بخشی از مقاله
چكيده:
در اين پژوهش، به منظور تشكيل يك پوشش آلومينايدي اصلاح شده با سيليسيم روي ابرآلياژ IN738LC، از روش سمانتاسيون جعبهاي در يك مرحله استفاده شد. جهت دستيابي به پوششي با ساختار مطلوب، دو مخلوط پودري با نسبت Si/Al متفاوت 7Si-14Al - wt.% - - ٥/٠ - R و 16Si-4Al - ٤ - R در دماي C ٩٠٠ مورد استفاده قرار گرفت. از wt.% - NH4Cl ١-٣ - و Al2O3 نيز به ترتيب به عنوان فعال كننده و پر كننده در اين آزمايش استفاده شد.
بررسيهاي ريزساختاري پوششهاي حاصل با استفاده از ميكروسكوپ نوري و الكتروني روبشي مجهز به ميكروآناليز طيف سنج انرژي - EDS - و فاز شناسي توسط پراش پرتو ايكس - XRD - انجام شد و مكانيزم تشكيل آنها مورد ارزيابي قرار گرفت.
نتايج نشان داد كه هر دو پوشش داراي ساختاري چند لايه بوده و فاز AlNi2Si به عنوان فاز غالب در هردو پوشش شناسايي شد. در نمونه ٥/٠R، يك لايهي متخلخل سطحي از فاز NiSi تشكيل ميشود كه خواص مكانيكي نمونه را تا حدي كاهش ميدهد. مكانيزم تشكيل ارائه شده براي هردو پوشش مشابه بوده و شامل نفوذ درونگراي آلومينيم و سيليسيم در مراحل ابتدايي و رشد برونگراي پوشش در مراحل نهايي فرايند ميباشد.
١. مقدمه
ابرآلياژهاي پايه نيكل، به علت خواص مكانيكي خوب و پايداري متالورژيكي در دماي بالا، از پركاربردترين موادي هستند كه در ساخت قطعات دماي بالاي توربين،خصوصاً پرههاي توربين، مورد استفاده قرار ميگيرند. اين مواد با وجود رفتار مكانيكي مطلوب، داراي مقاومت به خوردگي داغ و اكسيداسيون دماي بالاي ضعيفي هستند كه سبب كاهش مقاومت به اكسيداسيون و خوردگي داغ آنها ميگردد
يكي از روشهاي محافظت قطعات ابرآلياژي در برابر شرايط كاري فوق، اعمال پوششهاي مقاوم در دماي بالا بر روي آنهاست. پوششهاي آلومينايد نفوذي يكي از متداولترين پوششها جهت محفاظت اجزاي ابرآلياژي توربين در برابر اكسيداسيون به شمار ميروند. اين پوششها به خاطر سهولت در توليد، هزينه نسبتاً كم و ايجاد لايههاي با چسبندگي عالي، به عنوان مطلوبترين پوشش در توربين هاي گازي شناخته ميشوند
عملكرد پوششهاي آلومينايدي مربوط به ايجاد پوستهي چسبندهي اكسيدي Al2O3 روي سطح قطعه ميباشد. در واقع پوشش آلومينايدي به عنوان منبعي براي تأمين آلومينيم مورد نياز براي تشكيل اين پوسته عمل كرده و از مصرف عناصر موجود در آلياژ پايه جلوگيري ميكند. به منظور توليد اين پوششها تاكنون از روشهاي مختلفي استفاده شده كه از ميان آنها فرايند سمانتاسيون جعبهاي، به علت سادگي فرايند و امكان پوششدهي قطعات كوچك و با شكلهاي پيچيده، پر كاربردترين روش محسوب ميشود
بررسيها نشان داده است كه پوششهاي آلومينايدي در دماهاي كاري بالاتر از ºC١٠٥٠،خصوصاً تحت شرايط سيكلي يا تحت خوردگي داغ شديد، حفاظت محدودي از خود نشان ميدهند. بنابراين ميتوان با افزودن عناصري مانند پلاتين، سيليسيم و كروم به اين پوششها، مقاومت به اكسيداسيون و خوردگي داغ اين پوشش ها را بهبود بخشيد
