چکیده

پره هاي مستعمل نیروگاه هاي گازي از جنس سوپر آلیاژ پایه نیکل طعنص، شع مورد بررسی ریزسـاختار قرار گرفتند. بررسی ریزساختار شامل اسـتفاده از میکروسـکوپ نـوري و الکترونـی بـود و همچنـین آنـالیز ساختار و آخال ها توسط روش حخغ انجام شد. به منظور استفاده مجدد پره در سیکل تولید، قسمت هـاي مختلف آن تحت اتمسفر خنثی ذوب مجدد شـده و ریزسـاختار و سـختی آن مطالعـه شـد. در نمونـه اولیـه کاهش داکتیلیتی در اثر رسوب کاربیدها در مرز دانه ها و تجزیه فاز γ’ مشاهده شد. در نمونه بعـد از ذوب رسوبات منظم γ’ مشاهده شد. رسوب فیلم هاي پیوسته کاربید در مرز دانه هـا سـبب کـاهش عمـر خزشـی آلیاژ شد. جدایش عناصري مانند ح و ه۱ در حین انجماد موجب افزایش میل بـه تشـکیل فازهـاي به۱

شد.

واژههاي کلیدي: پره توربین، سوپر آلیاژ، ریزساختار، ذوب مجدد

.۱ مقدمه :

سوپرآلیاژهاي پایه نیکل یک دسته از مواد فلزي هستند، با یک ترکیب استثنایی از مقاومت به دماي بالا، چقرمگی و مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون. این مواد به طور گسترده در توربین هاي نیروگاه هاي برق، موتور هواپیما، موتورهاي موشک و سایر محیط هاي خاص مانند نیروگاه هاي هسته اي استفاده می شوند.[۱-۳]

پیشرفت هاي اخیر در زمینه فرآیند تولید این آلیاژها موجب تولید آلیاژهایی شد، که توان تحمل دماي کاري حدود ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد را دارند و به صورت هاي ضمنی تا حدود ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد را تحمل می کنند، که حدود %۹۰ دماي ذوب آلیاژ است.

-۱ کارشناسی ارشد، دانشجوي گرایش استخراج فلزات دانشگاه صنعتی شریف، عپطحپپلاهyگطغه۲طهآطآع

-۲ استاد دانشگاه صنعتی شریف، گرایش استخراج فلزات و تولید مواد

۵۱۶

IN 738Lc
مطالعه تغییرات ریزساختاري سوپرآلیاژ طعنص، شع….

سوپرآلیاژهاي پایه نیکل حدود ۵۰ – ۴۰ درصد وزن موتورهاي هواپیماها و یا توربین هاي گازي را تشکیل می دهند. فرآیند ساخت آن ها توسط ریختگري پیوسته است که در آن ساختار دانه ها کنترل می شود.

به دلیل اینکه مرز دانه ها مکان هاي مستعدي براي ایجاد عیوب در دماي بالا است، سعی بر این است که پره هاي توربین به طور تک کریستال ریختگري شود. با این وجود در قسمت هایی که دماي کاري پایین تر است، از ساختارهاي با دانه بندي هم محور نیز استفاده می شود.[۳] براي افزایش خاصیت خزشی در دماي بالا، عناصر دیرگداز مختلفی به این آلیاژها اضافه می شود. میزان اضافه کردن این عناصر به سوپرآلیاژ با توجه به رسوب فازهاي بین فلزي ترد محدود می شود.[۳-۵]

در طی سرویس دهی توربین هاي گازي تولید نیرو، پره هاي توربین در مجاورت گازهاي داغ قرار می گیرند و بعد از گذشت چندین سیکل کاري دچار تخریب می شوند. این رویداد به طور معمول رخ می دهد و می تواند توسط عوامل مختلف تشدید شود. این تخریب می تواند پایه متالورژیکی و یا مکانیکی داشته باشد و موجب کاهش ضریب اطمینان و قابلیت استفاده تجهیزات نامبرده شود. همچنین در اثر کاهش خواص متالورژیکی ماده، خواص خزشی، خستگی، ضربه و خوردگی کاهش پیدا می کنند. به طور عمده، اکثر پره ها تحت شرایط کاري دشواري استفاده می شوند که تحت کنترل عوامل زیر است: [۶]

– محیط عملیاتی (دماي بالا، آلودگی سوختی و هوا، ذرات جامد و …)
– تنش مکانیکی بالا (اثر نیروي گریز از مرکز، تنش خمشی و لرزشی و …)

– تنش حرارتی بالا (اثر گرادیان حرارتی زیاد)

تخریب سطح پره موجب تغییرات ابعاد در پره می شود که موجب افزایش تنش عملیاتی و کاهش بازده عملکرد توربین می شود. با توجه به عوامل ذکر شده در ایجاد تخریب سطح پره، از آلیاژهاي مقاومتري استفاده
می کنند. آلیاژ یکی از رایجترین آلیاژهایی است که براي ساخت پره توربین گازي استفاده می

شود۷]،.[۶

عنصر اصلی این سوپرآلیاژ، نیکل است، که بیشتر از ۵۰ درصد وزنی آلیاژ را تشکیل می دهد و حدود ۱۰

عنصر دیگر به نیکل اضافه می شوند و تشکیل آلیاژ را می دهند. سیستم دو تایی Ni‐Al یک سیستم پایه اي در سوپرآلیاژها است. با اضافه شدن درصد Al به زمینه نیکل γ ، یک فاز رسوبی دی گر ایجاد می شود که ترکیب آن Ni3Al است و فاز γ’ نام دارد.

