل میشود، جهت ایجاد آلومینیوم اتمی فعال و نفوذ آن به داخل زیرلایه استفاده میشود.[7-4]
برای مطالعه تاثیر کاهش اندازه ذرات آلومینیوم بر پوشش دهی و فعالیت پذیری ترکیب پودری از مدل نفوذی اکتیویته بالا-دما پایین استفاده میشود.[8] این مدل غالبا از دو مرحله شامل ایجاد لایه رسوبی آلومینیوم و مرحله دیگر عملیات حرارتی نفوذی تشکیل شده است.[9] هدف پژوهشگراندر این زمینه، رسیدن به پوشش نفوذی بهینه در دما و زمانی کمتر از سیستم های رایج و در نتیجه آن کاهش مصرف انرژی، اثرات مخرب بر روی زیرلایه و افزایش قابلیت بالا بردن دمای سیستم است. تحقیقات در این زمینه برای از بین بردن چالش هاییمانند نحوه اختلاط پودری، بهم چسبیدگی ذرات7، استفاده از ذرات میکرو و نانو متری آلومینیوم بدون لایه اکسیدی متمرکز است.[10] از دستاوردهای این پژوهش میتوان به بهینه سازی زمان اختلاط پودری جهت جلوگیری از بهم چسبیدگی ذرات، ایجاد نانو حفرات کیرکندال منظم در لایههای پوشش با کاهش اندازه ذرات آلومینیوم موجود در راکتور شیمیایی فرآیند سمنتاسیون پودری اشاره کرد.
بررسی تحقیقات پیشین نشان میدهدکه در دو دهه اخیر، پوشش دهی ابرآلیاژهای پایه نیکل مورد توجه پژوهشگران بوده است. در این تحقیقات که عمدتاًاز فرآیند سمنتاسیون پودری استفاده شده است،تأثیر متغیرهای دما،زمان، نسبت گازها، فشارکاری، درصد اجزای ترکیب مخلوط پودری، نسبت آنها و ابعاد حفرات کیرکندال بر خواص سطحی پوشش بین فلزی آلومینایدی تشکیل شده مورد بررسی قرارگرفته است.[11] زمان و دمای بالای فرآیند،موجب ایجاد حفرات کیرکندال با ابعاد میکرونی در منطقه نفوذ به داخل پوشش میشود که ناشی از ضریب نفوذ پایین آلومینیوم به زیرلایه و تشکیل لایههای غیرفعال اکسیدی در سطح است که محدودیتهای اقتصادی و صنعتی زیادی رابا خودبه همراه دارد.[12] به نظر میرسد تقویت نفوذ پذیری بااستفاده×از×کاهش اندازه ذرات آلومینیوم ازجمله راه کارهای×موجود×جهت کاهش ابعاد حفرات کیرکندال، حذف بهترلایه هایغیرفعال سطحی ونیزکاهش دما و زمان فرآیند است؟
بررسی ها نشان میدهد اثرکاهش اندازه ذرات آلومینیوم بر روند تشکیل بین فلزی آلومیناید نیکل،تاکنون مورد تحقیق قرارنگرفته ویانتایج آن منتشر نشدهاست.باتوجه به اهمیت واستفاده فراوان ابرآلیاژ پایه نیکل درصنایع مختلف،خصوصا صنایع دفاعی وهوا فضا،در این مقاله تأثیرکاهش اندازه ذرات آلومینیوم موجود در راکتور شیمیایی فرآیند سمنتاسیون پودری موردمطالعه قرارگرفته است.دراین پژوهش ازآزمونهای مشخصه یابی FESEM،× EDS جهت بررسی وتحلیل موضوع استفاده شده است؟
مواد و روش پژوهش
دراین تحقیق از دو ابرآلیاژ پایه نیکل ×IN LC و GTD111 به عنوان زیرلایه استفاده شد؟ ترکیب شیمیایی آنها بر اساس آزمون طیف سنجی فلور سانس اشعه ایکس درجدول 1آورده شده است؟ بااستفاده ازدستگاه برش با سیم “CharmillesRobofil - ،دیسک هایی با قطر10وضخامت 4 میلیمتربریده شد. راکتور شیمیایی مورد استفاده در این پژوهش که در شکل 1 به طور نمادین مشاهده میشود از جنس فولاد دیرگداز زنگ نزن 310 انتخاب و ساخته شد. قبل از انجام فرآیند، جهت بهینه شدن شرایط نفوذ بر روی نمونه ها، با سنباده 100 تا 1500 پرداختکاری مکانیکی-دستی شده سپس با پودر آلومینا شن زنی8 انجام و مجدد با سنباده 2000 پرداختکاری شده، در نهایت با استن به مدت 5 دقیقه شستشو داده شدند.
جهت بهینه سازی شرایط اختلاط پودری از دستگاه اختلاط ساز فیزیکی SPEX مدل 2000MD و دو کاپ و یک گلوله آلومینایی در هر کاپ با مدت زمان اختلاط 10 تا 15 دقیقه استفاده شد. شکل2 تصویر نمادین دستگاه را نشان میدهد. جهت اعمال پوشش بر نمونه ها ×با مدل نفوذی اکتیویته بالا- دما پایین دو مرحله ای، مرحله اول با قرار دادن نمونه ها در راکتور شیمیایی شامل مخلوط پودری با ترکیب ثابت 12درصد آلومینیوم، 2 درصد آمونیوم کلراید و 86 درصد آلومینا آلفا به ترتیب به عنوان منبع، فعال ساز و پرکننده که در هر بار انجام این مرحله از ابعاد مختلف ذرات آلومینیوم به ترتیب 63،40،20،ریز9 و خیلی ریز10در ابعاد میکرونی با محدوده دمایی و زمانی ثابت به ترتیب 700 تا 840 درجه سانتیگرادو 3× تا 5 ساعت تحت اتمسفر گازآرگون با نرخ گرمایش ثابت 10 تا 20 درجه سانتیگراد بر دقیقه در کوره تیوپی با استوانه آلومینایی انجامشد، پس از سرد شدن در داخل کوره تا دمای محیط،همه نمونه ها از راکتور خارج شده سپس با استن جهت حذف لایه سطحی ناخالصی اکسیدی حاصل از مخلوط پودری در مرحله اول شستشو شدند. جهت انجام مرحله دوم فرآیند، نمونه ها در داخل یک قایقک آلومینایی به داخل همان کوره تیوپی هدایت شده و محدوده