پوششهاي آلومينايدي اصلاح شده به دو روش دو مرحلهاي و تك مرحلهاي توليد ميشوند. در روش دو مرحلهاي عنصر اصلاح كننده و آلومينيم در دو مرحلهي مجزا در سطح نفوذ داده ميشوند. اين روش به علت كنترل و تكرارپذيري بهتر، بيشتر مورد پذيرش صنعت قرار گرفته است. در مقابل، در روش تك مرحلهاي - رسوب همزمان - عنصر اصلاح كننده و آلومينيم در يك مرحله و به صورت همزمان در سطح نفوذ داده ميشوند
در سالهاي اخير روش رسوب همزمان، به علت صرفهجويي در مصرف ماده، زمان و هزينه مورد توجه قرار گرفته است. در اين روش، شرايط ترموديناميكي فرايند بايد به گونهاي تنظيم شود كه فشار بخار دو عنصر مورد نظر در مخلوط پودري به يك مقدار تعادلي رسيده و نفوذ همزمان دو عنصر ميسر گردد. از طرفي، به علت اختلاف زياد بين فشار بخار عناصر پوشش - آلومينيم و سيليسيم - ، ايجاد و كنترل اين شرايط دشوار است. به همين دليل اين روش هنوز در مراحل تحقيقاتي است و در مقياس صنعتي وارد نشده است
در اين پژوهش، به منظور ايجاد پوشش سيليسيم آلومينايد به روش رسوب همزمان روي ابرآلياژ پايه نيكل IN738LC، از مخلوطهاي پودري با دو نسبت سيليسيم به آلومينيم مختلف در دماي ºC ٩٠٠ استفاده شد. ريزساختار پوششهاي حاصل و مكانيزم تشكيل آنها مورد ارزيابي قرار گرفت.
٢. مواد و روش آزمايش
در اين تحقيق يك ريشه پرهي توربين گازي از جنس ابرآلياژ پايه نيكل IN738LC با تركيب ارائه شده در جدول١ به عنوان زيرلايه مورداستفاده قرار گرفت ]٨.[ به منظور تهيه مخلوط پودري از پودر خالص عناصر آلومينيم و سيليسيم به عنوان منبع تأمين عناصر پوشش استفاده شد. همچنين پودر NH4Cl به عنوان فعال كننده به مقدار ١ تا ٣ درصد وزني و پودر آلومينا - Al2O3 - به عنوان پر كننده مورد استفاده قرار گرفت. براي انجام اين فرايند، از دو مخلوط پودري با نسبت سيليسيم به آلومينيم متفاوت 7Si-14Al و 16Si-4Al - ٥/٠R و ٤ - R و وزن كلي ٢٢ گرم استفاده شد.
براي انجام فرايند پوششدهي، ابتدا نمونهها با استفاده از دستگاه برش به قطعاتي با ابعاد cm3 ٥/٠ ١ ١ برش داده شد. پس از آماده سازي سطحي با استفاده از سنبادههاي شماره ٦٠ تا ٦٠٠، نمونهها توزين شده و قبل از پوششدهي هر نمونه ابتدا با استون شسته شده و سپس به منظور فعال سازي سطحي به مدت ٩٠ ثانيه در محلول اسيد كلريدريك ٣٧ درصد قرار گرفت. در نهايت، نمونه با آب و سپس استون شستشو و پس از خشك كردن به همراه مخلوط پودري در محفظهي پوششدهي استوانه اي از جنس فولاد نسوز به ارتفاع ٦ و قطر داخلي ٢ سانتيمتر قرار گرفته و سپس در كوره الكتريكي مقاومتي حرارت دهي گرديد. مدت زمان قرار گيري نمونه در دماي پوششدهي براي هر دو نمونه ٦ ساعت بوده و زمان شروع فرايند، پس از رسيدن كوره به دماي عمليات - پس از ١ ساعت - محاسبه شد. در هر مورد پس از پايان سيكل پوششدهي، محفظه از كوره خارج و در هوا سرد شد.
