آلياژهاي بكار رفته در پره هاي توربين

آلياژهاي بكار رفته در توربين گازي معمولاً از جنس سوپرآلياژهاي پايه نيكل (پره هاي متحرك) و پايه كبالت (پره هاي ثابت) مي باشد. روشهاي عمده توليد پره ها معمولاً ريخته گري و فورج مي باشند نحوه ساخت پره هاي سوپرآلياژها در سال ۱۹۴۰ شروع شد. و از آن به بعد پيشرفتهاي قابل توجه در نحوه ساخت و افزايش استحكام صورت گرفت كه ذوب در خلاء بصورت القايي (VIM) بصورت

تجاري از سال ۱۹۵۰ و بعد از آن آلياژهاي پلي كريستالي از سال ۱۹۷۰ شروع به توليد شد.
از دهه ۶۰، آلياژهاي پلي كريستال داراي نظم دانه اي خاصي شده بطوريكه انجماد جهت دار پره هاي توربين در سال ۱۹۸۰ پره هاي تك كريستالي وارد مرحله اي جديد از توليد شدند.
خلاصه از مشخصات سوپرآلياژهاي پايه نيكلي
سوپرآلياژها، موادي هستند كه در حرارتهاي بالا (۸۵% دماي ذوب آلياژ) داراي استحكام مكانيكي

بالا و مقاوم در برابر از بين رفتن سطح (مثلاً خوراكي) مي باشند. سوپرآلياژهاي پايه نيكلي از مهمترين و پركاربردترين آلياژها در مقايسه با سوپرآلياژ پايه كبالت و يا پايه آهن بشمار مي روند وجود نيكل بعنوان فلز پايه مي تواند باعث استحكام پذيري اين آلياژ با روشهاي معمول (رسوب سختي) شود. با آلياژ نمودن با كروم و آلومينيوم مي توان پايداري سطح آلياژ بدست آمده را جهت كاربردهاي مختلف مهيا نمود.

تركيبات شيميايي سوپرآلياژهاي پايه نيكلي
تركيبات شيميايي بسياري از سوپرآلياژهاي پايه نيكل كه با بيش از ۱۲ عنصر مي‌باشند يكي از پيچيده ترين آلياژها بشمار مي روند. در عمليات ذوب ريزي عناصر مضري مثل سيلسيوم، فتقر، گوگرد، اكسيژن و نيتروژن كنترل و عناصر ناچيز مثل سلنيوم، بيموت و سرب در حد PPm (خصوصاً براي ساخت قطعات با شرايط بحراني) نگهداشته مي‌شوند. كه در اين جا فقط به تركيبات شيميايي سوپرآلياژ IN-738 مي پردازيم.
Ta B C V Cb AL Ti Mo W Fe Co Ni Cr عناصر
آلياژ
۱٫۷۵ ۰٫۰۰۱ ۰٫۱۰ ۰ ۰٫۹۰ ۳٫۴ ۳٫۴ ۱٫۷۵ ۲٫۶ ۰٫۲ ۸٫۳ ۶۱٫۶ ۱۶ IN-738
وجود عناصري همچون موليبدن، نيوبيم و تنگستن علاوه بر افزايش استحكام، باعث ايجاد و تشكيل كاربيدهاي مفيد مي گردند. و از طرفي عناصر كرم و آلومينيوم باعث پايداري سطح مي شوند و با ايجاد لايه اكسيدي محافظ ، مقاومت به اكسيداسيون و خوردگي را افزايش مي دهند.

ميكروساختارهاي سوپرآلياژهاي پايه نيكل:
فازهاي عمده اي در آلياژهاي پايه نيكل وجود دارد كه عبارتند از:
فاز زمينه : اين فاز بصورت پيوسته و غير مغناطيسي مي باشد اين فاز در برگيرنده درصد بالايي از عناصر كبالت، آهن، كرم، موليبدن و تنگستن مي باشد. نيكل خالص معمولاً داراي خواص خزشي ضعيفي است در حاليكه سوپرآلياژهاي نيكل با داشتن فاز داراي استحكام بالا در درجه حرارتهاي زياد مي باشد.
فاز : وقتي مقدار كافي آلومينيوم و تيتانيوم به آلياژ اضافه شود رسوبات با تركيب Ti و با شبكه f:c.c در زمينه ايجاد مي شود در فاز ممكن است عناصري مثل Nb، Ta و Cr بطور محسوس وجود داشته باشند.

