شکل ۴-۵ تصویر SEM از مقطع پوشش دو مرحلهای (با پارامترهای ذکر شده در جدول ۳-۳) بر سوپرآلیاژ پایه نیکلی دارای یک لایه آبکاری نیکل ساده ۴۹
شکل ۴-۶ آنالیز شیمیایی EDS پوشش آلومیناید دو مرحلهای بر سوپرآلیاژ پایه نیکلی دارای یک لایه آبکاری نیکل ساده (منطقه A در شکل ۴-۵) ۵۰
شکل ۴-۷ آنالیز شیمیایی EDS پوشش آلومیناید دو مرحلهای بر سوپرآلیاژ پایه نیکلی دارای یک لایه آبکاری نیکل ساده (منطقه B در شکل ۴-۵) ۵۱
شکل ۴-۸ آنالیز شیمیایی EDS پوشش آلومیناید دو مرحلهای بر سوپرآلیاژ پایه نیکلی دارای یک لایه آبکاری نیکل ساده (منطقه C در شکل ۴-۵) ۵۱
شکل ۴-۹ آنالیز شیمیایی EDS پوشش آلومیناید دو مرحلهای بر سوپرآلیاژ پایه نیکلی دارای یک لایه آبکاری نیکل ساده (منطقه D در شکل ۴-۵) ۵۲
شکل ۴-۱۰ تصویر SEM از مقطع پوشش نهایی ۵۳
شکل ۴-۱۱ آنالیز شیمیایی EDS پوشش نهایی (منطقه A در شکل ۴-۱۰) ۵۴
شکل ۴-۱۲ آنالیز شیمیایی EDS پوشش نهایی (منطقه B در شکل ۴-۱۰) ۵۴
شکل ۴-۱۳ آنالیز شیمیایی EDS پوشش نهایی (منطقه C در شکل ۴-۱۰) ۵۵
شکل ۴-۱۴ آنالیز شیمیایی EDS پوشش نهایی (منطقه D در شکل ۴-۱۰) ۵۵
شکل ۴-۱۵ آنالیز شیمیایی EDS پوشش نهایی (منطقه E در شکل ۴-۱۰) ۵۶
فهرست جدول‌ها
جدول ۲-۱ سرعت محاسبه شده رسوب‌دهی الکتریکی فلزات. ۱۰
جدول ۳-۱ ترکیب حمام واتز مورد استفاده برای آبکاری نیکل ۳۶

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

جدول ۳-۲ پارامترهای فرایند رسوب‌دهی الکتریکی ۳۸
جدول ۳-۳ ترکیب شیمیایی مخلوط پودر استفاده شده برای اعمال پوشش‌های نفوذی منتخب ۴۳
فصل اول: مقدمه
مقدمه
هدف از اعمال پوششی مناسب، بدست آوردن مقاومت دراز مدت در برابر محیط خورنده می‌باشد. پوشش‌های دمای بالا، از جمله پوشش‌هایی هستند که جهت افزایش طول عمر قطعات توربین‌های گازی از جمله پره‌ها بکار برده می‌شوند. جهت بدست آوردن راندمان بیشتر در توربین‌های گازی طبق محاسبات ترمودینامیکی لازم است که دمای گاز خروجی از پره‌ها بالاتر رود. با افزایش دما، بخاطر فعالیت بیشتر محیط و تغییرات دینامیکی در ساخت اجسام، مشکلاتی از قبیل خزش، خستگی حرارتی، اکسیداسیون و خوردگی داغ بوجود می‌آید که نیاز به توسعه و تولید مواد بهتر، وجود دارد. همچنین با توجه به اینکه با افزایش استحکام، مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی در دمای بالا کاهش می‌یابد، سعی بر این است که بتوان ابتدا آلیاژی با استحکام بالا تولید و سپس جهت حفاظت آن‌ها در برابر عوامل ذکر شده سطوح آن‌ها را پوشش داد.