از ميكروسكوپ نوري جهت دستيابي به اطلاعات اوليهاي از ريزساختار پوششها و سپس جهت بررسيهاي دقيقتر از ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميدان - FESEM - مدل TESCAN MIRA 3 LMU با استفاده از سيگنالهاي الكترون برگشتي از نمونههاي اچ نشده استفاده شد.
به منظور تعيين عناصر موجود در نواحي مختلف پوشش و همچنين رسوبات ظاهر شده در ساختار، از آناليز عنصري نيمه كمي طيف سنجي پراكندگي انرژي - EDS - موجود در دستگاه FESEM به صورت نقطهاي استفاده شد. سپس براي تعيين فازهاي موجود در پوشش، از سطح و همچنين پس از لايهبرداري، از لايههاي عمقي پوشش از دستگاه پراش پرتو ايكس - XRD - و نرمافزار فاز شناسي Xpert استفاده شد. آزمون XRD با استفاده از آند مس با طول موج A° ٥٤٠٦/١، گام زاويه ٠٥/٠ درجه و زواياي تفرق - ٢ - ٢٠ تا ٩٠ درجه انجام شد.
٣. نتايج و بحث
٣-١. بررسي ريزساختاري
شكل ١ تصور ميكروسكوپي از مقطع عرضي پوشش ٥/٠R را نشان ميدهد. پوشش حاصل داراي ضخامت تقريبي ٢٠٠ ميكرومتر بوده و از ٤ لايه با توزيع فاز متفاوت تشكيل شده است. شكل ٢-الف الگوي پراش پرتو ايكس - XRD - مربوط به لايهي بالايي - A - و نواحي نزديك به آن را نشان ميدهد. براساس نتايج فازشناسي، اين لايه عمدتاً از فاز NiSi تشكيل شده كه همان لايهي تيره رنگ و متخلخل روي سطح است. فاز SiO2 نيز به مقدار زياد شناسايي شده است كه نشان دهندهي اكسيد شدن سطح ميباشد. با توجه به درصد اتمي مربوط به نيكل و سيليسيم در جدول ٢ نيز، وجود اين فازها در سطح تأييد ميشود. در لايهي A فاز AlNi2Si و Al2O3 نيز به مقدار جزيي وجود دارد. وجود فاز Al2O3 نيز نشان دهندهي اكسيد شدن جزيي سطح ميباشد.
شكل ٢-ب الگوي XRD نمونه ٥/٠R را - پسالف - از لايهبرداري تا عمق ٤٠ ميكرومتر - نزديك به ناحيه - B نشان ميدهد. با مقايسهي الگوهاي الف و ب در شكل٢ ميتوان دريافت كه با حركت از سطح به سمت عمق پوشش، مقدار فاز NiSi به شدت كاهش يافته و فاز SiO2نيز كاملاً حذف شده است. در مقابل، افزايش شدت پيكهاي مربوط به فاز AlNi2Si نشان ميدهد كه اين فاز در عمق پوشش فاز غالب است. علاوهبراين، پيكهاي مربوط به فاز Al2O3 نيز همچنان در اين لايه وجود دارند كه ميتواند ناشي از به دام افتادن ذرات آلوميناي موجود در مخلوط پودري، در حين فرايند در پوشش باشد.
با توجه به تصاوير، در مجموع سه فاز غالب ميتوان در پوشش ٥/٠R مشاهده كرد. فازهاي NiSi و فاز AlNi2Si به ترتيب به شكل فازهاي خاكستري تيره و روشن در تصوير مشاهده ميشوند. يك فاز تقريباً سفيد رنگ نيز به صورت ذرات ريز و پراكنده در تصوير مشاهده ميشود كه ميتواند همان رسوبات سيليسايدياحتمالاً - تركيب سيليسايد نيكل - Ni3Si2 باشد.
