ارزیابی ریزساختاری و مکانیزم‌های آسیب پره متحرک ردیف اول توربین GE MS9011 پس از کارکرد طولانی مدت در شرایط کارکرد توربین

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

حسن قربانی ¹ (دانشجوی دکتری رشته مهندسی مواد، گروه مهندسی متالورژی و مواد، دانشگاه تهران، تهران، ایران)
حسن فرهنگی ² (دانشیار، گروه مهندسی متالورژی و مواد، دانشگاه تهران، تهران، ایران)
مهدی ملکان ³ (دانشیار، گروه مهندسی متالورژی و مواد، دانشگاه تهران، تهران، ایران)

تاریخ دریافت : 1402/07/18 تاریخ پذیرش : 1402/09/23 تاریخ انتشار : 1402/02/01

کلید واژه: کارکرد طولانی مدت, سوپرآلیاژهای پایه نیکل, زوال ساختاری, الگوی نابجایی,

چکیده مقاله :

چکیده مقدمه: سوپرآلیاژهای پایه نیکل رسوب سخت شونده به دلیل خواص مکانیکی دمای بالا منحصربفردشان، دارای قابلیت کارکرد در شرایط دما- فشار بالا در محیط های خورنده هستند. یکی از کاربردهای این آلیاژها استفاده در بخش داغ توربین‌های گازی است که می‌توانند به عنوان پره های متحرک و ثابت مورداستفاده قرار گیرند. به دلیل زمان بالای کارکرد این قطعات در دمای نسبتاً بالا (800 الی 950 درجه سانتی گراد)، خواص این آلیاژها پس از مدتی تغییر کرده و همچنین احتمال ایجاد آسیب های مختلفی از قبیل اکسیداسیون، تغییر شکل های شدید موضعی، خزش و خستگی در آن ها وجود دارد. این تغییرات و آسیب های بیان شده روی قابلیت اطمینان کارکرد این قطعات حساس و همچنین عملکرد آنها به شدت تاثیر می گذارند. روش: در این تحقیق به بررسی مکانیزم های آسیب و خواص ریزساختاری سوپرآلیاژ GTD-111 به عنوان یک سوپرآلیاژ پایه نیکل رسوب سخت شونده، پرداخته می شود. لذا در این تحقیق از ایرفویل پره 75000 ساعت کارکرده به عنوان منطقه تحت حرارت بالا و از ریشه به عنوان ریزساختار شاهد استفاده شده است. مشخصه‌یابی آلیاژ کارکرده به کمک میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ الکترونی عبوری، آنالیز طیف نگار تفکیک انرژی پرتو ایکس انجام شد. به منظور بررسی های آسیب های ناشی از کارکرد، پره مورد نظر توسط آزمون های غیر مخرب پرتو ایکس و آزمون مایع نافذ فلورسنتی مورد بررسی قرار گرفته شد. یافته ­ها: طبق تحلیل المان محدود، بخش ایرفویل پره دمای بالایی را تجربه می کند که در محدود 800-925 درجه سانتی گراد است. براساس نتایج بدست آمده از آزمون های غیر مخرب، سطح پره فقط دارای عیوبی از قبیل کندگی پوشش سد حرارتی، تغییر فرم های پلاستیک موضعی در نوک پره است. براساس بررسی های ریزساخاری، تغییرات شدیدی ریزساختاری ازقبیل درشت شدن و تغییر مورفولوژی از مکعبی  به کروی فازهای رسوب سخت اولیه γ′، انحلال فازهای رسوب سخت ثانویه γ′ که در زمینه γ قرار داشتند، تجزیه فازهای کاربیدی MC به فازهای M₂₃C₆، پیوستگی فازهای کاربیدی M₂₃C₆ در مرزدانه و ایجاد فازهای TCP در مناطق بین دندریتی ناشی از کارکرد طولانی مدت، دیده شده است. براساس نتایج بدست آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری، نابجایی هایی در زمینه γ و فصل مشترک γ-γ′ مشاهده شده است. قابل ذکر است به دلیل پایین بودن سطح تنش، مقدار نابجایی های موجود در فاز γ′ که میتواند به صورت SFE و APB باشد، محدود است. نتیجه­ گیری: نتایج ریزساختاری حاکی از وجود زوال ساختاری شدید پس از 75000 ساعت کارکرد توربین است. زوال ساختاری اصلی که میتواند منجر به کاهش شدید خواص مکانیکی در دمای بالا و به تبع آن کاهش شدید قابلیت اطمینان شود عبارتند از تغییر اندازه و مورفولوژی فازهای رسوب سخت γ′ و پیوستگی فازهای کاربیدی ترد در مرزدانه های آلیاژ GTD-111. اکسیداسیون در مرزدانه و ایجاد ترک در سوراخ هوا خنک پره در ارتفاع 50 درصد ایرفویل نیز به عنوان دیگر مکانیزم آسیب تعیین شده است.

