بررسی اثر پوشش فلزی بر تشکیل ترک خستگی حرارتی در سوپرآلیاژ پایه نیکل با ریزساختار انجماد جهت‌دار
محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوینعلیمحمد فاضلی تهرانی 1 , حسن فرهنگی 2
1 - دانشکده مهندسی متالورژی و مواد، پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران
2 - دانشکده مهندسی متالورژی و مواد پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران
کلید واژه: پوشش, نیکل, خستگی حرارتی, سوپر آلیاژ, انجماد جهت‌دار,
چکیده مقاله :
چکیده مقدمه: امروزه از سوپرآلیاژهای پایه نیکل به دلیل خواص مکانیکی بالا در قطعات داغ توربین های گاز و موتورهای هوایی استفاده می شود. این قطعات داغ حین سرویس و به دلیل نوسان های دمایی، تنش های ناشی از ارتعاش و دوران تحت مکانیزم های تخریبی نظیر خستگی دمای بالا، خستگی حرارتی و اکسیداسیون قرار می گیرند. لذا برای افزایش عمر این قطعات از روش های مختلفی استفاده می شود. استفاده از پوشش سد حرارتی فلزی و سرامیکی و نیز کاهش تعداد مرزهای دانه به کمک ریخته گری ریزساختار های انجماد جهت دار و تک بلور از جمله روش های متداول است. روش: در این پژوهش اثر پوشش فلزی بر تشکیل ترک خستگی حرارتی در یک سوپرآلیاژ پایه نیکل با ریزساختار انجماد جهت دار بررسی شد. نمونه های دیسکی شکل از استوانه های ریخته شده سوپرآلیاژ با ریزساختار انجماد جهت دار تهیه شد. نیمی از نمونه ها بدون پوشش و نیم دیگر به صورت پوشش داده شده با پودر CoNiCrAlY و به روش HVOF، تحت آزمون های خستگی حرارتی با سیکل های حرارتی یک ساعته بین دو دمای °C 400 و °C800 به تعداد 24، 48، 96، 150 سیکل قرار گرفت. آزمون ها داخل کوره باکسی مجهز به کنترل کننده دقیق شیب حرارتی انجام شد. پس از خارج شدن نمونه ها از کوره مذکور، تغییرات وزن آنها نسبت به حالت اولیه با دقتg 4-10 اندازه گیری شد. از روش پراش پرتو ایکس برای شناسایی فازها و از میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی مجهز به حسگر EDS برای بررسی تاثیر پوشش و اجزای ساختاری بر تشکیل ترک های خستگی حرارتی استفاده شد. یافته ها: تغییرات وزن در نمونه های پوشش دار حدود 100 برابر کمتر از نمونه های بدون پوشش است. هنگام انجماد، با تشکیل ذرات کاربیدی در سوپر آلیاژ، گرادیان غلظتی عناصر آلیاژی، در فصل مشترک ذره کاربیدی و زمینه اتفاق می افتد. در نتیجه با اکسیداسیون ترجیحی عناصر آلیاژی نظیر کروم، نیکل و تیتانیوم در این فصل مشترک، فازهای سوزنی شکل اکسیدی ایجاد شدند. همزمان با نفوذ اکسیژن به سطح فاز γ’ اکسید شده و منطقه تهی از γ’ به وجود می آید. با تشکیل فازهای اکسیدی، حفرات اکسیدی و از به هم پیوستن این حفرات شیارهای ریز تشکیل می شود. گسترش ترک ها از بهم پیوستن شیارهای اکسیدی و از سطح نمونه اتفاق می افتد. در نمونه های پوشش دار با اکسید شدن آلومینیم در سطح پوشش، غلظت آلومینیم در پوشش کاهش یافته حفرات اکسیدی و ریز ترک درون پوشش ایجاد می شود. میزان فاز اکسیدی و اندازه متوسط آنها نسبت به نمونه بدون پوشش کاهش یافته است. کاهش همزمان غلظت نیکل و آلومینیم درون زیرلایه و در مجاورت فصل مشترک، باعث انحلال فاز γ' در فاز γ می شود و در نتیجه منطقه تهی از فاز γ' ایجاد می شود. نتیجه گیری: مشاهده شد که با اعمال پوشش، محل تشکیل ترک از سطح نمونه به فصل مشترک پوشش و زیرلایه منتقل می شود. در نمونه های بدون پوشش تشکیل ترک به دلیل اکسیداسیون ذرات کاربیدی، شکسته شدن آنها و تشکیل حفره های اکسیدی است. در حالی که در نمونه پوشش دار با انحلال فاز γ' استحکام فصل مشترک پوشش و زیرلایه کاهش یافته و ترک در امتداد فصل مشترک تشکیل می شود.
Abstract Introduction: Nickle based superalloys are widely used in gas turbine components such as blades due to their excellent mechanical properties at high temperatures. These blades are subjected to extensive temperature fluctuations which induce thermal fatigue damage. In this research, thermal fatigue properties and behavior of directionally solidified Nickel based superalloy was investigated.Methods: Thermal fatigue specimens were coated with CoNiCrAlY powder using the HVOF method. Test temperature fluctuated between minimum of 400 and maximum of 800°C such that each cycle lasted for 1h. All the samples were weighted before and after the test with the precision of 10-4g. X-ray diffraction method was used to identify oxide phases. Scanning electron microscopy was also used to study microstructure of all the samples. Elemental analysis of the microstructure was carried out by energy dispersive spectroscopy. Findings: It was found out that oxidation was the main reason of crack formation while thermal fatigue testing. The weight change of the coated sample is 100 times less than the bare. The cracks in the bare alloy formed from the surface mainly at the interface of Carbide particles and the γ matrix, while crack formation at coating/substrate interface was found to be the preferential location in the coated samples.