یکی از راه‌های افزایش راندمان و کارایی توربین‌های گازی، افزایش دمای ورودی می‌باشد. نیاز به افزایش دمای کاری پره‌ها، افزایش عملکرد و طول عمر اجزای مورد استفاده در توربین گازی منجر به پیشرفت تکنولوژی علم مواد شده است. این بهبود عملکرد از طریق طراحی مواد جدید و روش‌های تولید بهتر قابل دستیابی است. به این منظور توسعه سوپرآلیاژهای پایه نیکل از حالت کار گرم شده به ریخته‌گری، ریخته‌گری جهت‌دار و تک کریستال صورت گرفته است و در ادامه پره‌های پوشش‌دار جایگزین پره‌های بدون پوشش شدند.
مقاومت به اکسیداسیون پوشش‌ها در دمای بالا به دو صورت میسر می‌شود: یکی با ایجاد پوششی خنثی در برابر محیط خورنده که که با آن محیط واکنش نداده و دیگری پوشش‌هایی که با تغییر ترکیب سطح توسط یک عنصر فعال و واکنش آن با محیط، لایه ای محافظ بدست آید که بتواند سطح را در برابر محیط محافظت کند. از دسته اول پوشش‌های TBC و از دسته دوم پوشش‌های نفوذی از جمله آلومینایزینگ، کرومایزینگ و سیلیکونایزینگ را می‌توان نام برد.
روش مخلوط پودری (آلومینیوم­دهی) یک روش مهندسی نسبتا ارزان برای تشکیل پوشش ­های دمای بالا است. سادگی فناوری مورد نیاز، تکرار پذیری قابل قبول و قابلیت پوشش­دهی قطعات با شکل و اندازه متنوع این روش را برای مدت طولانی در صدر فناوری­های مورد استفاده صنایع دمای بالا به ویژه توربین­ها قرار داده است.پوشش‌های نفوذی آلومینایدی با غنی کردن سطح آلیاژ از آلومینیوم بدست می‌آیند که با ایجاد اکسید آلومینیوم بر روی سطح پوشش در محیط، لایه محافظی در مقابل نفوذ اکسیژن تشکیل می‌گردد. رشد این لایه نسبت به اکسیدهای دیگر کم بوده و می‌توان با این روش آلیاژ پایه را در دماهای بالا محافظت نمود، زیرا این اکسید تا دماهای نزدیک به ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد مقاوم می‌باشد.
تحقیقات وسیعی در خصوص اثر عناصر مختلف بر خواص پوشش‌های نفوذی Al ساده صورت گرفته است. اغلب این تحقیقات در مورد بهبود چسبندگی پوسته در اکسیداسیون چرخه­ای و بهبود رفتار خوردگی داغ پوشش انجام شده است. یکی از مهمترین روش‌های شناخته شده برای بهبود چسبندگی پوسته اکسیدی، اثر عناصر اکسیژن‌دوست نظیر ایتریم، سریم، هافنیم و مانند آن‌هاست. غلظت اندکی از این عناصر یا اکسید آن‌ها می‌تواند مورفولوژی لایه اکسیدی آلومینا و فصل مشترک آن با پوشش آلومینایدی را اصلاح کند و چسبندگی پوسته آلومینا به پوشش آلومیناید را به‌طور قابل ملاحظه‌ای بیفزاید. روش‌هایی که تا کنون برای وارد کردن عناصر اکسیژن‌دوست یا اکسید آنها در پوشش‌های دمای بالا مورد استفاده قرار گرفته عمدتاً آزمایشگاهی بوده و اجرای عملی آنها برای صنایع مشکل است. به عنوان نمونه می‌توان به روش‌های کاشت یونی، رسوب شیمیایی بخار و سل- ژل اشاره کرد.