چکیده انگلیسی:

Abstract Introduction: Due to the outstanding high-temperature mechanical properties, precipitation-hardening nickel-based superalloys are capable of working in high-temperature conditions in the harsh environment. One of the applications of these alloys is the use in the hot part of gas turbines, which can be used as rotor and stator blades. The properties of these alloys after high-temperature (800-950°C) long-term operation have changed dramatically, including oxidation, severe local deformations, creep and fatigue, and microstructure. The mentioned damages can strongly affect the reliability of the operation of these components.   Methods: In this research, damage mechanisms and microstructural properties of GTD-111 superalloy as a precipitation-hardening nickel base superalloy are investigated. Hence, the blade airfoil operated for 75,000 hours was used as the alloy under high-temperature conditions and the root section was used as the unexposed alloy. Characterization of the exposed alloy was carried out by optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), and X-ray energy dispersive spectroscope (EDS). In order to assess the damage mechanism, the radiography X-ray test (RT) and fluorescence penetration inspection (FPI) were used.    Findings: Based on the finite element analysis results, the blade airfoil experienced a high temperature condition about 800-925°C. The non-destructive tests results showed that some damages such as spallation of thermal barrier coating, local deformation, local oxidation, tip rubbing and discoloration. The microstructure observation results demonstrated that there are considerable changes in the microstructure features such as the decomposition of MC carbide, coarsening and spheroidization of primary γ′, dissolution of secondary γ′, and formation of huge deleterious topological closed packed (TCP) phases located in interdendritic regions which profoundly impact its mechanical properties. Based on the results obtained from the transmission electron microscope (TEM), dislocations have been observed in the γ channels and the γ-γ' interface. It is worth mentioning that due to the low stress level, the density of dislocation in the γ′ phase, which can be in the form of SFE and APB, is limited. Microstructural observations indicated severe structural deterioration after 75,000 hours of turbine operation. The main structural degradation that can lead to a sharp decrease in mechanical properties at high temperature and consequently a sharp decrease in reliability is the change in the size and morphology of precipitation hardening phases γ' and the continuity of brittle carbide phases in the grain boundaries of GTD-111 alloy.

منابع و مأخذ:

[1]        D. Beagle, B. Moran, M. Mcdufford, and M. Merine, “Heavy-Duty Gas Turbine Operating and Maintenance Considerations,” GE Power Atlanta, GA, 2021.

[2]       V. Navrotsky, “Gas turbine performance and maintenance continuous improvement,” in VGB Conference, Gas Turbines and Operation of Gas Turbines , Jun. 2013.

[3]       H. L. Bernstein and others, “Materials Issues For Users Of Gas Turbines.,” in Proceedings of the 35th Turbomachinery Symposium, 2006.

[4]       “ger-4171-perf-reliability-improvements-ms5002-gas-turbines.pdf.”

[5]       S. Can Gülen, Gas Turbines for Electric Power Generation. Cambridge University Press, 2019.

[6]       M.A. Cocca and Marcucci, “Performance and reliability improvements for MS5002 gas turbines,” 2003. Accessed: Dec. 01, 2022. [Online]. Available: https://www.ge.com/content/dam/gepower-new/global/en_US/downloads/gas-new-site/resources/reference/ger-4171-perf-reliability-improvements-ms5002-gas-turbines.pdf

[7]       J. Li and A. Dasgupta, “Failure-mechanism models for creep and creep rupture,” IEEE Trans Reliab, vol. 42, no. 3, pp. 339–353, 1993.

[8]       S. Baik and R. Raj, “Mechanisms of creep-fatigue interaction,” Metallurgical Transactions A, vol. 13, no. 7, pp. 1215–1221, 1982.

[9]       G. Lvov, V. I. Levit, and M. J. Kaufman, “Mechanism of Primary MC Carbide Decomposition in Ni-Base Superalloys,” Metallurgical and materials transactions A, vol. 35A, pp. 1669–1679, Jun. 2004.

[10]     R. Viswanathan, Damage Mechanisms and Life Assessment of High Temperature Components. 1989.

[11]     H. Zhang et al., “Tensile properties, strain rate sensitivity and failure mechanism of single crystal superalloys CMSX-4,” Materials Science and Engineering A, vol. 782, 2020, doi: 10.1016/j.msea.2020.139105.

[12]     M. Mehdizadeh and H. Farhangi, “Microstructural characterization and mechanical properties of IN617 after long-term operation Microstructural characterization and mechanical properties of IN617 after long-term operation Extended Abstract,” Journal of New Materials Summer 2021, vol. 12, no. 44, pp. 83–102, 2021, doi: 10.30495/jnm.2021.29188.1940.

[13]     M. Mirzaee, A. Reza Khodabandeh, H. Reza Najafi, and G. Ebrahimi, “Investigation of gamma precipitation process under effect of strain in Nimonic80A nickel base superalloy,” Journal of New Materials Spring 2021, vol. 11, p. 43, 2021, doi: 10.30495/JNM.2021.4677.

[14]     J. Liburdi, P. Lowden, D. Nagy, T. R. De Priamus, and S. Shaw, “Practical experience with the development of superalloy rejuvenation,” in Proceedings of the ASME Turbo Expo, 2009, vol. 4. doi: 10.1115/GT2009-59444.