شكل ٣ تصوير ميكروسكوپي از ريزساختار مقطع عرضي پوشش بدست آمده در نمونه ٤R را نشان ميدهد. اين پوشش داراي ضخامت تقريبي ٢٦٠ ميكرومتر بوده و با توجه به كنتراست تصوير، در مجموع ميتوان ٢ فاز غالب براي آن پيشبيني كرد. الگوي XRD مربوط به سطح اين پوشش در شكل ٤-الف ارائه شده است. در سطح و نواحي نزديك به آن، فازهاي AlNi2Si و Cr3Si به عنوان فاز غالب شناسايي شدند. اين دو فاز به ترتيب به رنگهاي خاكستري روشن و تيره در تصوير ديده ميشوند. در اين ناحيه فاز SiO2 نيز به مقدار جزئي وجود دارد كه ناشي از اكسيد شدن جزيي سطح است.
شكل ٤-ب الگوي XRD نمونه ٤R را پس از لايهبرداري تا عمق ٤٠-٥٠ ميكرومتر نشان ميدهد. با توجه به شكل، پيكهاي مربوط به فاز SiO2تقريباً حذف شده و پيكهاي مربوط به فازهاي AlNi2Si و Cr3Si شدت بيشتري - تا چند برابر - پيدا كرده است. در بعضي نواحي يك اختلاف كنتراست جزئي ديده ميشود كه احتمالاً ناشي از حل شدن يك عنصر در يكي از دو فاز اصلي ميباشد. اين عنصر حل شده ميتواند نيكل، سيليسيم يا كبالت به مقدار كمتر باشد.
پيش از اين در تحقيقات مشابه، حضور تركيبات مختلف Ni-Si، تركيبات بين فلزي Cr-Si و همچنين فاز AlNi2Si در پوششهاي سيليسيم آلومينايد گزارش شده است
٣-٢. توجيه فازها با توجه به دياگرامهاي فازي تعادلي
با توجه به نتايج حاصل از مشخصهيابي فازهاي موجود در ريزساختار پوششهاي تشكيل شده، در مجموع ٤ فاز غالب براي پوششها شناسايي شد كه عبارتند از : NiSi، Ni3Si2، AlNi2Si و .Cr3Si به منظور بررسي اين فازها از نمودارهاي فازي سه تايي Al-Ni-Si و Cr-Ni-Si استفاده شد.
ابتدا به منظور بررسي شرايط حضور فازهاي NiSi و CrSi2 نمودار فازي سه تايي Ni-Cr-Si در دماي C ٨٥٠ مورد بررسي قرار گرفت - شكل ٥ - . تركيب NiSi داراي ساختار كريستالي ارتورومبيك١ و نقطه ذوب C ٩٩٢ بوده و با علامت در نمودار مشخص شده است. تركيب Cr3Si داراي نوعي ساختار كريستالي مكعبي است كه در آن اتمهاي سيليسيم در گوشهها و اتمهاي كروم در موقعيتهاي - ٠, ٤/١ ,٢/١ - قرار دارند. دماي ذوب اين تركيب C ١٧٧٠ بوده و در نمودار فازي سهتايي - Cr-Ni-Si شكل ٥ - محدودهي كوچكي را به خود اختصاص داده است - تقريباً تا ٥ درصد اتمي نيكل - . اين فاز در نمودار سه تايي Cr-Al-Si نيز محدودهي باريكي - به ازاي at.% Si ٣/٤-٢٥/٢٢ - را به خود اختصاص داده و قادر است تا at.% ١/٤ آلومينيم را در خود حل كند
تركيب -Ni3Si2 با ساختار كريستالي ارتورومبيك و با نقطه ذوب C ٨٣٠ در نمودار فازي در شكل ٦ مشخص شده است. اين تركيب با دو تركيب NiSi و 2-AlNi2Si در تعادل بوده و حضور اين فازها به طور همزمان قابل توجيه است. به منظور بررسي دقيقتر شرايط حضور اين فازها، نمودار فازي در مقطع عمودي به ازاي ٥٥ درصد اتمي نيكل، مورد ارزيابي قرار گرفت. اين نمودار در شكل ٧ نشان داده شده است
فاز Ni3Si2 در دو نمونهي ٥/٠R و ١R و در نواحي مياني پوشش - نواحي B و - C ديده شده است
