مقاله درباره آلیاژهای بکار رفته در پره های توربین

دانلود مقاله درباره آلیاژهای بکار رفته در پره های توربین
بخشی از متن
آلیاژهای بکار رفته در توربین گازی معمولاً از جنس سوپرآلیاژهای پایه نیکل (پره های متحرک) و پایه کبالت (پره های ثابت) می باشد. روشهای عمده تولید پره ها معمولاً ریخته گری و فورج می باشند نحوه ساخت پره های سوپرآلیاژها در سال ۱۹۴۰ شروع شد. و از آن به بعد پیشرفتهای قابل توجه در نحوه ساخت و افزایش استحکام صورت گرفت که ذوب در خلاء بصورت القایی (VIM) بصورت تجاری از سال ۱۹۵۰ و بعد از آن آلیاژهای پلی کریستالی از سال ۱۹۷۰ شروع به تولید شد.
از دهه ۶۰، آلیاژهای پلی کریستال دارای نظم دانه ای خاصی شده بطوریکه انجماد جهت دار پره های توربین در سال ۱۹۸۰ پره های تک کریستالی وارد مرحله ای جدید از تولید شدند.
خلاصه از مشخصات سوپرآلیاژهای پایه نیکلی
سوپرآلیاژها، موادی هستند که در حرارتهای بالا (۸۵% دمای ذوب آلیاژ) دارای استحکام مکانیکی بالا و مقاوم در برابر از بین رفتن سطح (مثلاً خوراکی) می باشند. سوپرآلیاژهای پایه نیکلی از مهمترین و پرکاربردترین آلیاژها در مقایسه با سوپرآلیاژ پایه کبالت و یا پایه آهن بشمار می روند وجود نیکل بعنوان فلز پایه می تواند باعث استحکام پذیری این آلیاژ با روشهای معمول (رسوب سختی) شود. با آلیاژ نمودن با کروم و آلومینیوم می توان پایداری سطح آلیاژ بدست آمده را جهت کاربردهای مختلف مهیا نمود.

ترکیبات شیمیایی سوپرآلیاژهای پایه نیکلی
ترکیبات شیمیایی بسیاری از سوپرآلیاژهای پایه نیکل که با بیش از ۱۲ عنصر می‌باشند یکی از پیچیده ترین آلیاژها بشمار می روند. در عملیات ذوب ریزی عناصر مضری مثل سیلسیوم، فتقر، گوگرد، اکسیژن و نیتروژن کنترل و عناصر ناچیز مثل سلنیوم، بیموت و سرب در حد PPm (خصوصاً برای ساخت قطعات با شرایط بحرانی) نگهداشته می‌شوند. که در این جا فقط به ترکیبات شیمیایی سوپرآلیاژ IN-738 می پردازیم.

وجود عناصری همچون مولیبدن، نیوبیم و تنگستن علاوه بر افزایش استحکام، باعث ایجاد و تشکیل کاربیدهای مفید می گردند. و از طرفی عناصر کرم و آلومینیوم باعث پایداری سطح می شوند و با ایجاد لایه اکسیدی محافظ ، مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی را افزایش می دهند.

میکروساختارهای سوپرآلیاژهای پایه نیکل:
فازهای عمده ای در آلیاژهای پایه نیکل وجود دارد که عبارتند از:
فاز زمینه : این فاز بصورت پیوسته و غیر مغناطیسی می باشد این فاز در برگیرنده درصد بالایی از عناصر کبالت، آهن، کرم، مولیبدن و تنگستن می باشد. نیکل خالص معمولاً دارای خواص خزشی ضعیفی است در حالیکه سوپرآلیاژهای نیکل با داشتن فاز دارای استحکام بالا در درجه حرارتهای زیاد می باشد.
فاز : وقتی مقدار کافی آلومینیوم و تیتانیوم به آلیاژ اضافه شود رسوبات با ترکیب Ti و با شبکه f:c.c در زمینه ایجاد می شود در فاز ممکن است عناصری مثل Nb، Ta و Cr بطور محسوس وجود داشته باشند.
فاز دارای ترکیب بین فلزی (Intermetalic compound) با شبکه f.c.c با شرایط (Super laftic) شبیه ساختار بوده که دارای نظم پر دامنه می باشد، این فاز تا دمای ذوب خودش یعنی پایداری خود را حفظ می کند، بدلیل هم ساختار بودن با فاز زمینه (f.c.c) یک سازگاری (Coherent) مناسبی را بوجود می آورد.
عناصری هم چون Ta، Nb، Ti سخت کننده های محلول جامد (Solid-solution hardeners) در دمای محیط بشمار می روند. W و Mo هم در دمای محیط و هم در دمای بالا باعث افزایش استحکام می شوند، در حالیکه Co بصورت محلول جامد باعث افزایش استحکام نمی شود.
فاز : ترکیب فاز بصورت با ساختار شبکه ای bct است که بیشتر در آلیاژ Ni-fe بوجود می آیند (مثل سوپرآلیاژهای IN-718, IN-706 این فاز در دمای پائین و میانی دارای استحکام خوبی است ولی در دمای بالا ( ) ناپایدار می باشد. بر خلاف فاز ، فاز بعلت نا هم خوانی و بی نظمی باعث ایجاد تنش برشی می کند. این فاز همراه با ممکن است در زمینه رسوب کند.

بررسی مرز دانه ها:
با افزایش مقدار کمی بر و زیر کو نیم خواص خزشی سوپرآلیاژهای پایه نیکل بهبود یافته و یک چشم انداز قابل توجهی از پیشرفت در زمینه کاربردهای سوپرآلیاژها ایجاد نموده است. قابلیت فورج کاری (Forge ability) و ایجاد خواص برتر با افزودن (۰٫۰۱-۰٫۰۵) منیزیم میسر شده است عقیده بر این است که وجود منیزیم حرکت سولفور در مرز دانه که باعث ایجاد فاز تردی را می کند قفل می کند که هنوز مکانیزم عمل روشن نیست. وجود عناصری مثل بر و زیرکونیم در مرز دانه باعث سدی در برابر حرکت ترکه در مرز دانه خصوصاً در شرایط دما و تنش بالا می شود. تأثیر بر و زیرکونیم بیشتر در سوپرآلیاژهای دانه درشت باعث بهبود و خواص گسیختگی می شود.
بر هم چنین رسوب کاربیدها در مرز دانه را با کم کردن مقدار کربن، کاهش می دهد منیزیم هم چنین نقشی در آلیاژ دارد. بهر صورت این دسته عناصر باعث تغییر شکست از حالت مرز دانه ای (Intergranulas) به حالت درون دانه ای (Trarsganulay) می‌کند که این امر با افزایش داکتیلتی ذاتی در سوپرآلیاژ بوجود می آید.