[15]     J. A. Daleo and J. R. Wilson, “GTD111 alloy material study,” in International Gas Turbine and Aeroengine Congress & Exhibition Birmingham, UK, 1996. [Online]. Available: http://asmedigitalcollection.asme.org/GT/proceedings-pdf/GT1996/78767/V005T12A017/4464976/v005t12a017-96-gt-520.pdf

[16]     J. A. Daleo and D. H. Boone, “FAILURE MECHANISMS OF COATING SYSTEMS APPLIED TO ADVANCED TURBINE COMPONENTS,” in ASME 1997 International Gas Turbine and Aeroengine Congress, 1997. [Online]. Available: http://asmedigitalcollection.asme.org/GT/proceedings-pdf/GT1997/78712/V004T12A024/4218527/v004t12a024-97-gt-486.pdf

[17]     J. A. Daleo, K. A. Ellison, and D. H. Boone, “Metallurgical considerations for life assessment and the safe refurbishment and re-qualification of gas turbine blades,” Proceedings of the ASME Turbo Expo, vol. 4, 2000, doi: 10.1115/2000-GT-0062.

[18]     J. A. Daleo and J. R. Wilson, “GTD111 alloy material study,” J Eng Gas Turbine Power, vol. 120, no. 2, pp. 375–382, 1998, doi: 10.1115/96-GT-520.

[19]     A. Dadkhah and A. Kermanpur, “On the precipitation hardening of the directionally solidified GTD-111 Ni-base superalloy: Microstructures and mechanical properties,” Materials Science and Engineering A, vol. 685, pp. 79–86, Feb. 2017, doi: 10.1016/j.msea.2017.01.005.

[20]     B. G. Choi, I. S. Kim, D. H. Kim, and C. Y. Jo, “Temperature dependence of MC decomposition behavior in Ni-base superalloy GTD 111,” Materials Science and Engineering A, vol. 478, no. 1–2, pp. 329–335, Apr. 2008, doi: 10.1016/j.msea.2007.06.010.

[21]     V. S. K. G. Kelekanjeri, S. K. Sondhi, T. Vishwanath, F. Mastromatteo, and B. Dasan, “Coarsening kinetics of the bimodal γ′ distribution in DS GTD111TM superalloy,” in WIT Transactions on Engineering Sciences, 2011, vol. 72, pp. 251–262. doi: 10.2495/MC110221.

[22]     P. Zhao et al., “Interplay of chemistry and deformation-induced defects on facilitating topologically-close-packed phase precipitation in nickel-base superalloys,” Acta Mater, vol. 236, 2022, doi: 10.1016/j.actamat.2022.118109.

[23]     P. Wangyao, N. Chuankrerkkul, S. Polsilapa, P. Sopon, and W. Homkrajai, “Gamma prime phase stability after long-term thermal exposure in cast nickel based superalloy, IN-738,” Chiang Mai Journal of Science, vol. 36, no. 3, 2009.

[24]     B. Gyu Choi, I. Soo Kim, D. Hyun Kim, S. Moon Seo, and C. Yong Jo, “ETA Phase Formation During Thermal Exposure and Its Effect on Mechanical Properties in Ni-Base Superalloy GTD 111,” in Superalloys, 2004.

[25]     N. S. C. J. M. K. W. M. R. V. P. Swaminathan, “Microstructure and Property Assessment of Conventionally Cast and Directionally Solidified Buckets Refurbished After Long-Term Service”.

[26]     N. S. Cheruvu and V. P. Swaminathan, “Recovery of Microstructure and Mechanical properties of service run GTD-111 DS BUCKETS.” [Online]. Available: http://www.asme.org/about-asme/terms-of-use

[27]     G. Marahleh, A. R. I. Kheder, and H. F. Hamad, “Creep life prediction of service-exposed turbine blades,” Materials Science and Engineering A, vol. 433, no. 1–2, pp. 305–309, Oct. 2006, doi: 10.1016/j.msea.2006.06.066.

[28]     B. Liu, D. Raabe, F. Roters, and A. Arsenlis, “Interfacial dislocation motion and interactions in single-crystal superalloys,” Acta Mater, vol. 79, pp. 216–233, Aug. 2014, doi: 10.1016/j.actamat.2014.06.048.

[29]     S. Sulzer et al., “On the assessment of creep damage evolution in nickel-based superalloys through correlative HR-EBSD and cECCI studies,” Acta Mater, vol. 185, pp. 13–27, Feb. 2020, doi: 10.1016/j.actamat.2019.07.018.

[30]     Z. Shi, X. Wang, S. Liu, and J. Li, “Low cycle fatigue properties and microstructure evolution at 760°C of a single crystal superalloy,” Progress in Natural Science: Materials International, vol. 25, no. 1, pp. 78–83, 2015, doi: 10.1016/j.pnsc.2015.01.009.

[31]      S. M. Hafez Haghighat, G. Eggeler, and D. Raabe, “Effect of climb on dislocation mechanisms and creep rates in γ′-strengthened Ni base superalloy single crystals: A discrete dislocation dynamics study,” Acta Mater, vol. 61, no. 10, pp. 3709–3723, Jun. 2013, doi: 10.1016/j.actamat.2013.03.003.