اعمال پوشش MCrAlX به روش HVOF بر قطعات داغ توربينهاي گازي

تست

———————————————————————————–

هدف اوليه از اعمال پوشش بـر روي پـره هـاي تـوربين گـاز حفاظـت سـطح قطعـات در مقابـل خـوردگي واكسيداسيون مي باشد باتوجه به اينكـه ايـن قطعـات در شـرايط حـاد خـوردگي داغ واكـسيداسيون در دماي بالاهمراه با تنشهاي اعمالي كار ميكند، بايد نـسبت بـه حفاظـت سـطح آنهـا اقـدام نمـود تـا اسـتحكام خواص خزشي،خستگي حرارتي ومكانيكي را نيز حفظ كن د. در اين راستا ميتوان به اعمال پوشـش بـر روي قطعات نام برد.

امروزه توربينهاي توان بالا با توجه به افزايش دماي كاري پره ها در ناحيه محيط خورنده نوع I واكسيداسيون در دماي كاري بالاي 800 در جه سانتيگراد قرار دارند. لذا پوششهايي كه مقاومت به خوردگي واكسيداسيون وهمچنين داكتيليته مناسبي را داشته باشند،ايد مد نظر قرار گيرند كه كاربرد پوششهاي McrAlX به دليل داشـتن خـواص مـذكور و همچنـين قابليـت بهره گيري از تنوع در ايجاد نسبت های مختلف از عناصر در این نوع پوشش برای رسیدن به خواص دلخواه مورد توجه بوده و مورد استفاده قرار میگردد.

سیستم HVOF

در اين روش با استفاده ازگازهاي سوخت ني مانند پروپان، پروپيلن ، هیدروژن همراه با اکسیژن موجب ایجاد احتراق شده که با هدایت پودر به درون شعله ذرات با سرعت مافوق صوت به سوی سطح قطعه پرتاب می شوند. در اين حالت سرعت ذرات بالاي 500 متر بر ثانیه و با دماي تقريبي 1800 سانتی گراد است که این شرایط باعث ایجاد یک لایه پوشش با خواص ذیل میشود :

  • پوشش فشرده با داكتيليته بالاپوشش با تخلخل بسيار كم (زير 5 درصد)
  • پوشش با تخلخل بسيار كم (زير 5 درصد)
  • • پوشش با حد اقل اكسيد
  • قابليت پاشش پودر هاي آلياژي وفلزي مانند McrAlX
  • پوشش با استحكام چسبندگي بالا

پودر هاي مورد استفاده در اين روش بايد در رنج خاصي ازتوزيع ، انداز( 50-25 +ميكرون) وشكل ذرات قرار گيرد كه اين شرايط يكي از محدوديتهاي اين روش است.

تركيب شيميايي و ساختار ميكروسكپي

در اعمال پو ششهاي MCrAlX مي توان با انتخاب تركيـب مناسـب بـه خـواص مـ ورد نظـر از جملـه يـك پوشش فشرده با داكتيليته مناسب رسيد . براي حفظ اين تركيب بعد از اعمال پوشش مستلزم آن است كه در حين انجام فرايند از واکنش عناصر با گاز های موجود در اتمسفر به ویژه اکسیژن جلوگیری نمود . در روش LPPS عدم وجود اکسیژن در محفظه پاشش این خواسته را بر آورده مینماید در حالیکه در روش HVOF دمای پایین ذرات پودر (بطوریکه بصورت خمیری شکل به سطح قطعه برخورد می کند ) و سرعت بسیار بالای ذرات و همچنین انتخاب ترکیب شعله احتراقی مناسب باعث میشود تا حداقل اکسیداسیون صورت بگیرد و بطبع می توان به ترکیب اولیه پودر پوشش دست یافت.

جهت رسیدن به یک ساختار مناسب شامل نوع و توزیع فازها همچنین بهبود چسبندگی پوشش بعد از اعمال توسط سیستم HVOF می توان از عملیات حرارتی ( همانگونه که در روش LPPS استفاده میشود ) استفاده نمود.

اكسيدها وتخلخلها

از جمله عواملی که باعث کاهش کیفیت پوشش و از دست رفتن ترکیب اولیه پوشش می شود اکسیداسیون و تخلخل در لایه پوشش است. کاهش اکسیدها و تخلخلها در پوشش موجب بالا رفتن دانسیته لایه اعمالی و کاهش داکتیلیته و همچنین باعث جلوگیری از نفوذ عوامل خوردگی مانند و اکسیژن و گوگرد به داخل پوشش و بطبع به فلز پایه میشود.

در روش HVOF به دليل دماي پايين و سرعت بالاي پودر، ذرات فرصت كافي جهت اكـسيد شدن نداشـته وبه صورت خميري شكل بسطح قطعه برخورد ميكنند كه اين خود نيز باعث كاهش تخلخل و ايجاد دانـسيته بالاي پوشش و چسبدگي مناسب با فلز پايه مي گردد . در اين روش با انتخاب پارامترهـاي مناسـب وانتخـاب صحيح اندازه وتوزيع پودر ميتوان به حداقل اكسيدوتخلخل قابل قبول در رقابت با روش LPPS رسيد.

