بخشی از مقاله
چکیده
ترمیم یکی از موثرترین روشها برای بازیابی قطعات آسیب دیدهای مانند پره توربین است که با کسری از زمان، هزینه و آلیاژهای لازم برای تولید قطعه جدید، میتوان پره معیوب را دوباره مورد استفاده قرار داد. اما روشهای متداول ترمیم مانند جوشکاری TIG، پلاسما و پرتو الکترونی و همین طور روش Brazing که همگی با اعمال حرارت بالا همراه هستند باعث تغییر در خواص و رفتار سوپرآلیاژ پره، تغییر فاز متالورژیکی، تولید تنشهای پسماند حرارتی و تغییر شکل آن خواهند شد. در این مقاله به معرفی و مقایسه دو فناوری نوین اسپری سرد و جوشکاری لیزر، که با حذف معایب متدهای سنتی باعث افزایش عمر و کارایی پره در کنار ویژگیهای منحصر به فرد پس از فرآیند ترمیم شدهاند پرداخته میشود.
-1 مقدمه
پرههای روتور و استاتور توربینها در نیروگاههای حرارتی از جمله قطعاتی هستند که به دلیل تحمل تنشهای شدید در دمای بالا، همواره در معرض آسیبها و خرابیهای مختلف از قبیل خوردگی - به ویژه در پره توربینهای بخار فشار پایین به دلیل رطوبت موجود در مراحل پایانی - ، آسیبهای خزشی، خستگی، برخورد جسم خارجی و ایجاد ترک قرار دارند. پیری ریزساختار پره و از بین رفتن استحکام خزشی آن، از دلایل اصلی افت خواص آلیاژ پره میباشد.[1] این مسائل باعث محدود شدن عمر کاری آنها شده و امکان عملکرد مناسب پره را در شرایط کاری حذف مینماید. بنابراین به دلیل محدودیتهای تعمیر و دشواری و هزینه ساخت امروزه پرهها مهمترین قطعه در توربین های گازی هستند
اما با توجه به هزینه بالای خرید و تعویض پرههای کارکرده با پرههای نو و از آنجایی که در بسیاری از موارد آسیب وارد شده به پره چندان وسیع نیست، سعی میگردد تا حد امکان این گونه پرهها با روشهایی، بازسازی و تعمیر گردیده تا قابل استفاده مجدد باشند.
با توجه به فراز و نشیبهای زیاد امروز دنیای اقتصاد، حذف و یا کاهش چنین هزینههایی منجر به صرفه جویی اقتصادی خواهد شد. لذا با توسعه و ارتقاء این فناوریها و با اصلاح معایبی که پس از پایان فرآیند ترمیم در پره وجود دارد، به منظور افزایش کیفیت و عمر پره های تعمیر شده و کاهش نیاز به تکرار این فرآیندها در فواصل زمانی کوتاه، صرفه اقتصادی بدست آمده افزونتر نیز خواهد بود. مهمترین مسئله در بهبود فناوریهای سنتی ترمیم پره توربین حذف و یا کاهش اندازه و منطقهای از پره است که تحت تاثیر حرارت ناشی از جوشکاری واقع می شود.
در روش اسپری سرد هیچ گونه ذوب و یا تغییر فازی رخ نمیدهد؛ زیرا عامل پوشش دهی در این روش سرعت بالا و تبدیل انرژی جنبشی به انرژی کرنشی است و دما به اندازه ناچیزی افزایش خواهد یافت. در روش جوشکاری لیزر نیز عامل ایجاد پیوند میان پودر و یا سیم پرکنندهٌ پرتو نوری است که به صورت کاملا موضعی به سطح پره برخورد میکند و لذا حوضچه مذاب تشکیل شده در مقایسه با دیگر روشهای جوشکاری بسیار کوچک و کنترل شده است
-2 فناوری اسپری سرد
اصول کار در این روش بسیار ساده است. یک جت گاز با سرعت بالا بین 300-1200 - m/s - که با استفاده از شیپورههای همگرا- واگرا شکل میگیرد، برای شتاب دادن به ذرات پودر استفاده میشود. سپس این ذرات به روی سطح مورد نظر که در فاصله حدوداً 25میلیمتری خروجی نازل قرار دارد اسپری میشود و پس از برخورد پوشش روی سطح شکل میگیرد. انرژی جنبشی ذرات و نه دمای بالا کمک میکند تا این ذرات بر اثر برخورد و با تبدیل این انرژی به تغییر شکل پلاستیک به یکدیگر چسبیده و با یک پیوند قوی بین ذرات و سطح قطعه کار، پوشش شکل گیرد.