فاز داراي تركيب بين فلزي (Intermetalic compound) با شبكه f.c.c با شرايط (Super laftic) شبيه ساختار بوده كه داراي نظم پر دامنه مي باشد، اين فاز تا دماي ذوب خودش يعني پايداري خود را حفظ مي كند، بدليل هم ساختار بودن با فاز زمينه (f.c.c) يك سازگاري (Coherent) مناسبي را بوجود مي آورد.
عناصري هم چون Ta، Nb، Ti سخت كننده هاي محلول جامد (Solid-solution hardeners) در دماي محيط بشمار مي روند. W و Mo هم در دماي محيط و هم در دماي بالا باعث افزايش استحكام مي شوند، در حاليكه Co بصورت محلول جامد باعث افزايش استحكام نمي شود.
فاز : تركيب فاز بصورت با ساختار شبكه اي bct است كه بيشتر در آلياژ Ni-fe بوجود مي آيند (مثل سوپرآلياژهاي IN-718, IN-706 اين فاز در دماي پائين و مياني داراي استحكام خوبي است ولي در دماي بالا ( ) ناپايدار مي باشد. بر خلاف فاز ، فاز بعلت نا هم خواني و بي نظمي باعث ايجاد تنش برشي مي كند. اين فاز همراه با ممكن است در زمينه رسوب كند.

بررسي مرز دانه ها:
با افزايش مقدار كمي بر و زير كو نيم خواص خزشي سوپرآلياژهاي پايه نيكل بهبود يافته و يك چشم انداز قابل توجهي از پيشرفت در زمينه كاربردهاي سوپرآلياژها ايجاد نموده است. قابليت فورج كاري (Forge ability) و ايجاد خواص برتر با افزودن (۰٫۰۱-۰٫۰۵) منيزيم ميسر شده است عقيده بر اين است كه وجود منيزيم حركت سولفور در مرز دانه كه باعث ايجاد فاز تردي را مي كند قفل مي كند كه هنوز مكانيزم عمل روشن نيست. وجود عناصري مثل بر و زيركونيم در مرز دانه باعث سدي در برابر حركت تركه در مرز دانه خصوصاً در شرايط دما و تنش بالا مي شود. تأثير بر و زيركونيم بيشتر در سوپرآلياژهاي دانه درشت باعث بهبود و خواص گسيختگي مي شود.
بر هم چنين رسوب كاربيدها در مرز دانه را با كم كردن مقدار كربن، كاهش

مي دهد منيزيم هم چنين نقشي در آلياژ دارد. بهر صورت اين دسته عناصر باعث تغيير شكست از حالت مرز دانه اي (Intergranulas) به حالت درون دانه اي (Trarsganulay) مي‌كند كه اين امر با افزايش داكتيلتي ذاتي در سوپرآلياژ بوجود مي آيد.

كاربيدها:
نقش كاربيدها در سوپرآلياژ بسيار حساس مي باشد. كاربيدها اغلب در آلياژهاي پايه نيكل بر روي مرز دانه ها رسوب مي كنند در حاليكه در سوپرآلياژهاي پايه كبالت و آهن در محلهاي بين دانه اي (Intryranolas) راسب مي شوند. طبق بررسيهاي جدي

د بعمل آمده به نظر مي رسد كاربيدهاي مرزدانه اي بزي داكتيليتي مضر بوده ولي بعضي از محققين عقيده دارند كه كاربيدهاي مجزا (مثل حالت منيزيم) باعث بهبود خواص استحكام گسيختگي در دماي بالا مي شود. متداولترين كاربيدها در آلياژهاي پايه نيكل MC و و مي باشند كاربيد MC معمولاً بصورت درشت، راندم و حالت مكعبي يا شكل نقطه نستعليقي است ساختار MC بصورت (F.c.c) بوده كه در حين انجماد بوجود مي آيند.
كاربيدهاي MC معمولاً منبع كربني براي واكنشهاي فازهاي ايجاد شده بعدي در حين عمليات حرارتي بشمار مي روند.
در بعضي از آلياژها مثل IN-901 و A286، لايه هاي MC در امتداد مرزدانه ها تشكيل مي شوند كه باعث كاهش داكتيليتي مي شوند. Tic و HFC در اين دسته از پايدارترين كاربيدها بشمار مي روند البته در صورت وجود Mo و W فعاليت كاربيدهاي مثل Tic و HFC و Nbc كم شده و بجاي Ti و Hf و Nb، عناصر Mo و W جايگزين مي شود.
بعنوان مثال كاربيد در الياژها udimet 500، M-252 و Rene 77 پيدا مي‌شود كه با اضافه كردن Mo يا W، نيروهاي بين پيوندي كاربيدهاي Mc كم شده و واكنشهاي جديدي بوجود مي آيد. اضافه كردن Nb و Ta اثرات تشكيل و در عمليات حرارتي يا پس از سرويس اين كاربيدها را خنثي مي كند. آلياژهاي اخير كه مقدار Ta و Nb آن بالاست كاربيدهاي Mc به راحتي تحت عمليات حل كردن (Solution treat) در محدودة دمائي ۱۲۰۰-۱۲۶۰ خورد نمي شوند و از بين نمي روند.
كاربيدهاي براحتي در آلياژهاي با كرم متوسط با بالا ايجاد مي شوند. اين كاربيدها در محدوده دمائي در حين عمليات حرارتي و در طي سرويس بوجود مي آيند. اين كاربيد ممكن است از Mc و يا از كربن موجود در زمينه متولد شود. ممكن است در مرزدانها، در راستاي باندهاي دوقلوئي (along twin bands)پهنه خطاي انباشتگي (staching faults) و يا در انتهاي دوقلوي (twin end) ديده شوند. كاربيدهاي داراي ساختار مكعبي كمپلكس بود