تركها وذرات ذوب نشده

وجود تركها در لايه پوشش به دلايل متعددي بستگي دارد كه يكي از آنها تنـشهاي اعمـالي بـر روي سـطح است كه هنگام پاشش در سطح قطعه بوجود مي آيد . درحين اعمال پوشش به دليل بر خورد ذرات با سـطح قطعه تنشهاي پسماند كشش وفشار در لايه پوشش ايجاد مي گردد . معمولا تنـش هاي كشـشي سـبب كـاهش خواص مكانيكي پوشش وتخريب آن مي شود در صورتيكه تنش هاي فشاري با جلوگيري از تـشكيل و رشـد ميكروترك ها سبب افـزابش پايـداري آنهـا مـي شـوند . در روش LPPS ذرات بـه صـورت ذوب كامـل وبـا سرعت پايين بر روي سطح برخورد ميكند كه باعث ايجاد تنشهاي كششي بر روي سطح مي گـردد ولـي بـه دليل اينكه فرايند دردماي بالا انجام مي شود باعث آزاد شدن اين تنـشهاي كشـشي شـده از تـشكيل ميكـرو تركها جلوگيري مي كند در حاليكه در روش HVOF سرعت بـالاي ذرات در برخـورد بـه سـطح قطعـه در دماي پايين باعث ايجاد تنشهاي فشاري شده كه شرايط اعمال پوششهايي فشرده وبا ضخامتهاي بالا را فراهم ميكند.

بـراي رسـيدن بـه پوشـش مناسـب چـه در روش LPPS وچـه در روش HVOF ، انـدازه و توزيـع ذرات و همچنين شكل پودر نقش اساسي دارند اما ايـن مشخـصات در HVOF بـا حـساسيت بيـشتري همـراه اسـت اندازه ذرات پودرهاي LPPS در محدوده 45- الی 5+ ميكرون و براي HVOF بهترين حالت 50-الی 25+ ميكرون پيشنهاد شده است. در روش HVOF ذرات ريز وخارج از رنج باعث بوجود آمـدن اكـسيدها و تخلخـل در لايه پوشش مي شود وذرات بزرگتر از رنج باعث ايجاد ذرات ذوب نشده و تخلخل مي گردد.

استحكام چسبندگي

كيفيت فصل مشترك پوشش وفلز پايه بـستگي بـه آمـاده سـازي سـطح قطعـه قبـل از اعمـال پوشـش دارد .انتخاب پارامترهاي مناسب در عمليات سـند بلاسـت وتميـزي قطعـه باعـث عـاري شـدن فـصل مـشترك از آلودگي ها شده و افزايش استحكام چسبندگي را به همراه دارد.

همچنين استحكام چسبندگي فصل مشترك بين پوشش وفلز پايه در پوششهاي MCrAlX بـا روش HVOF به انرژي سينتيكي بالاي ذرات در برخورد با سطح قطعه دارد بطوريكه ذرات در برخورد با سـطح بـصورت قفل مكانيكي عمل كرده وبه يكديگر گره مي خورند . علاوه بر ايـن ميتـوان هماننـد روش LPPS بـا انجـام عمليات حرارتي نفوذي استحكام آنرا افزايش داد.

زبري سطح

رسيدن به زبري سطح مناسب در اعمال پوشش، به انـداز وتوزيـع ذرات پودروانتخـاب پارامترهـاي مناسـب جهت پاشش دارد. در روش HVOF به دليل بالا بودن سرعت برخورد ذرات و ب الارفتن دانسيته آن موجـب كم شدن زبري سطح مي گردد، علاوه بر آن مي توان همانند روش LPPS با انجام عمليـات شـات پينينـگ زبري سطح مناسب را بدست آورد.

نتيجه گيري

در بسياري از مـوارد كيفيـت پوشـش حاصـل از روش HVOF بـا پوشـش حاصـل از روش LPPS برابري كرده ويا اختلاف جزيي دارند . در مواردي چون مقدار اكسيد ها، از نمونه هاي LPPS بيشتر نشان مي دهد كه اين به دليل ماهيت پروسه كه در اتمسفر هوا انجام شده است، ميباشد ولي اين مقدار در حد مجاز استانداردهاي پوششهاي McrAlX به روش HVOF بوده وباعـث نمـي شـود كـه مزايـاي ايـن روش را ناديده گرفت.

از نظر كيفيت فصل مشترك پوشش و فلز پايه در پوششهاي LPPS به دليل ايجاد يك لايه نفـوذي باعـث افزايش چسبندگي آن نسبت به پوششهاي HVOF ميشود اما تستهاي خمشي كه روي نمونـه هـاي HVOF صورت گرفت نشان داد كه استحكام كافي وقابل قبول در مورد پوششهاي MCrAlX را داراست.

با توجه به موارد ذكر شده اگر در كنار اين بحثها مقايسه اي به لحاظ هزينه روشهاي ذكر شده به عمل آيـد ديده ميشود كه رويكـرد پژوهـشگران وهمچنـين شـركتهاي مـرتبط در را سـتاي كـاربرد روش HVOF در اعمال پوششهاي MCrAlX بر روي پره هاي توربينهاي گازي توجيه پذير ميباشد .

درصد هزينهHVOF نسبت به LPPS:

خريد دستگاه: 10 درصد

تعميرات ونگهداري: 2 درصد

لوازم يدكي ساليانه: 10 درصد

فضاي مورد نياز: 5درصد