بخشی از مقاله
چکیده
پوششهای عایق حرارتی 1 - TBC - به طور معمول در اجزای موجود در بخشهای داغ توربینهای گازی مانند پرهها، دریچهها و نازلها کاربرد دارند. این پوششها شامل زیرلایهای از جنس سوپرآلیاژ، لایهای فلزی به عنوان لایه اتصال - Bond coat - و لایهای سرامیکی به عنوان لایه فوقانی - Top coat - هستند. در این مقاله روشی جدید برای ایجاد پوششهای عایق حرارتی گرادیان تابعی 2 - FGM - ارائه شده است.
روش ارائه شده شامل تفجوشی پلاسمای جرقهای 3 - SPS - پوششی چندلایه شامل زیرکونیای پایدار شده با %8 ایتریم 4 - 8YSZ - به عنوان پوشش فوقانی، لایهای با ترکیب 50%YSZ +50%NiCrAlY به عنوان لایه کامپوزیتی میانی و لایه اتصالی از جنس NiCrAlY به روی سوپرآلیاژ اینکونل 738 میباشد. بررسیهای ریزساختاری نشان داد که پوشش اعمال شده کاملا چگال بوده و فاقد عیوب پوششهای معمول مانند حفرات و میکروترکها میباشد. اندازه دانه پوشش فوقانی در محدوده 40-50 نانومتر میباشد که در حین پروسه تفجوشی نرخ رشد آن بسیار محدود است و به حدود 80-60 نانومتر افزایش یافت.
مقدمه
پوششهای عایق حرارتی به طور عمده در قسمتهای داغ توربینهای گازی استفاده شده در صنایع هوایی کاربرد دارد. این پوشش-ها به منظور افزایش بازدهی توربین و کاهش هزینهی تولید استفاده میشوند. در حقیقت این پوششها با کاهش شدت انتقال حرارت و کاهش دمای زیرلایه باعث صرفه جویی در مصرف سوخت، افزایش قدرت موتور و ماندگاری اجزای آن میشود.[4-1] پوششهای عایق حرارتی ساختاری چندلایه دارند. به طور معمول این پوششها از چهار لایه تشکیل میشوند:
الف - زیرلایهای از جنس سوپرآلیاژ،
ب - لایه فلزی مقاوم به اکسید از جنس - M=Ni or Co - MCrAlY،
ج - لایه اکسید حرارتی رشد یافته 5 - TGO - از جنس آلومینا که در اثر واکنش بین آلومینیوم موجود در لایه فلزی و زیرکونیای موجود در لایه سرامیکی، در فصل مشترک لایه واسط و فوقانی تشکیل میشود،
د - لایه سرامیکی فوقانی که معمولا از جنس YSZ میباشد3]، .[8-5 روشهای معمول برای اعمال این پوششها عبارتند از روشهای پاشش حرارتی توسط پلاسما در اتمسفر هوا 6 - APS - و رسوب دهی فیزیکی از فاز بخار .7 - PVD - یکی از روشهای جدید پوششدهی، استفاده از روش تفجوشی پلاسمای جرقهای - SPS - است.
دستگاه SPS با بهرهگیری از شدت جریان برق بالا، انرژی جرقه پلاسما را تولید میکند. میتوان گفت استفاده همزمان فشار و جریان پالسی در حین فرآیند SPS اجازه تفجوشی پودرهای آمورف، نانوساختار و نانوکامپوزیت را به منظور اعمال پوشش یا تهیه قطعات حجیم، میدهد2]، 9، .[10 از مزایای پوشش اعمال شده در این روش نسبت به روشهای معمول میتوان به موارد زیر اشاره کرد: کاهش تعداد مراحل اعمال پوشش، دمای تفجوشی پایینتر، یکنواختی پوشش، کمتر شدن محسوس تخلخلها و ترکها، بهبود خواص مکانیکی و کنترل ریز ساختار و اندازه دانههای پوشش به علت زمان کوتاه فرآیند.[13-11]
ایدهی تولید مواد گرادیان تابعی - FGM - -که در آنها خواص ماده به صورت تدریجی تغییر می یابد - جهت افزایش استحکام چسبندگی و حذف تنشهای باقی مانده در فصل مشترک به وجود آمده است. خاصیت برجستهی FGM ساختار غیر یکنواخت این مواد با تغییر خواص این مواد به صورت تدریجی و در مقیاس ماکرو است. در نتیجه در این گونه مواد فصل مشترک از بین رفته و خواص دو ماده یا کامپوزیت باقی میماند . در حال حاضر از ترکیب فلزات و سرامیکها برای ساخت FGM ها در پوششهای عایق حرارتی استفاده میشود.
در اینگونه مواد درصد حجمی فلز در جهت ضخامت تغییر می کند. وجود سرامیک در این دسته از FGM ها نقش عایق شدن در برابر حرارت را ایفا مینماید و از فلز در برابر اکسیداسیون و خوردگی محافظت میکند و نقش فلز، افزایش استحکام ماده است. توانایی ایجاد پوشش عایق حرارتی گرادیان تابعی - FGM-TBC - در یک مرحله میتواند باعث کاهش هزینههای تولید و پیچیدگی-های تحقیقاتی شود. هدف از این پژوهش بیان توانایی تکنیک تفجوشی پلاسمای جرقهای برای ایجاد سریع و تک مرحلهای پوشش عایق حرارتی گرادیان تابعی که شامل لایه فوقانی در ابعاد نانومتری میباشد، است.
روش پژوهش
مواد و آماده سازی سطح:
نمونه هایی از جنس سوپرآلیاژ پایه نیکل اینکونل 738 به شکل دیسک به قطر30 میلی متر و ضخامت 5 میلی متر به عنوان زیر لایه، بوسیله دستگاه وایرکات بریده شد که ترکیب شیمیایی آن با روش کوانتومتری آنالیز شده برای ایجاد پوشش عایق حرارتی از دو نوع پودر استفاده شده است: پودر تجاری - Metco 442 - NiCrAlY با ترکیب اسمی Ni, 22Cr, 10Al, 1.0Y و میانگین اندازه ذرات 70 میکرون، به عنوان پوشش واسط و پودر زیرکونیای پایدار شده با ایتریم - 8YSZ - ، با ترکیب شیمیایی ZrO2 8Y2O3 و کد تجاری US3630 به عنوان پوشش لایه فوقانی با میانگین اندازه ذرات 40 نانومتر و خلوص بالای .% 99,9 زیرلایهها پس از برش، تا شماره 2000 سمباده زده و سپس صیقلی شدند. به منظور از بین بردن آلودگیهای سطحی، نمونهها قبل از اعمال پوشش توسط فرآیند آلتراسونیک در محیط استون تمیز گردیدند.
تفجوشی پلاسمای جرقهای:
در این پژوهش برای ایجاد پوششها از دستگاه - Easy Fashion 20T-10, China - SPS استفاده گردید. شکل1 شماتیکی از قسمتهای اصلی یک دستگاه SPS را نشان میدهد. این سیستم شامل قسمتهای زیر میباشد: محفظه خلاء، دستگاه فشار تک محوری شامل پانچهای آبگرد که به عنوان الکترود نیز عمل میکنند، دستگاه کنترل اتمسفر، مولد پالسهای جریان مستقیم پالسی، واحد کنترل سیستم خنک کننده آبگرد، سیستم کنترل و تنظیم فشار اعمالی و دما، قفل ایمنی داخل دستگاه و قالب گرافیتی.