ه كه اگر اتمهاي كربن آنها حذف شوند دقيقاً به فاز از ذرات بوجود مي آيند در صورت وجود W يا Mo تركيب بصورت در مي آيد كه مقدار محسوسي نيكل مي تواند با C جايگزين شود، Co و آهن هم مي توانند جايگزين كرم شوند.
كاربيد بطور قابل ملاحظه اي بر روي خواص سوپرآلياژه

ا تأثير مي گذارند. با حضور ذرات جدا از هم بويلر مكانيزم ممانعت كنندگي لغزش مرزدانه (grain-boundry sliding) استحكام گسيختگي بهبود مي يابد. بهرحال انهدام و زوال قطعه ممكن است در اثر شكست ذرات و يا خرد شدن فصل مشترك كاربيد با زمينه، شروع شود. اين موضوع در ساختار سلولي يا خانه خانه اي كاربيد نيز بوجود بيايد و در نهايت باعث زوال ناگهاني قطعه شود، البته با عمليات حرارتي و يا فرآيندهاي كنترل شده اي از اين تخريب مي توان جلوگيري بعمل آورد.
كاربيد داراي ساختار مكعبي پيچيده اي است اين كاربيد در محدوده دمائي با وجود مقدار ۶-۸% Mo يا w بوجود مي آيند. انواع كاربيد با در آلياژهاي Rene 80, 41، AF1753 بوجود مي آيند فرمولهاي عمده بصورت و در محدوده وسيعي از هاتسلوي X ديده مي شود، Cr، كاربيدها بوجود مي آيد. (خصوصاً كاربيدهاي ) بدليل پايداري بيشتر كاربيد نسبت به اين كاربيد جهت ايجاد رسوبات مرز دانه اي و كنترل اندازه دانه براي آلياژهاي كار شده اهميت بيشتري دارد.

واكنشهاي كاربيد:
كاربيد از عمده ترين صنايع كربن در بسياري در آلياژهاي پايه نيكل در دماي پائين تر از مي باشد بهرحال كاربيد MC در طي عمليات حرارتي و حين سرويس به آهستگي تجزيه و باعث آزاد شدن كربن جهت انجام چند واكنش مهم مي‌شود. نتيجه كلي اين واكنشها تشكيل كاربيد مي باشد.

يا

كاربيد هم با اين مكانيزم تشكيل مي شود.
با واكنش و كه ممكن است وابسته به نوع آلياژ، يكي از آنها بوجود بيايد.

يا

بعنوان مثال در آلياژ Rene 41 و M-252 در طي عمليات حرارتي ابتدا فازهاي MC و توليد شده و با افزايش زمان به فاز تبديل شوند اين واكنشها باعث

ايجاد رسوبات كاربيدي در محلهاي مختلف خصوصاً در مرزدانه مي شود. از سودمندترين اثر واكنش ها جهت كاربرد مقاومت بالاي خزش) كنترل نمودن عمليات حرارتي در واكنش (۱) مي باشد. هم فازهاي كاربيد و بوجود آمده در جلوگيري از لغزش مرزدانه بسيار مفيد هستند. در بسياري از موارد ايجاد شده، بر روي كاربيد مي نشيند و حالت پوششي به خود مي گيرد كه در اين حالت مرزدانه نسبتاً حالت داكتيلتي پيدا نموده و يك منطقه مقاوم به خزش محسوب خواهد شد.

عمليات حرارتي سوپرآلياژهاي پايه نيكل:

بعد از عمليات ماشين كاري و تهيه قطعات كار شده (Wrought) ابتدا عمليات انحلال (Solution treated) جهت انحلال و كاربيدهاي پايدار MC بر روي آنها صورت مي‌گيرد عمليات انحلال ثانوي در دماي پائين تر صورت مي گيرد.