در این تحقیق از یک لایه آبکاری الکتریکی (Electroplating) شده نیکل به عنوان زمینۀ نگه‌دارنده نانو ذرات سریا بهره‌گیری شد. در این روش ابتدا یک لایه ضخیم نانوکامپوزیتی به وسیله آبکاری الکتریکی نیکل در حمام حاوی نانو ذرات سریا بر سطح زیر لایه ایجاد می‌شود و در مرحله بعد پوشش نفوذی آلومینایدی با رشد درونگرا (Inward Growth) بر مجموعه زیرلایه و لایه آبکاری الکتریکی شده اعمال می‌شود. توسعه این روش با توجه به جاافتادگی فرایندهای آبکاری الکتریکی و پوشش نفوذی در صنعت می‌تواند با استقبال مناسب صنایع دمای بالا روبرو شود. در این زمینه سابقه تحقیقات مشابه در داخل کشور بدست نیامد و نسبت به مقالات مشابه خارجی نیز در کار حاضر تفاوت‌هایی در مواد و روش‌کار وجود دارد.
فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده
ترکیب سوپرآلیاژها
اولین آلیاژ مورد استفاده در توربین‌ گازی از آلیاژ با پایه نیکل به نام نیکروم تشکیل شده بود [۱]. بعد از آن برای رسیدن به خواص مطلوب، عناصر دیگری به آلیاژ اضافه شد. همچنین مشخص شد که رسوب‌های پیوسته به نیکروم استحکام می‌دهد.
ریز ساختار سوپرآلیاژهای پایه نیکل شامل یک زمینه آستنیتی (γ) با شبکه FCC به همراه رسوب‌های بین فلزی و پیوسته ΄γ (با شبکه FCC) می‌باشد و کاربیدها، بوریدها و فازهای دیگر در سراسر زمینه و در طول مرزهای دانه پخش شده‌اند [۱]. در واقع ماده دو فازی (΄γ و γ) به طور وسیعی آلیاژ می‌شود تا افزایش مقاومت به اکسیداسیون و استحکام فراهم شود [۲]. این آلیاژهای پیچیده معمولا شامل بیش از ۱۰ جزء آلیاژی مختلف می‌باشند. ترکیبات مختلف کربن ، بور، زیرکونیوم، هافنیوم، کبالت، کروم، آلومینیوم، تیتانیوم، وانادیوم، مولیبدن، تنگستن، نیوبیوم، تانتالم، رنیوم، ییتریم در سوپرآلیاژهای تجاری امروزه موجود است [۱]. برای بدست آوردن استحکام و قابلیت ساختمانی بالاتر، اغلب اتم‌های کبالت به جای برخی از اتمهای نیکل قرار داده می‌شوند. آستنیت مخلوط این سه فلز که دارای شبکه FCC است، ماتریس اصلی ده‌ها نوع آلیاژ را تشکیل می‌دهد [۲]. در واقع کبالت استحکام محلول جامد زمینه نیکل را افزایش می‌دهد. برای استحکام بخشیدن به محلول (و سپس تولید کاربیدهای مستحکم کننده) مولیبدن نقش ارزنده‌ای را بازی می‌کند.
آهن، تنگستن و رنیوم هم به عنوان استحکام دهنده‌های محلول جامد زمینه Ni استفاده می‌شوند. کربن، بور، هافنیوم، زیرکونیوم در مرزدانه‌ها توزیع می‌شوند و تشکیل کاربیدها و بوریدهایی را می‌دهند که برای پایداری اندازه دانه در دمای بالا استفاده می‌شوند. همچنین نیوبیوم و تانتالم برای استحکام رسوب و زمینه (γ) اضافه می‌شوند [۲].
کروم در درجه اول برای مقاومت در برابر سولفید شدن (تشکیل پوسته محافظ ) به آلیاژ پایه نیکل اضافه می‌شود. آلومینیوم نه تنها یک تشکیل دهنده (΄γ) است بلکه به وسیله تشکیل یک پوسته به مقاومت در برابر اکسیداسیون نیز کمک می‌کند.