یک توزیع یکنواخت از رسوبات ریز (۳۰۰‐۵۰۰ nm) γ’ در سرعت هاي سرد کردن بیشتر از ۴۰ k/min
ایجاد می شود. سرعت هاي سرد کردن کمتر موجب ایجاد رسوب هاي γ’ با اندازه کوچک (<500nm) و
بزرگ (>500nm) می شود. وجود رسوبات γ’ موجب استحکامدهی زمینه می شود۹]،.[۸

۵۱۷

چهارمین همایش مشترك انجمن مهندسین متالورژي و جامعه علمی ریخته گري ایران

تغییرات ریزساختاري که در اثر سیکل عملیاتی در دماي بالا ایجاد می شود شامل رشد غیر طبیعی ذرات فاز

γ’ و تشکیل کاربیدها در مرز دانه ها و زمینه، تشکیل فازهاي TCP و تجزیه کاربیدهاي اولیه MC است. این امر موجب کاهش خواص خزشی پره می شود.[۱۰-۱۲]

در سوپرآلیاژ IN 738Lc براي کنترل اندازه دانه ها از عناصر B، C و Zr استفاده می شود که موجب تشکیل کاربیدها و بریدها می شود و در مرز دانه ها رسوب می کنند. کربن میل ترکیبی زیادي با عناصر Zr، Ta، Ti، Nb، W، Mo و Cr دارد و موجب تشکیل کاربیدهاي اولیه MC می شود که به طور مستقیم از مذاب در حین انجماد تشکیل می شوند ۱۳]،.[۴ متناسب با ترکیب کاربید MC اولیه و عناصري که در آلیاژ حضور دارند، استحاله حالت جامد تجزیه شدن کاربید MC به کاربیدهاي M23C6، M6C، M7C3 در حین سرویس دهی و یا عملیات حرارتی رخ می دهد. به عنوان مثال Cr موجود در زمینه می تواند با کاربیدهاي TiC و NbC نیمه پایدار واکنش دهد و تشکیل یک سري از کاربیدهاي M23C6، M6C، M7C3 را دهد۱۴]،.[۱۳

دو واکنش MC + γ → M23C6 + γ’ و MC + γ → M6C + γ’ در بسیاري از آلیاژها رخ می دهد. اخراًی واکنش هاي زیر در مورد سوپرآلیاژهایی که دماي کاري بسیار بالا و زمان سرویس دهی بالایی دارند گزارش شده است.[۱۵]
(۱) MC + γ → M23C6 + η
(۲) MC + γ → M23C6 + α‐(W,Mo) + η
با توجه به بررسی هاي انجام شده هر چه نسبت (W+Mo)/Cr بیشتر باشد، درصد فاز کاربید M6C بیشتر است. به این دلیل که عناصر W و Mo کاربیدزاي M6C هستند و Cr کاربیدزاي M23C6 است.

با مصرف شدن تدریجی کاربیدهاي MC اولیه و خالی شدن زمینه اطراف کاربید از Cr موجب تشکیل یک لایه از رسوبات γ’ در فصل مشترك کاربید می شود. به دلیل اینکه این کاربیدها منطقه قابل توجهی از مرز دانه ها را اشغال می کنند معمولاًو به طور فیلم هاي پیوسته هستند، لذا استحاله فازي کاربیدهاي اولیه MC موجب کاهش خواص مکانیکی پره می شود۱۶]،۱۴،.[۱۳

با توجه به خصوصیات و تمایل به جدایش عناصر Ta و W در حین انجماد، ترکیب کلی آلیاژ باید به دقت کنترل شود تا از رسوب موضعی فازهاي ثانویه در حین سرویس دهی جلوگیري شودمعمولاً. در حین انجماد عناصر استحکام دهنده محلول جامد و دیرگداز مانند W در هسته دندریت ها جدایش می کنند و عناصري مانند Ta در مناطق بین دندریتی جدایش می کنند۱۷]،.[۴

به دلیل استفاده از درصد بالاي عناصر آلیاژي و احتمال واکنش بین آن ها ، پیش بینی تشکیل فازهاي تعادلی دشوار است. علاوه بر این وجود عناصري مانند W که قابلیت نفوذ آن ها در Ni در دماي بالا، پایین است، واکنش هاي رسوب دهی که شامل این عناصر است، بسیار کند می شود و فازها، ممکن است بصورت صفحات مجزا و یا ناپیوسته با مورفولوژي سلولی رسوب کنند۱۸]،۱۷،.[۴