بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کنترل کيفيت پوشش هاي نفوذي در پره توربين هاي گازي
چکيده
بخش عمده اي از برق مورد نياز کشور توسط توربين هاي گازي توليد مي گردد. پره هاي گردان يکي از اجزا مهم توربين هاي گازي مي باشد که در معرض محيط خورنده ، دما و تنش بالا مي باشد. بمنظور افزايش مقاومت در برابر خوردگي و سايش ، پره ها پوشش داده مي شوند. کنترل کيفي پوشش براي پيشگيري از خسارتهاي احتمالي از اهميت فراواني برخوردار است . در اين مقاله روشهاي ارزيابي پوشش بطريق آزمايشهاي مخرب ، غير مخرب و اندازه گيري ضخامت پوشش توضيح داده شده و نهايتاً معيارهاي رد و قبول پوشش ارائه گرديده است .
مقدمه
کنترل کيفيت همواره يکي از ارکان مهم در صنايع مختلف مي باشد و روز به روز بر اهميت آن افزوده مي گردد. اين امر نه تنها در بهتر شدن کيفيت محصولات صنعتي سهم شاياني داشته است بلکه بر روي عوامل اقتصادي ، زيست محيطي و ... نيز مؤثر بوده است . امروزه فرآيندهاي مختلفي جهت پوشش دهي پره ها وجود دارد که بهينه سازي اين فرآيندها از اهم امور مورد توجه در صنعت ساخت پره قرار دارد.
تنوع گسترده سوپر آلياژي بکار رفته در پره هاي توربينهاي گازي و شرايط سخت مکانيکي ، حرارتي و اتمسفري سبب توسعه فراوان سيستمهاي مختلف پوشش دهي پره هاي توربين گازي شده است . به گونه اي که در حال حاضر انواع روشهاي پوشش دهي بر روي پره ها اعمال مي گردد. يکي از روشهاي پوشش دهي پره ها روش پوشش دهي نفوذي مي باشد که کاربرد فراواني يافته است کنترل کيفيت آن نيز به لحاظ اين فراواني استفاده از اهميت خاصي بر خوردار مي باشد.
روش تحقيق
در اين تحقيق ، کنترل کيفيت پوششهاي نفوذي به روشهاي ابعادي ، مخرب و غير مخرب مورد بررسي قرار مي گيرد.
١ـ کنترل کيفيت ابعادي پوششهاي نفوذي [١]
از آنجائيکه ميزان ضخامت پوشش در تمامي فرآيندهاي پوشش دهي حائز اهميت مي باشد، در پوشش هاي نفوذي نيز کنترل ضخامت بسيار مهم است . براي اندازه گيري ضخامت پوشش از دو روش استفاده مي شود:
روش اول ـ در اين روش بر اساس تغييرات ابعادي يعني اختلاف در ابعاد پره قبل و بعد از پوشش دهي ضخامت پوشش بر روي پره تعيين مي شود. تجهيزات اين روش شامل ميکرومتر و ورنيه مي باشد. در اين روش ضخامت پوشش از رابطه زير بدست مي آيد. (1)
در آن D ضخامت پره بعد از پوشش دهي d ضخامت آن قبل از پوشش دادن مي باشد.
روش دوم ـ اين روش شامل تعيين ضخامت کلي پوشش مي باشد و به عنوان فاصله بين منطقه بدون اعمال نفوذ پوشش به فلز زمينه و سطح خارجي پوشش تعريف مي گردد. اين روش توسط مقطع زدن سطح پوشش داده شده و با در نظر گرفتن ساختار متالوژيکي آن و اندازه گيري ميکروسکوپي ضخامت تعيين مي گردد. تجهيزات بکار رفته در اين روش نمونه هاي آماده شده متالوژيکي استاندارد به همراه ميکروسکوپ نوري مي باشد.
٢ـ کنترل کيفيت مخرب پوشش هاي نفوذي
اين آزمايشات شامل ارزيابي خوردگي ، سختي ، ساختار و خواص مکانيکي مي باشد.