در سوپرآلیاژهای امروزی از کروم کمتر استفاده می‌شود؛ زیرا اثر مفیدی بر استحکام آلیاژ ندارد و دلیل عمده استفاده آن برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی است [۳]. سوپرآلیاژها در شرایط حرارتی سیکلی و ثابت، سینتیک اکسیداسیون پارابولیکی را آغاز می‌کنند، اما با این حال برای بدست آوردن بیشترین عمر اکسیداسیون، بیشتر قسمت‌های سوپرآلیاژ برای افزایش این خاصیت پوشش داده می‌شود [۲]. ترکیبی از مقاومت به اکسیداسیون، داکتیلیته و استحکام سوپرآلیاژها را قادر می‌سازد تا در دماهای بالا نسبت به آلیاژهای دیگر از برتری محسوسی برخوردار باشند. نه تنها کاربرد آن‌ها در دمای بالا برجسته است، بلکه در مقایسه با آلیاژهای دیگر از دمای کاری بالایی =۰٫۸ برخوردار هستند [۲].
پوشش‌های مورد استفاده در سوپرآلیاژها
پوشش‌های محافظ از فعل و انفعال مستقیم محیط و سوپرآلیاژها جلوگیری کرده و با کاهش سرعت خوردگی، عمر آن را افزایش می‌دهد. همچنین استفاده از پوشش امکان افزایش درجه حرارت را (در توربین) فراهم می‌کند [۴].
انتخاب نهایی جنس و پروسه انجام پوشش بستگی زیادی به شرایط کاری قطعه دارد؛ این شرایط عبارتند از تنش، درجه حرارت و اتمسفر کاری [۲].
دلایل عمده بکار گیری پوشش‌های سطحی عبارتند از:
افزایش عمر آن‌ها و شکل آنها به وسیله پوشش‌های مقاوم به خوردگی و اکسیداسیون
پوشش باید از چسبندگی کافی نسبت به زیرلایه برخوردار باشد تا بر اثر تنش‌های حرارتی و مکانیکی کنده نشود.
تحت شرایط کاری مثلاً در دماهای بالا نباید نفوذ متقابلی بین پوشش و آلیاژ پایه برقرار شود [۴].
احتمال ایجاد ترک‌های ناشی از خستگی حرارتی بر اثر سیکل‌های حرارتی در پوشش وجود دارد؛ بنابراین هر چه ضریب انبساط حرارتی آلیاژ و پوشش به هم نزدیکتر باشد، امکان خستگی حرارتی کاهش می‌یابد.
پوشش باید در مقابل انواع تنش‌هایی که در حین کار بر آن اعمال می‌شود، از استحکام کافی برخوردار باشد. (تنش‌های سیکلی، حرارتی، مکانیکی)
پوشش باید از نرمی و شکل‌پذیری کافی برخوردار باشد تا بر اثر تغییرات ابعاری فلز پایه، مقاومت لازم فراهم شود. پوشش مناسب، نازک، یکنواخت و صاف می‌باشد [۵].
فرایند‌های رسوب‌دهی
در سال‌های اخیر بررسی‌های زیادی جهت بهبود خواص سطحی مواد انجام پذیرفته است و روش‌های زیادی جهت رسیدن به این هدف مورد استفاده قرار گرفته است که از میان این رو‌ش‌ها پوشش‌دهی فلزات از موثرترین موارد به شمار می‌آید. فرآیندهای مختلف رسوب‌دهی عبارتند از [۶]:
الف) رسوب‌دهی با مذاب
ب) رسوب‌دهی با پاشش
ج) رسوب‌دهی شیمیائی
د) رسوب‌دهی الکتریکی
ه) رسوب‌دهی با بخار
و) رسوب‌دهی مکانیکی
ز) رسوب‌دهی نفوذی
در هر کدام از گروه‌های فوق بسته به نوع و طراحی فلز پایه، راه‌های زیادی برای ایجاد پوشش دلخواه وجود دارد. همچنین نوع پوشش و خواص آن به ترکیب قطعه نیز بستگی دارد [۶].
رسوب‌دهی الکتریکی