قسمتهای مختلف یک سیستم اسپری سرد عبارتاند از تغذیه کننده پودر - قطر پودرهای مورد استفاده در محدوده 1-50 - ʽm - است - ، منبع گاز فشرده، گرمکن گاز برای پیشگرمایش آن جهت جبران کاهش دما در اثر انبساط در نازل، یک شیپوره فراصوت، محفظه انجام اسپری و سیستمی برای نظارت و کنترل پارامترهای فرآیند اسپری کردن - اندازه گیری و کنترل دما و فشار گاز - .گاز مورد استفاده در این روش هلیوم، نیتروژن، ترکیب این دو و یا هوای خشک است.[3] سیستم های اسپری سرد به دو گونه فشار پایین و فشار بالا تقسیم بندی میشوند.
-1-2 سیستم اسپری سرد فشار پایین
در اینگونه از سیستمها گاز شتاب دهنده که معمولا نیتروژن یا هوا است، در فشار نسبتا پاین 5-10 - bar - قرار دارد و تا 550 - œC - پیشگرم شده و سپس وارد شیپوره میشود. این گاز در قسمت واگرای شیپوره تا سرعت 300-600 - m/s - شتاب گرفته و به سطح مورد نظر برخورد میکند. ایمنی کار در این سیستمها به دلیل استفاده از فشار پایین بیشتر بوده و هزینه کار نیز بسیار کمتر از نوع فشار بالا است. اما اشکال این سیستمها بازده رسوب گذاری پایین کمتر از 50 درصد است. بازده رسوب گذاری در واقع نسبت افزایش وزن سطح هدف به وزن همه پودری است که به قطعه برخورد کرده است. نمایی از این سیستم ها در شکل1 نشان داده شده است.
-2-2 سیستم اسپری سرد فشار بالا
در این نوع از سیستمها گاز شتاب دهنده - نیتروژن یا هلیوم - ، در فشار بالا بین 25-30 - bar - تا دمای 1000 - œC - به منظور بهبود خواص آیرودینامیکی گاز گرم میشود. انبساط گاز در نازل باعث شتاب گرفتن تا سرعت 1200 - m/s - و قرارگیری در رژیم فراصوت خواهد شد. این سیستم ها از بازده بالا نزدیک به 90 درصد برخوردار هستند. شمایی از این سیستم ها در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل-1 سیستم اسپری سرد فشار پایین
شکل-2 سیستم اسپری سرد فشار بالا
-3-2 مکانیزم روش اسپری سرد
بر اساس یک مدل پذیرفته شده، در طول برخورد ذرات صلب دچار یک تغییر شکل پلاستیک میشوند و فیلم نازک روی سطح - اکسیدها - را مخدوش میکنند و در نتیجه یک تماس خوب به دست خواهد آمد که در کنار فشار تماسی بالا، در نهایت منجر به پیوند با سطح هدف میشود
پوشش روی سطح در سه مرحله صوت میگیرد. اولین مرحله در واقع زمان بین شروع خوردگی سطح و چسبیدن ذرات به صفحه است. این مرحله با پارامتری به نام سرعت بحرانی تعریف میشود که وابسته به ابعاد پودر و نوع گاز مورد استفاده است. در مرحله اول تنها اگر سرعت ذرات برخورد کننده به سطح هدف بیشتر از سرعت بحرانی باشد امکان ایجاد پیوند بین ذرات پودر و سطح وجود دارد.
در دومین مرحله ذرات به شکل پلاستیک تغییر شکل داده و با رسوب روی سطح اولین لایه نازک پوشش شکل میگیرد . در مرحله سوم کنش و واکنش بین ذرات پودر و لایه نازک اولیه صورت میگیرد. لایه کامل پوشش در واقع در این مرحله شکل میگیرد که با ضخامت این لایه توصیف میشود. لازم به ذکر است که سرعت بحرانی در این مرحله با اندازه آن در مرحله اول متفاوت است؛ زیرا لایه جدید روی نخستین لایه، و نه روی سطح قطعه در حال شکل گیری است و لذا شرایط متفاوت است.[3]
یک مدل تجربی نشان میدهد که اختلاط و پیوند ذرات با سطح زیرین به چگالی ذرات اسپری شده - - ، سرعت ذره - Vp - و سختی برینل سطح - B - وابسته است