٢ـ١ـ آزمايشات خوردگي
آزمايشات ارزيابي خوردگي پوششهاي نفوذي به سه روش انجام مي شود فرآيند تک دما، آزمايشات کروسيبل ، آزمايشات برنررينگ . [٢]
٢ـ٢ـ سختي
سختي حاصل از اعمال پوشش را با معيار ويکرز مي توان محاسبه نمود. نمونه ها از جنس سوپر آلياژ اينکونل LC ٧٣٨ به ابعاد mm١٠١٦ × ١٩ و با ضخامت مشخص انتخاب مي گردند که باعث کاهش استحکام و همچنين عدم پوشش پذيري آلياژ مذکور نگردند. [٢ و ٣]
٢ـ٣ـ ريز ساختار پوشش
در اين مرحله نيز نمونه ها از جنس سوپر آلياژ ابنکونل LC٧٣٨ انتخاب شده اند عمليات پوشش دهي ٣٧ Elcoat شامل کرومايزينگ با اکتيوتيه بالا است که با پودر مخصوص صورت مي گيرد. پس از زدايش پوسته هاي سست و سطحي به منظور مشاهده وضعيت آلياژ و پوشش موجود ، نمونه ها سطح مقطع زده مي شود . پس از انجام مراحل متالوگرافي و مشاهده سطح مقطع نمونه هاي پوشش داده شده ،مطابـق شکل ١ سـه لايـه در فصل مشترک پـوشش و آليـاژ زمينه قابل مشاهده خواهد بود.[٣ و ٤]
٢ـ٤ـ ارزيابي خواص مکانيکي
عموماً خواص مکانيکي که حين بررسي هاي مخرب پوشش هاي نفوذي مورد ارزيابي قرار مي گيرند عبارتند از خواص کششي ، گسيختگي خزشي و خستگي با کرنش زياد. پوشش نفوذي تحت بررسي از نوع کرم آلومينايد بوده و نمونه ها به شکل ميله هاي ريختگي آزمايشگاهي مي باشند.
٣ ـ کنترل کيفيت غير مخرب پوششهاي نفوذي
بررسي هاي غير مخرب بر روي پوششهاي نفوذي شامل دو دسته مي باشد. دسته اول روشهاي تعيين ضخامت پوشش توسط آزمونهاي غير مخرب و دسته ديگر مربوط به تعيين آناليز پوشش توسط اشعه ايکس مي باشد.
٣ـ١ـ روشهاي تعيين ضخامت پوشش
٣ـ١ـ١ـ روش پخش پرتوهاي اشعه بتا ١
هنگاميکه نمونه تحت آزمايش توسط پرتوهاي بتا تحت تأثير قرار مي گيرد الکترونهاي برگشتي در امتداد مسير خاص حرکت کرده و توسط آشکار ساز پديدار و شمارش مي شوند. تجهيزات بکار گرفته شده در اين روش شامل يک منبع تابش ايزوتوپ که حاصل ذرات پر انرژي بتا است ، يک جستجوگر٢ (که منطقه تحت بررسي را محدود مي نمايد و مشخص مي کند چه مقدار از سطح ، تحت عمليات سنجش ضخامت قرار مي گيرد) و آشکار ساز (يا صفحه نمايش ميزان ذرات برگشتي ) مي باشد. [٥]
٣ـ١ـ٢ـ جريان ادي
تجهيزات بکار گرفته شده براي اين روش شامل دستگاههاي اندازه گيري ضخامت متشکل از يک پروب و صفحه نشان دهنده ميزان ضخامت است . براي اندازه گيري ضخامت پوشش به اين روش ، معرفي عمق نفوذ ميدان مغناطيسي حاوي جريان ادي لازم مي باشد. عمق نفوذ را توسط رابطه زير مي توان بدست آورد: (2)
که در آن e مقاومت اتصال دهنده ، μ قابليت نفوذ ماده و f فرکانس جريان مي باشد. [٦]
٣ـ٢ـ روش آناليز پوشش توسط اشعه ايکس (XRF)
اين روش در واقع همان طيف سنجي فلوئور سانسي اشعه ايکس مي باشد که يک روش آناليز مقايسه اي است .
تجهيزات اين روش شامل منبع انتشار انرژي ، نمونه تحت آزمايش و آشکارساز مي باشد. در اين روش نمونه هايي از سوپر آلياژ اينکونل LC٧٣٨ که با عمليات کرومايزينگ و سپس آلومينايزينگ پوشش داده شده در نظر گرفته شده اند.
پس از انجام عمليات مذکور آناليز عناصر موجود در لايه هاي مختلف مطابق جدول ١ بدست مي آيد. [٧]
نتايج و بحث
همانطور که اشاره شد کنترل کيفي پوششهاي نفوذي از سه طريق مورد بررسي قرار مي گيرد. در قسمت ابعادي که بحث پيرامون تعيين ضخامت پوشش مي باشد ذکر چند نکته ضروري است . از جمله آن که ضخامت پوشش نبايد آنقدر کم باشد که مقاومت خوبي در برابر خوردگي و سايش را در پره ايجاد ننمايد و از طرف ديگر اين ضخامت نبايد آنقدر زياد باشد که به لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نباشد و نيز سطح جانبي پره را افزايش دهد. بنابراين مطابق با استاندارد ASTM حداقل ضخامت براي پوشش بر روي آلياژهاي پايه نيکل mm٢٥ مي باشد [٩] که اندازه گيري به اين دقت با دستگاههاي مکانيکي (روش اول ) مشکل به نظر مي رسد. از اين رو طبق همين استاندارد روش ميکروسکوپي (روش دوم ) پيشنهاد گرديده است که پس از اندازه گيري و احتساب ميانگين ضخامت ها، ضخامت متوسط بدست مي آيد. از آنجا که در روش دوم احتياج به مشاهده لايه پوشش و فلز زمينه مي باشد، اين روش را مي توان جز روشهاي مخرب نيز به حساب آورد. در قسمت کنترل کيفي مخرب اينگونه پوشش ها و در بحث آزمايشات خوردگي ذکر مي شود که در هر سه روش معرفي شده ، مشاهده ميکروسکوپي سطح مقطع نمونه ها الزامي است ، هر چند ممکن است در برخي روشها مانند کروسيبل تنها به اختلاف وزن اکتفا شود. در اين حالت ميزان آسيب ديدگي پوششها مطرح مي گردد و تا حدي اين آسيب ديدگي مجاز است که فلز زمينه سالم بماند. بنابراين بعد از انجام هر آزمايش نمونه تحت عمليات متالوگرافي نيز قرار مي گيرد (شکل ٢). در کل با مقايسه نمونه هاي متالوگرافي شده پس از انجام آزمايش و نمونه هاي استاندارد مي توان ارزيابي دقيقي از کيفيت پوششهاي اعمال شده به عمل آورد.
در ارزيابي سختي پوششها در واقع بايد دو منطقه پوشش و آلياژ زمينه تواماً اندازه گيري شوند. بطور کلي وقتي سختي يک پوشش نفوذي مدنظر باشد در واقع سختي مطلوب ، سختي توام پوشش و فلز زمينه است که توسط نفوذ بوجود آمده است . بدين ترتيب انجام آزمايشات سختي در اين گونه پوشش ها تنها به وسيله ميکروسختي سنج و بدون مقطع زدن امکان پذير مي باشد. تجهيزات اندازه گيري ميکروسختي بايد در مکاني قرار گيرد که عاري از هر گونه لرزش و تکان خوردن باشد تا هيچگونه خطايي در اندازه گيري سختي رخ ندهد.
در عمليات متالوگرافي نمونه هاي پوشش داده شده که منجر به بررسي ارزيابي ريز ساختار پوشش مي گردد سه لايه در فصل مشترک پوشش و آلياژ زمينه قابل مشاهده است ، لايه خارجي ، مياني و نفوذي . (شکل ١)
براي ارزيابي ساختار بايد دقت شود که :
١ـ لايه خارجي از جنس α− با رسوبات NiAl مي باشد.
٢ـ منطقه مياني با زمينه NiAl و رسوبات α− مي باشد.
